汽車車身結(jié)構(gòu)正面碰撞有限元仿真分析
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畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）
設(shè)計(jì)(論文)題目： 汽車車身結(jié)構(gòu)正面碰撞有限元仿真分析
學(xué)生姓名：
二級(jí)學(xué)院：
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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(guó)內(nèi)外仿真研究的現(xiàn)狀 1
1.4課題的主要研究?jī)?nèi)容和研究手段 2
2 有限元法的理論基礎(chǔ)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(chǔ) 3
3 汽車碰撞理論 6
3.1理論闡述 6
3.2客車車身結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 6
3.3客車車廂前部要求 7
3.4理想的車體結(jié)構(gòu) 7
4 客車車身結(jié)構(gòu)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(shí)體模型 9
4.3建立車身結(jié)構(gòu)有限元模型 11
4.4求解結(jié)果 16
5 客車正面碰撞結(jié)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(yīng)力分析 22
5.5 碰撞車架的耐撞性能分析 23
6 結(jié) 論 25
參考文獻(xiàn) 26
致 謝 28
II
摘要
汽車車身結(jié)構(gòu)正面碰撞有限元仿真分析
摘 要
本文就客車車身結(jié)構(gòu)在發(fā)生正面碰撞時(shí)產(chǎn)生的變形及應(yīng)力情況進(jìn)行分析，從而對(duì)客車結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)。首先利用三維建模軟件Catia對(duì)已有的客車骨架進(jìn)行建模，然后將模型的igs.格式導(dǎo)入有限元分析軟件Hyper works進(jìn)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(guān)系圖，以及整個(gè)碰撞過程中的應(yīng)力變形情況。在分析整個(gè)碰撞過程后，對(duì)車輛的結(jié)構(gòu)性能作出評(píng)價(jià)并提出可行性建議。
關(guān)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(dāng)前，汽車安全，節(jié)能，環(huán)保作為汽車行業(yè)的三大熱點(diǎn)詞，社會(huì)經(jīng)濟(jì)意義很重要，得到了各相關(guān)企業(yè)與政府部門的高度重視。與此同時(shí)，汽車的安全性與個(gè)人家庭的生命財(cái)產(chǎn)安全息息相關(guān)。隨著我國(guó)汽車保有量、產(chǎn)銷量的不斷增長(zhǎng)，作為世界第一大汽車市場(chǎng)的中國(guó)也在面臨著日益嚴(yán)峻的由此帶來的社會(huì)問題，交通安全問題尤為突出，需要進(jìn)一步的關(guān)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(dòng)兩方面[1]。簡(jiǎn)言之，主動(dòng)安全即預(yù)防車輛事故發(fā)生的能力，一般通過汽車的底盤制動(dòng)系統(tǒng)和諸如ABS防抱死系統(tǒng)、防撞、防滑、限速報(bào)警等車輛內(nèi)預(yù)警裝置來實(shí)現(xiàn)。被動(dòng)安全即在事故已經(jīng)產(chǎn)生后降低碰撞強(qiáng)度，以期保護(hù)成員，避免造成重大傷害的能力。其主要依靠車身的自身強(qiáng)度，抵抗變形的能力，車身材料的吸能結(jié)構(gòu)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(hù)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(dāng)碰撞產(chǎn)生時(shí)，車上的乘客與駕駛員和車身結(jié)構(gòu)之間發(fā)生接觸造成生命財(cái)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?jī)?nèi)容和方法同樣適用于客車。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，客車的正側(cè)面碰撞占客車事故總量的40%-60%。由此可見，對(duì)于在客車正面碰撞過程中所能導(dǎo)致的安全性問題進(jìn)行探討非常有必要。
1.3國(guó)內(nèi)外仿真研究的現(xiàn)狀
