汽車車身結構正面碰撞有限元仿真分析
汽車車身結構正面碰撞有限元仿真分析,汽車,車身,結構,正面,碰撞,有限元,仿真,分析
畢 業(yè) 設 計（論 文）
設計(論文)題目： 汽車車身結構正面碰撞有限元仿真分析
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摘 要 III
Abstract IV
1 緒 論 1
1.1研究的背景 1
1.2 汽車安全性的介紹 1
1.3國內(nèi)外仿真研究的現(xiàn)狀 1
1.4課題的主要研究內(nèi)容和研究手段 2
2 有限元法的理論基礎和方法 3
2.1有限元法的基本思想 3
2.2有限元算法及理論基礎 3
3 汽車碰撞理論 6
3.1理論闡述 6
3.2客車車身結構結構特點 6
3.3客車車廂前部要求 7
3.4理想的車體結構 7
4 客車車身結構正面碰撞分析 9
4.1碰撞有限元分析過程： 9
4.2 建立車身三維實體模型 9
4.3建立車身結構有限元模型 11
4.4求解結果 16
5 客車正面碰撞結果分析 21
5.1碰撞加速度的分析 21
5.2 碰撞速度分析 21
5.3能量轉(zhuǎn)化分析 22
5.4應力分析 22
5.5 碰撞車架的耐撞性能分析 23
6 結 論 25
參考文獻 26
致 謝 28
II
摘要
汽車車身結構正面碰撞有限元仿真分析
摘 要
本文就客車車身結構在發(fā)生正面碰撞時產(chǎn)生的變形及應力情況進行分析，從而對客車結構安全性進行評價。首先利用三維建模軟件Catia對已有的客車骨架進行建模，然后將模型的igs.格式導入有限元分析軟件Hyper works進行碰撞模擬分析，從而得到正面碰撞之后的速度、加速度、能量轉(zhuǎn)化關系圖，以及整個碰撞過程中的應力變形情況。在分析整個碰撞過程后，對車輛的結構性能作出評價并提出可行性建議。
關鍵詞：模擬仿真；車身正面碰撞；車身局部變形；有限元
Finite element simulation analysis of frontal collision of automobile body structure
Abstract
This article mainly analyed when the front collision of the car occured, what the changes in the deformation and stress of automobile body structure and to evaluate the safety of the bus structure.First, we use the 3D modeling software Catia to model the existing passenger car skeleton,and then import the model (igs. Format) into the finite element analysis software Hyper works for collision simulation analysis.From the analysis,the velocity, acceleration, and energy conversion graphs after the frontal collision are obtained,so as the the stress and deformation in the whole collision process.After analyzing the whole collision process, we should evaluated the structural performance of the vehicle and put forward more feasibility suggestions.
Key words: Simulation; Frontal collision of the car body; Local deformation of the car body;Finite element;
IV
1 緒論
1 緒 論
1.1研究的背景
當前，汽車安全，節(jié)能，環(huán)保作為汽車行業(yè)的三大熱點詞，社會經(jīng)濟意義很重要，得到了各相關企業(yè)與政府部門的高度重視。與此同時，汽車的安全性與個人家庭的生命財產(chǎn)安全息息相關。隨著我國汽車保有量、產(chǎn)銷量的不斷增長，作為世界第一大汽車市場的中國也在面臨著日益嚴峻的由此帶來的社會問題，交通安全問題尤為突出，需要進一步的關注。
1.2 汽車安全性的介紹
