(毕业设计)A00电动轿车车头3D设计及碰撞分析论文修正.5.doc

摘要随着汽车保有量的增长，道路交通事故己经成为世界性的一大社会难题。每年有大量的人因交通事故死亡，交通事故带来的损失日益剧增，研究汽车的碰撞安全性能，提高其耐撞性成为各国汽车行业研究的重要课题。本文为了改进某一整车的前碰撞性能，应用计算机仿真技术对该车的前碰吸能部件进行了碰撞仿真改进研究。设计车头3D数模，并根据其各吸能区计算断面结构，由改进前的整车有限元模型碰撞仿真计算结果与改进后的实车碰撞试验结果的对比表明，部件的碰撞仿真设计是确保设计车辆具有良好碰撞性能的一种重要的方法和手段。关键词：车头模型、断面结构、计算机仿真AbstractWith the increasing of car amount, traffic accident has become a serious problem in the world. Many people annually died in the traffic accident，traffic accident gives the life and property safety of people bring serious of disaster. But now because the loss of accident increase greatly，the study of car crash safety performance attracts the increasing attention of a consequence of car company in the whole world. In order to improve a passenger car's crashworthiness, a computer simulation was done in this paper to study the crash characteristics of the energy absorbing front end of a car .3D digital-analog design front, and areas according to their calculation of the absorption cross section structure .The results showed that the method of the crash simulation was a feasible way to ensure a new designed car having good crash worthiness.Key words: Digital-analog front、Cross section structure、Computer Simulation目录第一章 绪论51.1.课题背景51.2.研究的目的和意义61.3.汽车碰撞法规的现状及发展趋势61.4.研究内容7第二章 汽车车头3D数模92.1 CATIA软件应用介绍92.2 车头3D数模10第三章 碰撞过程中各吸能区的划分及作用113.1车身的概述113.1.1白车身113.1.2车身的作用113.1.3车头结构123.2车头骨架设计要求133.2.1空间要求133.2.2变形控制要求133.3碰撞过程中吸能区的划分133.4各吸能区的作用15第四章 各吸能区断面结构的分析计算164.1 各吸能区的断面结构164.2断面结构的分析计算20第五章 电动汽车车头结构仿真分析及优化设计225.1汽车碰撞225.1.1概要225.1.2流程应用工具软件225.1.3汽车碰撞过程的特点225.2HyperMesh软件介绍及功能235.3LS-Dyna软件介绍及功能245.3.1LS-Dyna概况245.3.2LS-DYNA程序功能245.4正面碰撞试验条件255.4.1试验场地255.4.2壁障255.4.3车辆要求265.4.4正碰目标设定265.5原模型仿真分析275.5.1有限元模型的建立275.5.2材料强度285.5.3模拟碰撞局部变形图305.5.4能量曲线图315.5.5吸能区域能量分布325.5.6吸能区域各部件吸能325.5.7整车加速度曲线335.5.8总结335.6结构优化345.7改进后仿真分析405.7.1模型建立405.7.2材料属性：(前部吸能区)415.7.3碰撞结果425.7.4能量曲线图445.7.5吸能区域各部件吸能455.7.6整车加速度曲线465.7.7车头相关部位的变形情况475.7.8对比总结52第六章 总结与展望546.1本文总结546.2研究展望54参考文献56致谢58附录59第一章 绪论1.1. 