碰撞安全研究經(jīng)歷了很多個(gè)階段，從早期的實(shí)車碰撞試驗(yàn)到上世紀(jì)二十年代，美國(guó)率先采用翻滾和正面固定壁障碰撞試驗(yàn)，而在上世紀(jì)50年代出現(xiàn)的臺(tái)車碰撞試驗(yàn)則很大程度上提高了模擬碰撞的速度。上世紀(jì)70年代，人們開始了對(duì)計(jì)算機(jī)碰撞模擬研究的探索，這一實(shí)踐隨著90年代計(jì)算機(jī)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(lǐng)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(gè)方面：汽車碰撞事故模擬；碰撞過程中車身結(jié)構(gòu)大變形模擬；人體整體動(dòng)力學(xué)的響應(yīng)模擬；人體局部結(jié)構(gòu)的生物力學(xué)模擬。而在我國(guó)，汽車碰撞的仿真研究直至上世紀(jì)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(gè)實(shí)車碰撞基地外，也對(duì)車身耐撞性、乘員約束系統(tǒng)、行人保護(hù)等方面做進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和模擬仿真。相關(guān)科研工作人員就客車正側(cè)面碰撞安全性，車身結(jié)構(gòu)抗撞性，汽車吸能部件吸能性，乘員人體損傷及行人保護(hù)方面做了大量研究分析。同時(shí)，結(jié)合利用PAM-CRASH和CAD有限元模型對(duì)汽車局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，大大加強(qiáng)車身部件的安全性與使用性能，優(yōu)化相關(guān)參數(shù)[3]。
1.4課題的主要研究?jī)?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(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)有關(guān)，具有良好碰撞性能的車身結(jié)構(gòu)能起到很好的緩沖吸能和保護(hù)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(dāng)正面碰撞發(fā)生時(shí)，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(duì)碰撞產(chǎn)生的能量的吸收作用也不容忽視，因此應(yīng)將車身結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(dǎo)意義[4]。
課題通過基于大量文獻(xiàn)資料的搜集總結(jié)，對(duì)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(biāo)，分析正面碰撞有限元分析對(duì)的評(píng)價(jià)方法及仿真分析結(jié)果的影響因素。根據(jù)仿真結(jié)構(gòu)，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(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。從控制整車安全性響應(yīng)指標(biāo)出發(fā)，找出薄弱結(jié)構(gòu)，提出改善性建議。
2
2有限元法的理論基礎(chǔ)和方法
2 有限元法的理論基礎(chǔ)和方法
汽車碰撞是指在較短時(shí)間內(nèi)承受劇烈碰撞沖擊的復(fù)雜的非線性動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程。其中，涉及到諸如大位移和大轉(zhuǎn)動(dòng)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(duì)復(fù)雜的碰撞接觸非線性問題等等。利用有限元處理相關(guān)問題有2個(gè)基本特點(diǎn)。首先是采用動(dòng)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(dòng)態(tài)顯示求解技術(shù)。與隱式求解技術(shù)相比，其在處理大變形，復(fù)雜接觸和強(qiáng)沖擊問題上具有巨大的優(yōu)越性，具有計(jì)算速度快，穩(wěn)定性準(zhǔn)確，精度高的特點(diǎn)。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(jì)算功能強(qiáng)大外，還富含豐富的材料庫(kù)，相關(guān)模型和壁障等。