提到汽車安全，主要考慮其主被動兩方面[1]。簡言之，主動安全即預防車輛事故發(fā)生的能力，一般通過汽車的底盤制動系統(tǒng)和諸如ABS防抱死系統(tǒng)、防撞、防滑、限速報警等車輛內(nèi)預警裝置來實現(xiàn)。被動安全即在事故已經(jīng)產(chǎn)生后降低碰撞強度，以期保護成員，避免造成重大傷害的能力。其主要依靠車身的自身強度，抵抗變形的能力，車身材料的吸能結構或者如安全帶，安全氣囊等附加安全措施來起到控制車身的變形模式保護成員安全性的目的。
目前為止，碰撞是汽車產(chǎn)生交通事故的重要類型之一，當碰撞產(chǎn)生時，車上的乘客與駕駛員和車身結構之間發(fā)生接觸造成生命財產(chǎn)損失。碰撞主要有正面碰撞、側(cè)面碰撞、追尾碰撞和側(cè)翻碰撞等形式。而客車屬于汽車的一種類型，汽車碰撞的研究內(nèi)容和方法同樣適用于客車。根據(jù)相關數(shù)據(jù)統(tǒng)計，客車的正側(cè)面碰撞占客車事故總量的40%-60%。由此可見，對于在客車正面碰撞過程中所能導致的安全性問題進行探討非常有必要。
1.3國內(nèi)外仿真研究的現(xiàn)狀
碰撞安全研究經(jīng)歷了很多個階段，從早期的實車碰撞試驗到上世紀二十年代，美國率先采用翻滾和正面固定壁障碰撞試驗，而在上世紀50年代出現(xiàn)的臺車碰撞試驗則很大程度上提高了模擬碰撞的速度。上世紀70年代，人們開始了對計算機碰撞模擬研究的探索，這一實踐隨著90年代計算機的快速發(fā)展，汽車碰撞模擬研究得到了大力的發(fā)展。目前而言，汽車碰撞模擬研究領域的常用軟件有：LS-DYNA、HYPERWORKS、RADIOSS.ABAQUAS等[2]。一般而言，碰撞模擬研究包括四個方面：汽車碰撞事故模擬；碰撞過程中車身結構大變形模擬；人體整體動力學的響應模擬；人體局部結構的生物力學模擬。而在我國，汽車碰撞的仿真研究直至上世紀80年代才得以開展，雖然起步晚，但通過這些年的努力，成果還是很顯著的。目前，除了已經(jīng)建立的幾個實車碰撞基地外，也對車身耐撞性、乘員約束系統(tǒng)、行人保護等方面做進行了實驗和模擬仿真。相關科研工作人員就客車正側(cè)面碰撞安全性，車身結構抗撞性，汽車吸能部件吸能性，乘員人體損傷及行人保護方面做了大量研究分析。同時，結合利用PAM-CRASH和CAD有限元模型對汽車局部結構進行仿真分析，大大加強車身部件的安全性與使用性能，優(yōu)化相關參數(shù)[3]。
1.4課題的主要研究內(nèi)容和研究手段
資料表明，汽車碰撞安全性在很大程度上與車身結構的設計有關，具有良好碰撞性能的車身結構能起到很好的緩沖吸能和保護車內(nèi)成員安全的作用。發(fā)生正面碰撞是，汽車前部骨架起抵抗變形和緩沖吸能的作用。當正面碰撞發(fā)生時，汽車的前部骨架起到抵抗變形和緩沖吸能的作用，而車身作為一整體，其中部和后部對碰撞產(chǎn)生的能量的吸收作用也不容忽視，因此應將車身結構作為整體分析。而汽車前部骨架的碰撞性好壞直接影響整體結構的碰撞安全性，因此開展車身碰撞安全性的研究具有重要的指導意義[4]。
課題通過基于大量文獻資料的搜集總結，對汽車的正面碰撞開展研究分析。 闡述有限元模擬仿真基本理論。以某客車為例，根據(jù)其幾何模型，基于Hyper Works軟件建立整車模擬仿真有限元模型。根據(jù)正面碰撞考核指標，分析正面碰撞有限元分析對的評價方法及仿真分析結果的影響因素。根據(jù)仿真結構，分析正面碰撞在汽車前部的變形特征以及駕駛員生存空間的變化，對仿真結果進行評價。從控制整車安全性響應指標出發(fā)，找出薄弱結構，提出改善性建議。
2
2有限元法的理論基礎和方法
2 有限元法的理論基礎和方法
汽車碰撞是指在較短時間內(nèi)承受劇烈碰撞沖擊的復雜的非線性動態(tài)響應過程。其中，涉及到諸如大位移和大轉(zhuǎn)動引起的幾何非線性問題，材料大變形引起的材料非線性問題以及相對復雜的碰撞接觸非線性問題等等。利用有限元處理相關問題有2個基本特點。首先是采用動態(tài)大變形非線性有限元法代替常規(guī)的線性有限元法，其次是采用動態(tài)顯示求解技術。與隱式求解技術相比，其在處理大變形，復雜接觸和強沖擊問題上具有巨大的優(yōu)越性，具有計算速度快，穩(wěn)定性準確，精度高的特點。目前，用于汽車模擬仿真分析的軟件有：PAM，CRASH,LS.DYNA3D，ANSYS/LS等。除計算功能強大外，還富含豐富的材料庫，相關模型和壁障等。
本次設計采用Hyper works軟件進行碰撞的模擬分析，需要初步學習一些方法和理論，下面進行介紹
2.1 有限元法的基本思想
有限元法的基本思想即是在力學模型上將一個原來連續(xù)的物體離散成有限個具有一定大小的單元由節(jié)點連接，同時用等效力替代實際外力。遵循分塊近似的思想，通過簡單函數(shù)表征其位移的分布情況，按能量原理建立力與位移關系。最后將這些關系集合起來，就得到一組以節(jié)點位移為未知量的方程組，解之即可得到離散節(jié)點上的位移分量[5]。
2.1.1Hyperworks軟件的優(yōu)勢