课题背景汽车安全性可分为主动安全性和被动安全性。其中主动安全性是指汽车避免发生意外事故的能力；被动安全性，则是汽车在发生意外事故时对乘员进行保护的能力。由于被动安全性总是与广义的汽车碰撞事故联系在一起，故也称为“汽车碰撞安全性”。大量数据表明，主动安全性再好，也只能避免5%的事故1，95%以上的事故是由于人和环境因素共同造成的。在各种交通状况下发生的碰撞事故，归纳起来包括正面碰撞、侧面碰撞、追尾、翻滚等2。统计数据显示，在汽车各类碰撞事故中正面碰撞的发生几率约为59%3，同时其对车内司乘人员和生命财产安全的危害性也是最大的。汽车的安全，尤其是碰撞安全性越来越受到重视，各国各地区都加强了对安全法规的制定工作。目前，在美国、日本、欧洲及澳洲都有称为NCAP的组织机构，对不同车型进行汽车碰撞安全性评估。汽车碰撞安全性评估主要包括正面碰撞、侧面碰撞、儿童保护和行人保护四个方面。其中防正面碰撞的车身结构设计己经成熟，由刚性的乘员舱与前后的吸能区组成，并注意吸能后撞击力的分流;防侧面碰撞的车身结构设计也正趋完善，重点是放在加强车身刚性和冲击力分流两个方面;为满足保护行人法规要求，整车的造型和汽车前部结构发生了很大的变化。目前，汽车安全已经成为制约我国交通运输业和汽车工业进一步发展的重要因素之一，开展汽车安全性研究是十分必要和紧迫的。为了促进这一领域的研究工作，中国汽车工程学会于1995年9月成立了(被动)安全技术专业委员会4。这一专业委员会的成立，标志着我国汽车被动安全性研究工作正逐渐走上系统化和正规化的发展道路。我国颁布的第一项汽车安全技术法规CMVOR294汽车正面碰撞乘员保护的设计规则5于1999年10月28日由国家机械工业局发布，己列入了新的40项强制检测项目中，这表明我国政府己对汽车的被动安全性有了更全面的评价方法6，2003年，GBll551一2003乘用车正面碰撞乘员保护7强制性国家标准的颁布则标志着我国的碰撞法规正逐渐与国际接轨。随着国家863计划电动汽车重大专项的实施，我国在纯电动汽车、混合动力汽车和燃料电池汽车等新能源环保汽车方面的开发力度正在加强，我国拥有自主知识产权的新能源汽车动力系统技术平台正在逐步建立，通过整车集成配套技术的研发，实现与传统汽车的技术对接，逐步向产业化延伸。电动汽车的一个重要特点就是车内装有高电压的动力回路，由数十块甚至几百块储能单元(如单体电池)串联或者并联组成的储能系统(如动力电池组)的电压远远超过安全电压，所以相对传统汽车而言，电动汽车对碰撞安全性做出了更高的要求。本课题是奥杰汽车为东风公司正在设计研发的一款A00级电动轿车碰撞试验中的一部分，即车头的正碰。1.2. 研究的目的和意义长期以来，轿车安全性能的提高一直是汽车工业界所追求的目标。用实车碰撞试验可测定轿车安全性能，但因其需要在实物样机上安装各种测试设备，进行实地试验，成本高，时间长。所以探索新的试验方法一直是汽车工业界非常关注的课题。随着计算机技术的发展和各种应用软件的出现，轿车碰撞试验可以用计算机来模拟来实现，利用虚拟现实技术设计的汽车虚拟试验场可逼真地实现试验过程。通过交互改变汽车设计参数、试验道路环境，可以验证设计方案，从而达到缩短设计周期，降低开发成本，提高产品质量的目的。与传统的实车试验相比应用虚拟试验场具有快速、逼真、可重复性等特点，可无危险，无损坏地进行碰撞、翻倾等极限试验。同时，正面碰撞是汽车碰撞事故中最多，对人体危害最大的碰撞形式，也是国际上许多安全法规中规定的小型客车和轿车的最主要标准试验。我国颁布的第一项汽车安全技术法规CMVDR294汽车正面碰撞乘员保护的设计规则5，己列入了新的40项强制检测项目中。通过计算机模拟的方法研究电动车正面碰撞问题满足项目的实际需求，同时也符合国家相关政策，具有良好的现实意义。本课题研究的意义不仅仅在于能够解决奥杰公司在实际试验中参在的问题，为实车试验提供实际的参考和指导，而且可以提供一种计算机虚拟仿真的计算方法，在降低试验成本以及缩短产品试验周期等方面均有着重要意义。