本次設(shè)計(jì)采用Hyper works軟件進(jìn)行碰撞的模擬分析，需要初步學(xué)習(xí)一些方法和理論，下面進(jìn)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(xué)模型上將一個(gè)原來連續(xù)的物體離散成有限個(gè)具有一定大小的單元由節(jié)點(diǎn)連接，同時(shí)用等效力替代實(shí)際外力。遵循分塊近似的思想，通過簡(jiǎn)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(guān)系。最后將這些關(guān)系集合起來，就得到一組以節(jié)點(diǎn)位移為未知量的方程組，解之即可得到離散節(jié)點(diǎn)上的位移分量[5]。
2.1.1Hyperworks軟件的優(yōu)勢(shì)
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(fù)工作，簡(jiǎn)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(shí)能轉(zhuǎn)化為各種格式的的圖形以及動(dòng)畫文件，直觀性強(qiáng)。
2.2有限元算法及理論基礎(chǔ)
2.2.1 理論基礎(chǔ)
有限元法是一種離散化的數(shù)值計(jì)算方法。對(duì)結(jié)構(gòu)分析而言，理論基礎(chǔ)是能量原理。通常在有限元中常用的理論有2種，對(duì)于非線性彈塑性問題，虛位移原理比較適用。而彈性力學(xué)問題通?？紤]最小勢(shì)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(jì)算方法，遵循相同的基本步驟，其基本步驟如下。
（1） 確認(rèn)問題的分類：識(shí)別分析，確認(rèn)其包含的深層次物理問題，如是靜力學(xué)還是動(dòng)力學(xué)問題，要怎樣的認(rèn)識(shí)，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(shí)，首先需要分析問題并設(shè)計(jì)相關(guān)計(jì)算模型，這一步包括討論決定哪種特征為重點(diǎn)問題，從而忽略不必要的細(xì)節(jié)，最后決定采用某種理論或數(shù)學(xué)公式描述結(jié)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(shí)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(jié)構(gòu)性能。值得注意的是在求解中我們要運(yùn)用分析簡(jiǎn)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(luò)劃分，將連續(xù)體劃分為有限個(gè)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(diǎn)連接。節(jié)點(diǎn)的設(shè)置、性質(zhì)、數(shù)目等隨問題的性質(zhì)、描述變形的需要和計(jì)算精度而定，例如二維連續(xù)體的單元通常可為三角形、四邊形，三維連續(xù)體的單元可考慮為四面體、長(zhǎng)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(dāng)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：?jiǎn)卧g只通過節(jié)點(diǎn)相互連接、相互作用，而無(wú)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(gè)無(wú)限多自由度的連續(xù)體轉(zhuǎn)化為一個(gè)有限多自由度的離散體過程，因此會(huì)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(shí)際比較接近時(shí)，所得的分析結(jié)果就與實(shí)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(xué)性質(zhì)：根據(jù)單元的性質(zhì)，應(yīng)用幾何物理方程建立節(jié)點(diǎn)載荷位移方程式，從而可以得到一個(gè)剛度矩陣。即
③計(jì)算等效節(jié)點(diǎn)載荷：由于力的傳遞性質(zhì)在實(shí)際和理論中的差別，需要引入等效節(jié)點(diǎn)力。
④組成物體的整體方程組：建立節(jié)點(diǎn)載荷與位移的關(guān)系式，即,以邊界及初始條件為已知項(xiàng)求解方程組。
⑤求解有限元方程和結(jié)果解釋：由于求解的狀態(tài)變量的結(jié)果為一近似值，因此需要校核結(jié)果，看是否符合設(shè)計(jì)規(guī)范，來評(píng)價(jià)計(jì)算結(jié)果的可靠性。
簡(jiǎn)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(luò);后處理階段提取分析采集結(jié)果。