作為一在前后處理上表現(xiàn)出高性能的處理器，軟件在前處理環(huán)節(jié)可以直接輸入已有的三維模型，減少重復工作，簡化建模流程，提高工作效率。在后處理方面，能廣泛求解多種仿真效果，同時能轉(zhuǎn)化為各種格式的的圖形以及動畫文件，直觀性強。
2.2有限元算法及理論基礎
2.2.1 理論基礎
有限元法是一種離散化的數(shù)值計算方法。對結構分析而言，理論基礎是能量原理。通常在有限元中常用的理論有2種，對于非線性彈塑性問題，虛位移原理比較適用。而彈性力學問題通?？紤]最小勢能原理。
2.2.2有限元法求解問題的基本步驟
有限元法作為數(shù)值計算方法，遵循相同的基本步驟，其基本步驟如下。
（1） 確認問題的分類：識別分析，確認其包含的深層次物理問題，如是靜力學還是動力學問題，要怎樣的認識，如何選取求解方法。
（2） 建模：在處理有限元離散化及數(shù)值求解問題時，首先需要分析問題并設計相關計算模型，這一步包括討論決定哪種特征為重點問題，從而忽略不必要的細節(jié)，最后決定采用某種理論或數(shù)學公式描述結果。因此，通常采用的方法是忽略幾何不規(guī)則性，確定集中載荷，并把某些支撐看做是固定的。同時理想化材料為線彈性和各向同性的。從而依據(jù)問題的維數(shù)、載荷以及理論化的邊界條件，決定采用梁理論、板彎曲理論、平面彈性理論還是一些其他分析理論描述結構性能。值得注意的是在求解中我們要運用分析簡化問題，并建立問題的模型。
（3）連續(xù)體離散化：即有限元網(wǎng)絡劃分，將連續(xù)體劃分為有限個具有規(guī)則形狀的單元的集合，兩相鄰單元之間通過節(jié)點連接。節(jié)點的設置、性質(zhì)、數(shù)目等隨問題的性質(zhì)、描述變形的需要和計算精度而定，例如二維連續(xù)體的單元通?？蔀槿切?、四邊形，三維連續(xù)體的單元可考慮為四面體、長方體和六面體等。其次為合理有效地表示連續(xù)體，需要適當選擇單元的類型、數(shù)目、大小和排列方式。
離散化的模型與原來模型區(qū)別：單元之間只通過節(jié)點相互連接、相互作用，而無其他連接。因此要始終滿足變形協(xié)調(diào)條件。離散化是將一個無限多自由度的連續(xù)體轉(zhuǎn)化為一個有限多自由度的離散體過程，因此會存在誤差。主要有建模誤差和離散化誤差。建模誤差可通過改善模型來減少，離散化誤差可通過增加單元數(shù)目來減少。從而可以看出單元數(shù)目較多，模型與實際比較接近時，所得的分析結果就與實際情況比較接近[6]。
（4）單元分析
①選擇位移模式：主要有位移法，力法，混合法3種。
②分析單元的力學性質(zhì)：根據(jù)單元的性質(zhì)，應用幾何物理方程建立節(jié)點載荷位移方程式，從而可以得到一個剛度矩陣。即
③計算等效節(jié)點載荷：由于力的傳遞性質(zhì)在實際和理論中的差別，需要引入等效節(jié)點力。
④組成物體的整體方程組：建立節(jié)點載荷與位移的關系式，即,以邊界及初始條件為已知項求解方程組。
⑤求解有限元方程和結果解釋：由于求解的狀態(tài)變量的結果為一近似值，因此需要校核結果，看是否符合設計規(guī)范，來評價計算結果的可靠性。
簡言之，有限元處理分析過程包含前處理、求解和后處理。前處理階段建模劃分網(wǎng)絡;后處理階段提取分析采集結果。
由于在實際工程問題中，結構件的幾何形狀、邊界條件、約束條件和外載荷一般比較復雜，需要進行相應的簡化。這種簡化必須盡可能反映實際情況，且不會使計算過于復雜。在進行力學模型的簡化時要注意以下幾點：判別實際結構是屬于哪一種類型，是屬于一維問題、二維問題還是三維問題。如果是二維問題，要分清是平面應力問題還是平面變力問題，若能簡化成平面問題的就不要用三維實體單元去分析。注意實際結構的對稱性，如果對稱，可以利用結構的對稱性進行計算簡化。對實際機構建模時可以去掉一些不必要的細節(jié)，比如倒角等。簡化后的力學模型須是靜定結構或是超靜定結構。
8
3汽車碰撞理論
3 汽車碰撞理論
3.1理論闡述
3.1.1塑性碰撞理論分析
汽車碰撞產(chǎn)生后，若車輛間不存在相對運動，我們把這種碰撞稱為塑性碰撞。數(shù)據(jù)表明，塑性碰撞多發(fā)生在較高的碰撞速度的情況下，并伴隨有能量損失?？紤]到能量守恒定律以及在塑性碰撞前后汽車車速不變的定律，得出碰撞前車速不影響實際碰撞的嚴重程度，但相對速度起重要作用，成正比函數(shù)關系，質(zhì)量與損毀程度成反比函數(shù)關系。同時，根據(jù)相關數(shù)據(jù)統(tǒng)計，塑性碰撞發(fā)生的過程中，能量損失與在碰撞前兩車之間的相對速度的平方成正比，而與質(zhì)量成反比。
3.1.2剛性碰撞理論分析