此外，由于目前国内对电动车正面碰撞安全性的研究较少，因此本课题研究对电动车正面碰撞安全性的相关研究工作具有一定的借鉴和参考价值，有助于我国电动车被动安全性设计整体性水平的提高。1.3. 汽车碰撞法规的现状及发展趋势实车碰撞实验是综合评价汽车碰撞安全性能的最基本、最有效的方法。实车碰撞试验按碰撞形态可分为：正面碰撞、侧面碰撞、追尾碰撞、角度碰撞。其中正面碰撞、侧面碰撞为主要碰撞形态。实车正面碰撞试验形式有正面碰撞、30度斜碰撞和偏置碰撞等形式。试验中的基本条件主要包括车质量状态、假人质量、固定障碍壁的几何形状和质量、固定障碍壁与被试车辆的位置关系等。实车试验中最基本的碰撞壁障有固定刚性壁了障和变形壁障两种。固定壁障的碰撞试验与实际交通事故的碰撞形式差异较大。变形壁障偏置碰撞能较好地模拟实际交通事故中的正面碰撞，试验结果更有说服力。正面碰撞试验以下面三种方式进行：（1）车辆纵轴线与障碍壁表面垂直；（2）障碍壁前放置30度的楔形块，碰撞时车辆右前端先接触楔形块；（3）障碍壁前放置30度的楔形块，碰撞时车辆左前端先接触楔形块。7在测量用假人方面，规定使用Hybrid型假人并给出乘员损伤限值。欧洲汽车工业发达国家虽然对汽车也进行了长时间的研究，但一直没有形成统一的法规，直到1992年才提出一个ECE草案。草案规定碰撞速度为50km/h，固定障碍壁为刚性表面，并且障碍壁前放置一个30度的楔形块，碰撞时车辆驾驶员侧先接触。该草案与FMVSS88（美国联邦机动车安全法规2）法规的区别是：车辆只进行一种方式的碰撞试验，并且楔形块表面安装有防滑装置，以防止碰撞时车辆沿楔形块表面滑脱。欧洲在研究正面碰撞安全法规时比较重视实际的交通事故形态，提出了与实际交通事故最接近的偏置变形壁障碍碰撞试验方法。但是由于偏置变形壁障碰撞试验方法对碰撞试验条件的控制十分苛刻，当时的碰撞试验设备无法满足该试验要求，故在1995年颁布ECE94/00时先采用了车速为50km/h的30度斜角碰撞试验方法作为过渡。但欧洲专家认为美国FMVSS208中的斜角碰撞试验中光滑的斜角壁障使碰撞车产生滑移而减轻了车辆碰撞的强烈程度，使试验结果与实际交通事故不同。为了防止斜角碰撞中车辆前端面的滑动，欧洲ECE R94/00中的貌一新30度斜壁障上装设了标准的防滑块阻止碰撞中试验车前端面的滑动。到1994年，ECE R94/01中采用了车速为56km/h的40%的偏置变形壁障碰撞试验。1.4. 研究内容本课题研究的具体内容包括以下方面：（1） 电动轿车车头吸能区域的结构分析并进行优化利用CATIA建立车头骨架3D模型，对模型进行结构上的分析，首先在结构上进行优化，保证吸能区有足够的压溃长度；其次在连接的选择上分析焊接与螺接的区别进行优化。（2） 各吸能区的断面结构的分析计算通与成功车型的断面结构进行对比分析，选择合适的断面形状，保证碰撞受力时达到预订的变形要求。（3） 利用CAE软件进行仿真分析并进行优化设计利用CAE软件进行碰撞仿真，与法规进行对比，进行局部的优化，在理论上满足整车的基本要求。第二章 汽车车头3D数模 2.1 CATIA软件应用介绍CATIA是法国达索飞机公司在70年代开发的高档CAD/CAM软件，是世界上一种主流的CAD/CAE/CAM 一体化软件。CATIA是英文 Computer Aided Tri-Dimensional Interactive Application（计算机辅助三维交互式应用） 的缩写。目前在中国由IBM公司代理销售。CATIA是汽车工业的事实标准，是欧洲、北美和亚洲顶尖汽车制造商所用的核心系统。CATIA 在造型风格、车身及引擎设计等方面具有独特的长处，为各种车辆的设计和制造提供了端对端（end to end ）的解决方案。CATIA 涉及产品、加工和人三个关键领域。CATIA 的可伸缩性和并行工程能力可显著缩短产品上市时间。  一级方程式赛车、跑车、轿车、卡车、商用车、有轨电车、地铁列车、高速列车，各种车辆在CATIA 上都可以作为数字化产品，在数字化工厂内，通过数字化流程，进行数字化工程实施。CATIA 的技术在汽车工业领域内是无人可及的，并且被各国的汽车零部件供应商所认可。从近来一些著名汽车制造商所做的采购决定，如Renault、Toyota、Karman 、Volvo、Chrysler 等，足以证明数字化车辆的发展动态。 