由于在實(shí)際工程問題中，結(jié)構(gòu)件的幾何形狀、邊界條件、約束條件和外載荷一般比較復(fù)雜，需要進(jìn)行相應(yīng)的簡(jiǎn)化。這種簡(jiǎn)化必須盡可能反映實(shí)際情況，且不會(huì)使計(jì)算過于復(fù)雜。在進(jìn)行力學(xué)模型的簡(jiǎn)化時(shí)要注意以下幾點(diǎn)：判別實(shí)際結(jié)構(gòu)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(yīng)力問題還是平面變力問題，若能簡(jiǎn)化成平面問題的就不要用三維實(shí)體單元去分析。注意實(shí)際結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，如果對(duì)稱，可以利用結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性進(jìn)行計(jì)算簡(jiǎn)化。對(duì)實(shí)際機(jī)構(gòu)建模時(shí)可以去掉一些不必要的細(xì)節(jié)，比如倒角等。簡(jiǎn)化后的力學(xué)模型須是靜定結(jié)構(gòu)或是超靜定結(jié)構(gòu)。
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(duì)運(yùn)動(dòng)，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。考慮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(shí)際碰撞的嚴(yán)重程度，但相對(duì)速度起重要作用，成正比函數(shù)關(guān)系，質(zhì)量與損毀程度成反比函數(shù)關(guān)系。同時(shí)，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(duì)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(wú)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(dòng)能守恒。即可以得出碰撞嚴(yán)重程度與車速無(wú)關(guān)，而與相對(duì)速度成正比，質(zhì)量成反比關(guān)系的結(jié)論。即質(zhì)量小發(fā)生事故時(shí)危險(xiǎn)反而高。
3.1.3彈塑性碰撞理論分析
若在碰撞過程中，同時(shí)產(chǎn)生彈性和塑性變形兩種情況，此時(shí)需要同時(shí)考慮這兩者。在此提出了e為恢復(fù)系數(shù)并以此區(qū)分汽車的碰撞性質(zhì)。當(dāng)e=0需要結(jié)合塑性碰撞理論分析情況，當(dāng)e=1則需要考慮剛體碰撞這一理論，當(dāng)01000mm，但與駕駛員到保險(xiǎn)杠的距離相比仍有不足，即碰撞發(fā)生時(shí)的緩沖吸能距離不足[9]。因此在客車前部設(shè)計(jì)中應(yīng)加強(qiáng)相關(guān)要求[9]。
3.4理想的車體結(jié)構(gòu)
理想的客車車身結(jié)構(gòu)需要具有良好的緩沖吸能裝置，當(dāng)產(chǎn)生碰撞時(shí)，需要通過車身結(jié)構(gòu)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(shí)必須控制乘員區(qū)車身結(jié)構(gòu)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(shí)需要良好的緩沖吸能性矛盾。為此，通常將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)。同時(shí)B區(qū)邊緣要?jiǎng)傂暂^小，緩沖吸能性較好?？紤]到以上結(jié)構(gòu)要求，為保證正面碰撞發(fā)生時(shí)乘員安全性，在設(shè)計(jì)過程中車輛應(yīng)考慮的基本特征為:
①為保證為駕駛員和乘員預(yù)留足夠的生存空間，乘坐室不應(yīng)發(fā)生過大的碰撞變形
②除乘員室外，車體的其他前部結(jié)構(gòu)應(yīng)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(hù)乘員安全。
4客車車身機(jī)構(gòu)正面碰撞分析
4 客車車身結(jié)構(gòu)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(jì)80年代開始發(fā)展和完善。一般可分為3個(gè)階段：前處理、計(jì)算和后處理過程。在長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)用與發(fā)展過程中，針對(duì)汽車碰撞這一復(fù)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(jié)構(gòu)、荷載等特點(diǎn)確定簡(jiǎn)化方式。
②由于結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，不宜在有限元軟件中直接建立實(shí)體模型，因此常需借助三位軟件建立實(shí)體模型并初步優(yōu)化，做好有限元分析的前期準(zhǔn)備。