剛性碰撞即在汽車碰撞后，車體基本無損傷且產(chǎn)生較小的能量損失并處于局部變形位置的碰撞[7]。此次課題研究的汽車正面碰撞即是剛體碰撞的一種類型。在剛體碰撞的情況下，減速度情況決定人體傷害程度和車輛能量守恒和動能守恒。即可以得出碰撞嚴重程度與車速無關，而與相對速度成正比，質(zhì)量成反比關系的結論。即質(zhì)量小發(fā)生事故時危險反而高。
3.1.3彈塑性碰撞理論分析
若在碰撞過程中，同時產(chǎn)生彈性和塑性變形兩種情況，此時需要同時考慮這兩者。在此提出了e為恢復系數(shù)并以此區(qū)分汽車的碰撞性質(zhì)。當e=0需要結合塑性碰撞理論分析情況，當e=1則需要考慮剛體碰撞這一理論，當01000mm，但與駕駛員到保險杠的距離相比仍有不足，即碰撞發(fā)生時的緩沖吸能距離不足[9]。因此在客車前部設計中應加強相關要求[9]。
3.4理想的車體結構
理想的客車車身結構需要具有良好的緩沖吸能裝置，當產(chǎn)生碰撞時，需要通過車身結構的變形吸收碰撞能量，降低碰撞加速度，從而減少一次傷害。同時必須控制乘員區(qū)車身結構的變形，以降低二次傷害。在分析過程中，為了便于分析，通常將客車車身分為乘員安全區(qū)A以及緩沖吸能區(qū)B，如圖3.2所示。
圖3 2客車成員安全區(qū)以及緩沖吸能區(qū)示意圖
其中要求A區(qū)變形盡可能小，即要求B區(qū)有較大的剛度，這與同時需要良好的緩沖吸能性矛盾。為此，通常將結構設計為“外柔內(nèi)剛”型。即AB區(qū)連接處需要有較大的剛性，以保證生存空間和完整的結構。同時B區(qū)邊緣要剛性較小，緩沖吸能性較好?？紤]到以上結構要求，為保證正面碰撞發(fā)生時乘員安全性，在設計過程中車輛應考慮的基本特征為:
①為保證為駕駛員和乘員預留足夠的生存空間，乘坐室不應發(fā)生過大的碰撞變形
②除乘員室外，車體的其他前部結構應盡可能多變形以更多吸收撞擊能量，從而避免作用于駕駛員和乘員上的力與加速度超過耐受極限，以保護乘員安全。
4客車車身機構正面碰撞分析
4 客車車身結構正面碰撞分析
4.1碰撞有限元分析過程：
用有限元方法分析汽車碰撞過程是20世紀80年代開始發(fā)展和完善。一般可分為3個階段：前處理、計算和后處理過程。在長時間的運用與發(fā)展過程中，針對汽車碰撞這一復雜過程，通常采用有限元分析，并形成常用的分析流程[10]：
①確定研究目的，根據(jù)汽車結構、荷載等特點確定簡化方式。
②由于結構相對復雜，不宜在有限元軟件中直接建立實體模型，因此常需借助三位軟件建立實體模型并初步優(yōu)化，做好有限元分析的前期準備。
③將三維實體模型導入Hyper mesh軟件，檢查模型是否完好，并初步改善。
④根據(jù)結構特點，選擇合適的單元類型，劃分網(wǎng)絡，選定材料，確定邊界條件和約束，從而建立有限元計算模型。
⑤對計算結果進行分析和檢驗。對結構做出評價并提出可行性改進意見。
總體來說，基于Hyper works的有限元分析模型的主要步驟如下：Hyper Works有限元分析的主要步驟如下：導入文件——設置模版——幾何清理——建立材料卡片——建立幾何及單元集———劃分單元——單元檢查與優(yōu)化——建立載荷集——施加載荷——建立載荷工況——設置計算參數(shù)——輸出有限元文件————利用Optistruct/Analysis求解器球求解——Hyper Mesh或Hyper View后處理[11]。
（1） 前處理其任務是包括：
a建立分析結構的幾何模型。對于幾何結構復雜的結構，可以直接讀取CAD軟件的相關格式。
b根據(jù)分析對象和目的，確定有限元網(wǎng)格劃分方案（但愿類型、單元的密度和數(shù)量）和裝配方案（連接關系和位置），建立有限元分析的計算模型。
（2）計算：是形成總剛度方程并通約束處理后求解大型聯(lián)立線性方程組，最終得到節(jié)點位移的過程。
（3）后處理：是對計算機輸出的結果（包括各種應力、位移或振型等）進行必要的處理并按照一定的方式（如等應力線、變形圖、振型圖等）顯示打印出來，以便對分析的對象的性能或設計的合理性進行分析。評估，從而做出相應的改進或優(yōu)化。
注意：在Hyper Works中求解時可以根據(jù)分析的對象的要求選擇不同的求解器，一般的分析問題可以用Analysis或Optistruct求解，優(yōu)化問題則必須使用Optistruct求解器來完成，后處理可以直接用Hyper mesh的后處理器功能，也可以選用Hype view。
4.2 建立車身三維實體模型
4.2.1整車參數(shù)的確定
某客車總長10.4m，其整車結構材料特點如下：
①車身結構為全承載式結構
②發(fā)動機后置，空調(diào)頂置
③骨架主要為Q345鋼材料
參數(shù)如表4.1所示：
表4.1 車身骨架參數(shù)
總長/mm
10400
發(fā)動機位置
后置
總寬/mm
2500
額定乘員數(shù)/座
37+1+1
總高/mm
3050
整車整備質(zhì)量/kg