Scania 是居于世界领先地位的卡车制造商，总部位于瑞典。其卡车年产量超过50，000辆。当其他竞争对手的卡车零部件还在25，000个左右时，Scania公司借助于CATIA系统，已经将卡车零部件减少了一半。现在，Scania 公司在整个卡车研制开发过程中，使用更多的分析仿真，以缩短开发周期，提高卡车的性能和维护性。CATIA 系统是Scania 公司的主要CAD/CAM 系统，全部用于卡车系统和零部件的设计。通过应用这些新的设计工具，如发动机和车身底盘部门CATIA 系统创成式零部件应力分析的应用，支持开发过程中的重复使用等应用，公司已取得了良好的投资回报。现在，为了进一步提高产品的性能，Scania 公司在整个开发过程中，正在推广设计师、分析师和检验部门更加紧密地协同工作方式。这种协调工作方式可使Scania 公司更具市场应变能力，同时又能从物理样机和虚拟数字化样机中不断积累产品知识。  2.2 车头3D数模图2-1 车头3D模型 第三章 碰撞过程中各吸能区的划分及作用3.1 车身的概述车身是汽车的“上层建筑”，是整车的四大组成部分之一。汽车的更新换代很大程度上取决于汽车车身技术的发展。汽车车身涉及美学、空气动力学、环境学、计算机、机械工程学、人机工程学、材料和化工等。车身一般由白车身、内饰、外件、附件组成。3.1.1白车身白车身：英文body in white,是指车身本件及覆盖件的总成，包括车身焊接本体、翼子板、四门两盖（五门一盖），不含附件及装饰件的未涂漆的车身。如下图：图 3.1 白车身结构3.1.2车身的作用1)实现整车功能的作用2)为乘员提供舒适的乘坐环境3)为乘员提供安全保护措施4)减少空气阻力5)增强汽车的美观性其中，为乘员提供安全保护措施是本课题研究的主要内容，即车头碰撞安全性的研究。3.1.3车头结构下图为本课题研究的电动车的整车效果图图 3.2 整车效果图车头主要由前保险杠、车头顶盖、翼子板和车头内部骨架组成。由于该纯电动车车头较短，在碰撞过程中起主要作用的是车头内部骨架结构，如下图所示：图 3.3 车头骨架结构3.2 车头骨架设计要求3.2.1 空间要求要有足够的空间安装汽车悬架，动力总成以及其他附件。3.2.2 变形控制要求1)最大变形量的控制，这一许可变形区的实现是密切相关的。车体结构侵入乘员空间造成的接触伤害是主要的伤害成因之一，在汽车碰撞中应尽量避免对乘员的接触伤害，绝对保证乘员舱结构的整体刚度，避免自身塌陷或其他结构的侵入造成乘员伤害。因此，必须控制最大变形量，将碰撞变形限制在一定区域之内。2)控制结构变形模式，不同结构的碰撞变形模式主要包括以下几种，褶皱，弯曲，断裂，其中断裂包括焊点等连接 的破坏失效和结构本身的破坏失效。不同的变形形式，能量吸收能力有很大的差异，对于汽车碰撞安全往往有决定意义，前纵梁在弯曲失效的情况下吸能能力将降低约40%。汽车前部耐碰撞结构应尽可能针对多种碰撞边界条件设计，使得耐撞结构在碰撞中发生稳定的变形，充分发挥变形吸能作用。3)结构变形次序的控制。合理的变形次序不仅能够使结构有效发挥变形吸能作用，同时也能够在一定程度上引导结构的稳定变形模式。汽车前纵梁的后端在碰撞时先发生屈曲变形，则很容易引导整个前纵梁未变形区域相对转动，形成弯曲失效，而如果按照由前向后的次序变形，则不会发生这种不利于乘员保护的危险情况。4) 汽车结构大都是由冲压件连接构成承载结构，结构连接有效、可靠是保证汽车结构发挥作用的关键。在正面碰撞中，前纵梁是具有一定截面形状的承载管件，它的变形过程具有较强的吸能能力，而当前纵梁失去截面形状时，就无法发挥原有的吸能能力。3.3 碰撞过程中吸能区的划分为了在碰撞过程中能够充分缓冲吸收由加速度剧变产生的巨大能量，车头骨架在设计时做了如个几个吸能区：1）图 3.4 前防撞梁前防撞梁，其中三根横梁中的中梁为主要的吸能梁，在碰撞第一时间产生变形，下梁为辅助吸能梁，上梁的吸能作用最小。2）图 3.5 主吸能梁中防撞梁连接梁，在车头碰撞过程中伴随着前防撞梁一同变形，为主要的吸能区域。3）图 3.6 辅助吸能梁辅助吸能区，主要起二次吸能的作用。3.4 各吸能区的作用1)前防撞梁。在正面碰撞的过程中，汽车的受力部位可能是汽车正面的任何部位，多数情况下不是吸能纵梁的所在位置，所以需要前横梁将受到的力传递给吸能纵梁，同时自身吸收一定的能量。