③將三維實(shí)體模型導(dǎo)入Hyper mesh軟件，檢查模型是否完好，并初步改善。
④根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選擇合適的單元類型，劃分網(wǎng)絡(luò)，選定材料，確定邊界條件和約束，從而建立有限元計(jì)算模型。
⑤對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析和檢驗(yàn)。對(duì)結(jié)構(gòu)做出評(píng)價(jià)并提出可行性改進(jìn)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(dǎo)入文件——設(shè)置模版——幾何清理——建立材料卡片——建立幾何及單元集———?jiǎng)澐謫卧獑卧獧z查與優(yōu)化——建立載荷集——施加載荷——建立載荷工況——設(shè)置計(jì)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(wù)是包括：
a建立分析結(jié)構(gòu)的幾何模型。對(duì)于幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，可以直接讀取CAD軟件的相關(guān)格式。
b根據(jù)分析對(duì)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(guān)系和位置），建立有限元分析的計(jì)算模型。
（2）計(jì)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(diǎn)位移的過程。
（3）后處理：是對(duì)計(jì)算機(jī)輸出的結(jié)果（包括各種應(yīng)力、位移或振型等）進(jìn)行必要的處理并按照一定的方式（如等應(yīng)力線、變形圖、振型圖等）顯示打印出來，以便對(duì)分析的對(duì)象的性能或設(shè)計(jì)的合理性進(jìn)行分析。評(píng)估，從而做出相應(yīng)的改進(jìn)或優(yōu)化。
注意：在Hyper Works中求解時(shí)可以根據(jù)分析的對(duì)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(shí)體模型
4.2.1整車參數(shù)的確定
某客車總長(zhǎng)10.4m，其整車結(jié)構(gòu)材料特點(diǎn)如下：
①車身結(jié)構(gòu)為全承載式結(jié)構(gòu)
②發(fā)動(dòng)機(jī)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(zhǎng)/mm
10400
發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)體模型建立
三維軟件Catia V5 建立白車身實(shí)體模型。為了便于之后的有限元分析，對(duì)模型進(jìn)行了部分的簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化遵循以下原則[12]:
①忽略所有倒角（包括矩形方形構(gòu)件和槽型梁），保持截面尺寸形狀不變
②簡(jiǎn)化發(fā)動(dòng)機(jī)及變速箱
③忽略懸架結(jié)構(gòu)所能造成的影響
④忽略車身結(jié)構(gòu)中包括的內(nèi)外飾，玻璃，加強(qiáng)版等結(jié)構(gòu)
⑤用直梁結(jié)構(gòu)替代短彎曲結(jié)構(gòu)
⑥忽略工藝孔和安裝孔
⑦忽略車身包含的所有相關(guān)附件
利用Catia軟件建立的車身三維簡(jiǎn)化實(shí)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(jié)構(gòu)圖
4.3建立車身結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)到模型的簡(jiǎn)化，單元類型尺寸的選擇，材料模型的參數(shù)設(shè)定，網(wǎng)格劃分，計(jì)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(jiǎn)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(guān)尺寸結(jié)構(gòu)建立模型在理論上的確可以得到相對(duì)精確的數(shù)值，但是考慮到客車車身大部分結(jié)構(gòu)是空間薄壁梁連接而成以及在整個(gè)碰撞過程中車身的變形特點(diǎn)，如需完全如實(shí)反映車身結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，那么整個(gè)分析過程中的工程量會(huì)尤為巨大，尤其是在數(shù)據(jù)前期準(zhǔn)備以及有限元分析的前處理計(jì)算后處理過程中會(huì)顯得尤為冗雜。因此在考慮到工作時(shí)間，追求的分析結(jié)果，計(jì)算機(jī)軟件處理性能以及相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)的前提下，一般通常會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)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(shè)定