12000
4.2.2 三維實體模型建立
三維軟件Catia V5 建立白車身實體模型。為了便于之后的有限元分析，對模型進行了部分的簡化，簡化遵循以下原則[12]:
①忽略所有倒角（包括矩形方形構件和槽型梁），保持截面尺寸形狀不變
②簡化發(fā)動機及變速箱
③忽略懸架結構所能造成的影響
④忽略車身結構中包括的內(nèi)外飾，玻璃，加強版等結構
⑤用直梁結構替代短彎曲結構
⑥忽略工藝孔和安裝孔
⑦忽略車身包含的所有相關附件
利用Catia軟件建立的車身三維簡化實體模型如圖4.1所示，車身三維視圖如圖4.2所示。
圖4. 1車身模型圖
圖4. 2基于不同視角的車身結構圖
4.3建立車身結構有限元模型
4.3.1 前處理的工作內(nèi)容
基于有限元軟件的前處理工作一般設計到模型的簡化，單元類型尺寸的選擇，材料模型的參數(shù)設定，網(wǎng)格劃分，計算參數(shù)的確定等等，如圖4.3所示：
圖4. 3前處理的工作內(nèi)容
4.3.1.1模型的簡化
由于有限元方法是一種數(shù)值求解的近似方法，若完全按照相關尺寸結構建立模型在理論上的確可以得到相對精確的數(shù)值，但是考慮到客車車身大部分結構是空間薄壁梁連接而成以及在整個碰撞過程中車身的變形特點，如需完全如實反映車身結構數(shù)據(jù)，那么整個分析過程中的工程量會尤為巨大，尤其是在數(shù)據(jù)前期準備以及有限元分析的前處理計算后處理過程中會顯得尤為冗雜。因此在考慮到工作時間，追求的分析結果，計算機軟件處理性能以及相關數(shù)據(jù)對的前提下，一般通常會對數(shù)據(jù)結構進行優(yōu)化，如面體的重新生成，管材處面的拆分等等[13]。
4.3.1.2材料模型的設定
汽車碰撞時在緩沖吸能上主要是依靠結構的塑性變形完成的，因而為了能夠更好地反映材料的應力應變關系以便更為真實的反映結果的正確性，這是恰當?shù)倪x用力學模型尤為重要。在材料模型定義模塊，需要輸入真實的應力應變曲線。因而需要基本了解曲線的基本概念，才能有效的輸入正確參數(shù)。
在單向拉伸試驗中常用金屬材料的應力應變曲線如圖4.4所示
圖4. 4常用金屬材料在單向拉伸時的應力應變曲線
由上圖不難看出：當應力低于屈服極限時，我們通常將材料看作是彈性變形，當超出材料的后，塑性變形將無法消除。在計算機仿真分析中為了便于計算，通常采用相對簡單的模型來近似表述材料的應力應變關系[14]。
如線性強化彈塑性力學模型
若在分析過程中，需要考慮材料的強化性質(zhì)，那么此時理想彈性力學模型就不再適用了，需要考慮線性強化彈性力學模型。其應力應變曲線如圖4.5所示:
圖4. 5線性強化塑性材料應力應變曲線
這種強化彈性力學模型與上述理想彈性力學模型的區(qū)別在于，AB即塑性階段的應力應變曲線與應變ε之間存在一夾角，這種方式可以近似表示塑性階段的應力應變曲線，相比與第一種力學模型更準確，其解析表達式為：
。
由于這種力學模型同時考慮了彈性和塑性階段的應力應變關系，因此是具有足夠的計算精度的。在整個計算過程中，材料參數(shù)的設定要考慮密度，彈性切線模量，泊松比和屈服應力。在此次客車車身正面碰撞的分析中采用這種線性彈性塑性力學模型比較合適[15]。
4.3.1.3單元類型的選擇
目前的客車骨架大部分是由方形矩形和槽型斷面的型材等通過焊接而連在一起的，構件長度遠比壁厚大，由此我們通常將其視為薄壁梁結構的材料。在有限元中對客車骨架簡化和劃分網(wǎng)格單元時，常用殼單元和梁單元。有上述對構件的分析中，不難看出，在整個碰撞過程中，薄壁梁表現(xiàn)為在軸向的屈曲和在端面的壓潰形式，故薄壁梁的網(wǎng)格劃分一般采用殼單元劃分，由于其比梁單元更能反映變形特征[16]。下面如圖4.6對SHEEL163做個簡單介紹：
對于某個方向比其他方向都薄很多的構件來說，殼單元劃分是常用方式。SHELL163采用平面應力條件（單元法向應力），常用的有以下幾種：
圖4. 6 SHEEL163單元示意圖
①BT單元（特點：最簡單的殼單元，計算快，但翹曲時易出錯）
②Belytschko-Wong-Chiang殼單元（特點：速度是BT單元的1.25倍，適用于翹曲）
③Belytschko-Leviathan殼單元（特點：CPU時耗BT單元的1.4倍，可物理沙漏控制的單元）
④S/R co-rotational Hughes-Liu 殼單元（特點：CPU時耗是BRT單元的8.8倍，無沙漏）.[17]
對比上述幾種算法，我們發(fā)現(xiàn)選擇BT單元計算效率高且節(jié)省CPU資源，由此節(jié)省了很多的計算時間。雖然對于大變形問題會產(chǎn)生沙漏變形，不是罪穩(wěn)定可靠的，但是可以通過人為設定控制在可控范圍內(nèi)[18]。
4.3.2有限元模型的建立
1. 文件導入：將Catia中建立的三維模型保存為*.igs格式導入Hyper works軟件中.
2. 定義坐標系：采用oxyz的直角坐標系，設定當車架處于平衡時，x軸平行水平地面指向前方，即確定碰撞方向。
3. 選擇材料
點擊Hypermesh中的Material按鈕，類型選擇All,材料卡片選擇MATL3，點擊創(chuàng)建Credit,輸入材料參數(shù)并新建屬性，定義帶有厚度的殼體，厚度選擇3mm。點擊assign，將屬性賦予單元，如圖4.7所示。
圖4. 7創(chuàng)建材料
4.創(chuàng)建剛性墻
Shift+F4設置節(jié)點，向X方向正向移動base node 選擇與運動方向相反，在碰撞中起阻止作用salves 撞擊原則選擇all在card image中有個Fric表示摩擦系數(shù)設為0.5點擊Creat,創(chuàng)建剛性墻，如圖4.8所示。
圖4. 8創(chuàng)建剛性墻之后的模型圖
5.創(chuàng)建初始速度。
①Shift+F2取點，隱藏剛性墻。②創(chuàng)建Step,施加初始速度40km/h(方法：ToolsCreat cardsinitial_velocity_Generation)③由于軟件速度以mm為單位，此時設置為11111即表示40km/h)
6. 設置接觸面（單面接觸）card image 選擇automatic,距離200 檢查圖像是否點焊完整.如圖4.9所示：
圖4. 9 檢查點焊方法
7. 設定求解 ①時間設定200/11111=0.018，全部設定為1.000e-004，如圖4.10所示。 ②DBplot導出求解。
圖4. 10 求解時間設定
4.4求解結果
1.打開求解之后的文件，設定時間Time 0.01,初始0.01，點擊按鈕，即下一步，分別得到0.01s,0.02s,0.03s,0.04s的車架變形圖。如圖4.11和圖4.12 所示可以得到在0.02s和0.04s時的車身變形圖。
圖4. 11 0.02s時車身變形圖
圖4. 12 0.04s時車身變形圖
由上圖4.11和圖4.12可以得到，當以40km/h的速度撞擊剛性墻之后，隨著碰撞的進一步產(chǎn)生，車身前部的變形程度不斷加深。車架的底部變形尤為嚴重，在駕駛員座椅附近出現(xiàn)峰值。
2.碰撞過程中的應力圖，選擇Result Type中的Stress[t]項，重復上述操作，點擊按鈕，得到不同時間段的應變圖。如圖4.13和圖4.14所示。
圖4. 13 0.02s時的車架應力圖
圖4. 14 0.04s時的車架應力圖
圖4. 15車架前部應力放大圖
如圖4.13和圖4.14所示，隨著碰撞的發(fā)生，應力變化明顯呈逐步加深的過程。而同時由圖4.15可以看出，車架底部以及駕駛員位置的應力更加集中，而在車架的上部，應力基本保持應力平衡的狀態(tài)。
3. 車架速度變化圖：Result Type 中選擇Velocity(v)項，重復上述操作，點擊按鈕。如圖4.16和圖4.17所示。
圖4. 16 0.02s時的車架速度變化圖
圖4. 17 0.04s時車架速度變化圖
由圖4.14和圖4.15可以看出車架的速度變化隨著碰撞的進一步產(chǎn)生呈減弱趨勢，在碰撞剛發(fā)生時，變形速度快，在駕駛員位置尤為明顯。而隨著碰撞的進一步發(fā)生，反而呈降低趨勢，車架速度變化趨于平緩。
5.切換成2D模式，打開glstat文件，在Y Type（輸出項）中選擇Energy即能量項，然后選擇Total Energy,Internal Energy,Kinetic Energy 3項，點擊輸出能量轉(zhuǎn)化圖即可得總能量，動能，內(nèi)能3者之間的變化關系圖。
6.輸出速度變化曲線，仍在glstat文件中，在Y Type項選擇Velocity即速度項，此時需要注意速度的方向為與X軸平行的方向，并且為一減速過程，由此可以得到速度的變化曲線。從而可以對速度的進一步變化進行分析。
7.輸出加速度變化曲線，由于加速度即為速度的求導過程，所以重復上述操作，在Y Type項選擇Global Velocity-X項得到加速度變化曲線圖。
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5客車正面碰撞結果分析
5 客車正面碰撞結果分析
5.1碰撞加速度的分析
在客車車架發(fā)生碰撞的整個過程中，加速度情況始終保持變化。從圖5.1可以整個碰撞過程為0.05s。在客車骨架的起步階段，由于還未接觸到剛性墻，加速度不變。而從車架前端接觸到剛性墻的剎那，加速度急劇變化，0.0165s可達到反向最大，而后在整個碰撞加速度主要呈減小趨勢直至為0.