汽車碰撞時(shí)在緩沖吸能上主要是依靠結(jié)構(gòu)的塑性變形完成的，因而為了能夠更好地反映材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系以便更為真實(shí)的反映結(jié)果的正確性，這是恰當(dāng)?shù)倪x用力學(xué)模型尤為重要。在材料模型定義模塊，需要輸入真實(shí)的應(yīng)力應(yīng)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(yàn)中常用金屬材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖4.4所示
圖4. 4常用金屬材料在單向拉伸時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變曲線
由上圖不難看出：當(dāng)應(yīng)力低于屈服極限時(shí)，我們通常將材料看作是彈性變形，當(dāng)超出材料的后，塑性變形將無(wú)法消除。在計(jì)算機(jī)仿真分析中為了便于計(jì)算，通常采用相對(duì)簡(jiǎn)單的模型來近似表述材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系[14]。
如線性強(qiáng)化彈塑性力學(xué)模型
若在分析過程中，需要考慮材料的強(qiáng)化性質(zhì)，那么此時(shí)理想彈性力學(xué)模型就不再適用了，需要考慮線性強(qiáng)化彈性力學(xué)模型。其應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖4.5所示:
圖4. 5線性強(qiáng)化塑性材料應(yīng)力應(yīng)變曲線
這種強(qiáng)化彈性力學(xué)模型與上述理想彈性力學(xué)模型的區(qū)別在于，AB即塑性階段的應(yīng)力應(yīng)變曲線與應(yīng)變?chǔ)胖g存在一夾角，這種方式可以近似表示塑性階段的應(yīng)力應(yīng)變曲線，相比與第一種力學(xué)模型更準(zhǔn)確，其解析表達(dá)式為：
。
由于這種力學(xué)模型同時(shí)考慮了彈性和塑性階段的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，因此是具有足夠的計(jì)算精度的。在整個(gè)計(jì)算過程中，材料參數(shù)的設(shè)定要考慮密度，彈性切線模量，泊松比和屈服應(yīng)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(xué)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(gòu)件長(zhǎng)度遠(yuǎn)比壁厚大，由此我們通常將其視為薄壁梁結(jié)構(gòu)的材料。在有限元中對(duì)客車骨架簡(jiǎn)化和劃分網(wǎng)格單元時(shí)，常用殼單元和梁?jiǎn)卧?。有上述?duì)構(gòu)件的分析中，不難看出，在整個(gè)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?jiǎng)澐?，由于其比梁?jiǎn)卧芊从匙冃翁卣鱗16]。下面如圖4.6對(duì)SHEEL163做個(gè)簡(jiǎn)單介紹：
對(duì)于某個(gè)方向比其他方向都薄很多的構(gòu)件來說，殼單元?jiǎng)澐质浅Ｓ梅绞健HELL163采用平面應(yīng)力條件（單元法向應(yīng)力），常用的有以下幾種：
圖4. 6 SHEEL163單元示意圖
①BT單元（特點(diǎn)：最簡(jiǎn)單的殼單元，計(jì)算快，但翹曲時(shí)易出錯(cuò)）
②Belytschko-Wong-Chiang殼單元（特點(diǎn)：速度是BT單元的1.25倍，適用于翹曲）
③Belytschko-Leviathan殼單元（特點(diǎn)：CPU時(shí)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(diǎn)：CPU時(shí)耗是BRT單元的8.8倍，無(wú)沙漏）.[17]
對(duì)比上述幾種算法，我們發(fā)現(xiàn)選擇BT單元計(jì)算效率高且節(jié)省CPU資源，由此節(jié)省了很多的計(jì)算時(shí)間。雖然對(duì)于大變形問題會(huì)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(shè)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(dǎo)入：將Catia中建立的三維模型保存為*.igs格式導(dǎo)入Hyper works軟件中.