圖5 1加速度變化曲線圖
5.2 碰撞速度分析
如圖5.2所示，與加速度一致，客車在碰撞過程的速度變化曲線在碰撞還未發(fā)生時，保持不變，始終為初始值40km/h.在碰撞發(fā)生后車速先是短時間能線性遞減，當加速度度達到最大時，客車車架發(fā)生變形以及彎曲，車速變化加快同時車架前部的變形加大，直到0.035s時，變形達到最大值。同時由于剛性墻對車身前部會產(chǎn)生一個反作用力，以及慣性力存在的情況下，客車會產(chǎn)生回彈現(xiàn)象，此車客車速度幾乎保持不變。
圖5 2 速度變化曲線圖
5.3能量轉(zhuǎn)化分析
如圖5.3所示，在車身骨架的整個碰撞過程中，總能量遵循能量守恒定律始終保持不變，而動能和內(nèi)能則相互轉(zhuǎn)化。從碰撞發(fā)生開始，由于存在初始速度，所有動能主要依靠車架前端的塑性變形吸收，同時由于摩擦的存在，這些能量大部分轉(zhuǎn)化為了內(nèi)能。
圖5 3能量輸出圖
5.4應力分析
當車架與剛性墻發(fā)生碰撞的整個過程里，整體變形量較小，但是速度變化尤其車架前半部分的速度變化快，導致其所受應力值也較大；同時在駕駛員座椅的位置附近應力峰值的出現(xiàn)將會導致碰撞過程中作為駕駛員的危險系數(shù)的提高；
圖5 4 0.05s時車架前端應力放大圖
在整車的數(shù)據(jù)對比中，我們可以發(fā)現(xiàn)整體而言，處于車前端的乘客比后部乘員危險，這是由于前部的加速度大，在碰撞過程中第一排乘客會有被甩出座椅的風險。
通過仿真分析，可以發(fā)現(xiàn)，當發(fā)生正面碰撞時，若骨架前半部分變形過大，則會威脅駕駛員及前排乘員的安全性。對于客車結構的改進，暫提出以下建議：
①若車架前部過硬，則需進行軟化處理，使車架的不論從強度剛度還是碰撞發(fā)生后變形程度控制在一定允許值范圍內(nèi)
②為保護駕駛員的行車安全（駕駛室位置相比其他位置在碰撞時應力過大），需要保證駕駛室車架需要有足夠的剛度和強度
③選擇合適的車架前端吸能件，并對吸能區(qū)的結構進行謹慎的優(yōu)化，通過這種方式減少碰撞是能量尤其是內(nèi)能的急速增加，提高安全性[19]。
5.5 碰撞車架的耐撞性能分析
5.5.1車架的耐撞性分析
從車架與剛性固定壁的碰撞仿真結果上來看，這種車型的骨架在正面碰撞過程中存在以下問題：
（1）車架前端受到的應力最大，而車架的緩沖吸能效果不夠好，將會導致駕駛員受到的碰撞沖擊力過大，從而影響駕駛員的安全。
（2）車架在碰撞過程中的變形不夠明顯，可能會將碰撞中產(chǎn)生的沖擊力傳遞給車內(nèi)乘員，從而影響乘員的安全。
（3）乘員區(qū)相對比較安全，因碰撞沖擊力過大而死亡的可能性明顯小于駕駛員。
5.5.2提高耐撞性能措施
針對客車車架變形吸能效果不理想，駕駛員座椅前方缺乏必要的緩沖吸能區(qū)域，駕駛員的危險系數(shù)很大等方面的不足，對客車整體骨架提出了如下改進措施：
（1）改進車架結構，提高變形吸能能力。可以在車架前端與保險杠之間增加一定的緩沖吸能裝置，降低碰撞沖擊力的峰值；加長車架前端部分縱梁的長度，以使車架較早地參與變形吸能；對部分的車架總量采用腹板弱化或者邊緣弱化等措施，使縱梁能夠產(chǎn)生理想的褶皺變形，從而吸收更多的碰撞能量等等[20]。
（2）改進駕駛員座椅附近的骨架結構，提高駕駛員的生存可能性?？梢酝ㄟ^加強駕駛員地板骨架以及附近的側(cè)圍骨架剛度，減弱地板骨架和車架的連接剛度，采用吸能式方向盤等方法來降低駕駛員在碰撞過程中所受到的傷害。
（3）加強車身骨架關鍵部位的剛度和強度，減小整體的變形量?？梢愿淖兦皣羌?、車門門框骨架、側(cè)圍風窗立柱等部分的截面尺寸、薄壁件厚度或者使用新的材料等來提高局部結構的剛度和強度，從而提高車內(nèi)乘員在碰撞過程中的安全性和順利逃生的可能性[21]。
（4）第一排乘客的前方區(qū)域比較空曠，在客車碰撞事故中，第一排的乘客很有可能會被甩出座椅，撞到前擋風玻璃上甚至會被甩出車體，對此，可以采取在第一排乘客前方增加安全護欄，并在頭部碰撞位置增加安全氣囊等措施來增加第一排乘客的安全性。
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6 結論
6 結 論
本文通過有限元法研究了客車車身結構在正面碰撞時的應力變化和變形分析。在目前交通安全事故屢見不鮮，安全標準逐步提高的現(xiàn)實狀況下，具有十分重要的現(xiàn)實意義。本次分析主要完成的工作如下所示：
①通過查閱相關文獻，對國內(nèi)外汽車碰撞安全性的具體研究現(xiàn)狀及未來發(fā)展作出大致了解。
②學習使用了三維軟件CATIA和有限元分析軟件Hyper works，并掌握了相關分析處理方法。
③參照相關資料，完成了對客車骨架的正面碰撞模擬分析。
④通過此次分析過程，學習掌握了客車車身正面碰撞有限元分析的一般方法。
⑤利用分析結果，對改善安全性的措施方法提供可行性建議。
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7 參考文獻
參考文獻
[1] 蘭鳳崇,鐘陽,莊良飄等.基于自適應響應面法的車身前部吸能部件優(yōu)化[J].汽車工程,2010（5).
[2] 李博聞.有限元分析方法在汽車碰撞研究中的應用[J].天津汽車,2008(03).40-42.
[3] 鐘志華,張維剛,曹立波等.汽車碰撞安全技術[M].北京:機械工業(yè)出版社,2005:86-88
[4] 朱西產(chǎn).實車碰撞實驗方法和評價指標[J].世界汽車,1998（5）:11-13
[5] Richard P. Howard, John Bo mar, Cleve Bare. Vehicle Restitution Response in Low Velocity C ollision [J], SAE1993-01-0842, 1993.
[6] Vincent W. Antone. Estimating the Coefficient of Restitution of Vehicle to Vehicle Bumper Impacts [J], SAE1998-01-0553, 1998.
[7] 方超,楊啟梁,徐茂林,楊生. 某輕型客車正面碰撞仿真分析[J].湖北汽車工業(yè)學院學報2013,6(27).
[8] 龔友,劉星榮,葛如海.小型客車整車正面碰撞分析[J].江蘇理工大學學報（自然科學版）.2005,5(21)16-21.
[9] 王澤鵬,胡仁喜,康士延.ANSYS 13.0/LS-DYNA 非線性有限元分析實例指導教程[M].北京:機械工業(yè)出版社,2011.
[10] 龔友,劉星榮,葛如海.小型客車整車正面碰撞分析[J].江蘇理工大學學報（自然科學版）.2005,5(21)16-21.
[11] 王磊.汽車正面碰撞有限元仿真模擬[J].天津汽車,2007(01).
[12] 李政宏.汽車車身碰撞仿真及其結構耐撞性研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學,2013.
[13] 蔡月萍,韓風.淺談新一代汽車安全新技術[J].黑龍江科技信息,2011(12):4
[14] 田金鑫.客車追尾碰撞及載貨汽車駕駛室后圍穿透結構安全性仿真研究[D].西安:長安大學,2012.
[15] 華翔.汽車碰撞試驗數(shù)據(jù)后處理系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D].武漢:武漢理工大學,2001.
[16] 張金換,杜匯良,馬春生.汽車碰撞安全性設計[M].北京:清華大學出版社,2010.
[17] 馬春生,張金換,胡經(jīng)耀,黃世霖.基于正交試驗的汽車側(cè)面碰撞結構改進設計[C].中國汽車工程學會第十三屆汽車安全技術會議,2010.
[18] 張金換,馬春生,黃世霖.平頭輕型客車正面碰撞安全性改進設計研究[C].中國汽車工程學會第十三屆汽車安全技術會議,2010.
[19] 林逸,張建偉,馬天飛,楊文利.微型客車抗撞性改進的計算機仿[J].汽車工程,2002(24)6:466-469.
[20] 張君嬡.微型客車乘員約束系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化與系統(tǒng)性能穩(wěn)定性研究[D].長春:吉林大學,2003.
[21] 張君嬡,林逸,張敏,華偉.基于非參數(shù)統(tǒng)計的汽車乘員約束參數(shù)靈敏度分析[J].汽車工程,2004(26)4:43-44.
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8致謝
致 謝
在此感謝此次畢業(yè)設計過程中，指導老師盧軍峰給出的悉心教導和辛勤付出，從選題階段到課題的整個完成過程中給予的指導和幫助，感謝同組小伙伴們的溝通幫助，在畢設過程中加強交流，促進此次畢業(yè)設計的順利完成。
同時，作為一個即將走出象牙塔的學生，在學生生涯即將畫上句號的同時，在此感謝學校學院老師在這大學四年里的指導與陪伴，感謝每一個人的辛勤付出，感謝同學和伙伴們在這4年中分享青春中最美好的記憶，不論是學習還是工作或是生活中，感謝有你們的存在，四年中，經(jīng)歷了很多，遇到挫折，也收獲成長，這段記憶將成為人生中的美好回憶。
最后，向所有關心我的父母家人，師長同學們表示深深的謝意。也在此表達我最真誠的祝福，愿大家前程似錦，一帆風順。
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