2. 定義坐標(biāo)系：采用oxyz的直角坐標(biāo)系，設(shè)定當(dāng)車架處于平衡時(shí)，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(diǎn)擊Hypermesh中的Material按鈕，類型選擇All,材料卡片選擇MATL3，點(diǎn)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(diǎn)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(shè)置節(jié)點(diǎn)，向X方向正向移動(dòng)base node 選擇與運(yùn)動(dòng)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(gè)Fric表示摩擦系數(shù)設(shè)為0.5點(diǎn)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(diǎn)，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(shí)設(shè)置為11111即表示40km/h)
6. 設(shè)置接觸面（單面接觸）card image 選擇automatic,距離200 檢查圖像是否點(diǎn)焊完整.如圖4.9所示：
圖4. 9 檢查點(diǎn)焊方法
7. 設(shè)定求解 ①時(shí)間設(shè)定200/11111=0.018，全部設(shè)定為1.000e-004，如圖4.10所示。 ②DBplot導(dǎo)出求解。
圖4. 10 求解時(shí)間設(shè)定
4.4求解結(jié)果
1.打開求解之后的文件，設(shè)定時(shí)間Time 0.01,初始0.01，點(diǎn)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(shí)的車身變形圖。
圖4. 11 0.02s時(shí)車身變形圖
圖4. 12 0.04s時(shí)車身變形圖
由上圖4.11和圖4.12可以得到，當(dāng)以40km/h的速度撞擊剛性墻之后，隨著碰撞的進(jìn)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(yán)重，在駕駛員座椅附近出現(xiàn)峰值。
2.碰撞過程中的應(yīng)力圖，選擇Result Type中的Stress[t]項(xiàng)，重復(fù)上述操作，點(diǎn)擊按鈕，得到不同時(shí)間段的應(yīng)變圖。如圖4.13和圖4.14所示。
圖4. 13 0.02s時(shí)的車架應(yīng)力圖
圖4. 14 0.04s時(shí)的車架應(yīng)力圖
圖4. 15車架前部應(yīng)力放大圖
如圖4.13和圖4.14所示，隨著碰撞的發(fā)生，應(yīng)力變化明顯呈逐步加深的過程。而同時(shí)由圖4.15可以看出，車架底部以及駕駛員位置的應(yīng)力更加集中，而在車架的上部，應(yīng)力基本保持應(yīng)力平衡的狀態(tài)。
3. 車架速度變化圖：Result Type 中選擇Velocity(v)項(xiàng)，重復(fù)上述操作，點(diǎn)擊按鈕。如圖4.16和圖4.17所示。
圖4. 16 0.02s時(shí)的車架速度變化圖
圖4. 17 0.04s時(shí)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(jìn)一步產(chǎn)生呈減弱趨勢(shì)，在碰撞剛發(fā)生時(shí)，變形速度快，在駕駛員位置尤為明顯。而隨著碰撞的進(jìn)一步發(fā)生，反而呈降低趨勢(shì)，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(xiàng)）中選擇Energy即能量項(xiàng)，然后選擇Total Energy,Internal Energy,Kinetic Energy 3項(xiàng)，點(diǎn)擊輸出能量轉(zhuǎn)化圖即可得總能量，動(dòng)能，內(nèi)能3者之間的變化關(guān)系圖。
6.輸出速度變化曲線，仍在glstat文件中，在Y Type項(xiàng)選擇Velocity即速度項(xiàng)，此時(shí)需要注意速度的方向?yàn)榕cX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(duì)速度的進(jìn)一步變化進(jìn)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(dǎo)過程，所以重復(fù)上述操作，在Y Type項(xiàng)選擇Global Velocity-X項(xiàng)得到加速度變化曲線圖。
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5客車正面碰撞結(jié)果分析
5 客車正面碰撞結(jié)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(gè)過程中，加速度情況始終保持變化。從圖5.1可以整個(gè)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(dá)到反向最大，而后在整個(gè)碰撞加速度主要呈減小趨勢(shì)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(shí)，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(shí)間能線性遞減，當(dāng)加速度度達(dá)到最大時(shí)，客車車架發(fā)生變形以及彎曲，車速變化加快同時(shí)車架前部的變形加大，直到0.035s時(shí)，變形達(dá)到最大值。同時(shí)由于剛性墻對(duì)車身前部會(huì)產(chǎn)生一個(gè)反作用力，以及慣性力存在的情況下，客車會(huì)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(gè)碰撞過程中，總能量遵循能量守恒定律始終保持不變，而動(dòng)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(dòng)能主要依靠車架前端的塑性變形吸收，同時(shí)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(yīng)力分析
當(dāng)車架與剛性墻發(fā)生碰撞的整個(gè)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(dǎo)致其所受應(yīng)力值也較大；同時(shí)在駕駛員座椅的位置附近應(yīng)力峰值的出現(xiàn)將會(huì)導(dǎo)致碰撞過程中作為駕駛員的危險(xiǎn)系數(shù)的提高；
圖5 4 0.05s時(shí)車架前端應(yīng)力放大圖
在整車的數(shù)據(jù)對(duì)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(xiǎn)，這是由于前部的加速度大，在碰撞過程中第一排乘客會(huì)有被甩出座椅的風(fēng)險(xiǎn)。
通過仿真分析，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)發(fā)生正面碰撞時(shí)，若骨架前半部分變形過大，則會(huì)威脅駕駛員及前排乘員的安全性。對(duì)于客車結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，暫提出以下建議：
①若車架前部過硬，則需進(jìn)行軟化處理，使車架的不論從強(qiáng)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(hù)駕駛員的行車安全（駕駛室位置相比其他位置在碰撞時(shí)應(yīng)力過大），需要保證駕駛室車架需要有足夠的剛度和強(qiáng)度
③選擇合適的車架前端吸能件，并對(duì)吸能區(qū)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行謹(jǐn)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(jié)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(yīng)力最大，而車架的緩沖吸能效果不夠好，將會(huì)導(dǎo)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(huì)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(duì)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(duì)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(xiǎn)系數(shù)很大等方面的不足，對(duì)客車整體骨架提出了如下改進(jìn)措施：
（1）改進(jìn)車架結(jié)構(gòu)，提高變形吸能能力?？梢栽谲嚰芮岸伺c保險(xiǎn)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(zhǎng)車架前端部分縱梁的長(zhǎng)度，以使車架較早地參與變形吸能；對(duì)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(jìn)駕駛員座椅附近的骨架結(jié)構(gòu)，提高駕駛員的生存可能性?？梢酝ㄟ^加強(qiáng)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(qiáng)車身骨架關(guān)鍵部位的剛度和強(qiáng)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(fēng)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(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)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(huì)被甩出座椅，撞到前擋風(fēng)玻璃上甚至?xí)凰Τ鲕圀w，對(duì)此，可以采取在第一排乘客前方增加安全護(hù)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(jié)論
6 結(jié) 論
本文通過有限元法研究了客車車身結(jié)構(gòu)在正面碰撞時(shí)的應(yīng)力變化和變形分析。在目前交通安全事故屢見不鮮，安全標(biāo)準(zhǔn)逐步提高的現(xiàn)實(shí)狀況下，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。本次分析主要完成的工作如下所示：
①通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)國(guó)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(xué)習(xí)使用了三維軟件CATIA和有限元分析軟件Hyper works，并掌握了相關(guān)分析處理方法。
③參照相關(guān)資料，完成了對(duì)客車骨架的正面碰撞模擬分析。
④通過此次分析過程，學(xué)習(xí)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(jié)果，對(duì)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(xiàn)
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8致謝
致 謝
在此感謝此次畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中，指導(dǎo)老師盧軍峰給出的悉心教導(dǎo)和辛勤付出，從選題階段到課題的整個(gè)完成過程中給予的指導(dǎo)和幫助，感謝同組小伙伴們的溝通幫助，在畢設(shè)過程中加強(qiáng)交流，促進(jìn)此次畢業(yè)設(shè)計(jì)的順利完成。
同時(shí)，作為一個(gè)即將走出象牙塔的學(xué)生，在學(xué)生生涯即將畫上句號(hào)的同時(shí)，在此感謝學(xué)校學(xué)院老師在這大學(xué)四年里的指導(dǎo)與陪伴，感謝每一個(gè)人的辛勤付出，感謝同學(xué)和伙伴們?cè)谶@4年中分享青春中最美好的記憶，不論是學(xué)習(xí)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(zhǎng)，這段記憶將成為人生中的美好回憶。
最后，向所有關(guān)心我的父母家人，師長(zhǎng)同學(xué)們表示深深的謝意。也在此表達(dá)我最真誠(chéng)的祝福，愿大家前程似錦，一帆風(fēng)順。
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