2)主吸能纵梁。根据GB 17354-1998汽车前、后端保护装置中的规定。基准高度为445mm，所以主吸能纵梁的高度设计在这一高度，吸收大部分能量。对车辆的缓冲减速起关键作用，同时保证车辆在减速的过程中的减速度要在合理范围内，保证车内乘员的安全。3)辅助吸能纵梁。除了在基准高度上要设置主吸能纵梁外，还要在其他高度设置辅助吸能纵梁，来分担主吸能纵梁的冲击，分担主吸能纵梁的能量，辅助控制碰撞过程中的减速度，降低主吸能纵梁的设计刚度，从而降低设计制造成本。第四章 各吸能区断面结构的分析计算4.1 各吸能区的断面结构在截面位置处获得断面结构：1)前防撞横梁上梁：图 4.1 前防撞横梁上梁断面结构：图 4.2 断面图截面面积 4.32e-004m2 抗拉强度 6061 T6:310弹性模量 70GPa 惯性矩 IX=8.582×10-8 m4 IY=1.797×10-7 m4WX=IX/YMax=IX/0.03=2.86×10-6 m3WY=IY/XMax=IY/0.018=9.98×10-6 m3 2)前防撞横梁中梁图 4.3 前防撞横梁中梁断面结构：图 4.4 断面图截面面积 7.375e-004m2 抗拉强度 6061 T6:310弹性模量 70GPa惯性矩 IX=2.282×10-7 m4 IY=5.514×10-7 m4WX=IX/YMax=IX/0.04=5.7×10-6 m3WY=IY/XMax=IY/0.025=2.2×10-5 m3截面图形3)前防撞横梁下梁图 4.5 前防撞横梁下梁断面结构：图 4.6 断面图截面面积 7.735e-004m2 抗拉强度 6061T6:310弹性模量 70GPa惯性矩 IX=2.828×10-7 m4 IY=5.514×10-7 m4WX=IX/YMax=IX/0.04=5.7×10-6 m3WY=IY/XMax=IY/0.025=2.2×10-5 m34)防撞纵梁上梁图 4.7 防撞纵梁上梁断面结构图 4.8 断面图截面面积 7.447e-004m2抗拉强度 6063 T6:241弹性模量 70GPa 惯性矩 IX=8.422×10-6 m4 IY=2.964×10-6 m4WX=IX/YMax=IX/0.04=2.1×10-4 m3WY=IY/XMax=IY/0.025=1.18×10-4 m35)防撞纵梁中梁图 4.9 防撞纵梁中梁断面结构图 4.10 断面图截面面积 7.44e-004 m2 抗拉强度 6063 T6:241弹性模量 70GPa惯性矩 IX=9.555×10-6 m4 IY=6.475×10-6 m4WX=IX/YMax=IX/0.025=3.08×10-6 m3WY=IY/XMax=IY/0.04= 6.475×10-6 m36)防撞纵梁下梁图 4.11 防撞纵梁下梁断面结构图 4.12 断面图截面面积 7.44e-004m2 抗拉强度 6063 T6:241弹性模量 70GPa惯性矩 IX=9.555×10-6 m4 IY=6.475×10-6 m4WX=IX/YMax=IX/0.025=3.08×10-6 m3WY=IY/XMax=IY/0.04= 6.475×10-6 m34.2 断面结构的分析计算我们以100×100×2.0的截面为例，例举以下几种截面形状方案来比较：我们以改变截面尺寸，例举以下几种截面形状方案来比较：分析结果：加大截面尺寸是最直接，效果最好的，尺寸增加1.5倍，重量增加约1.5倍，惯性矩可以增加3.4倍有多，即抗弯刚度可提高3.4倍。考虑到实际情况，管梁尺寸的增加幅度有限制，那么可以综合两种方案在增加截面尺寸的同时优化截面形状来满足使用要求。第五章 电动汽车车头结构仿真分析及优化设计5.1 汽车碰撞汽车碰撞是个瞬态的大位移和大变形的过程，系统具有几何非线性、材料非线性和接触非线性等多重非线性特征，它涉及在动载下的本构关系、非线性问题算法等问题。目前，动态非线性有限元方法成为了汽车碰撞模拟计算的主要研究手段。5.1.1 概要本流程为乘用车整车正面100%重叠冲击刚性壁障试验的通用仿真分析流程。在试验条件下，首先给定车辆向前方向上的初速度，然后撞向前部固定的刚性壁障。壁障面垂直于车辆行进方向，并与车辆前部100%重叠。仿真按照以下标准执行：1)正面48km/h壁障冲击仿真是执行美国联邦机动车安全标准FMVSS 208：乘员碰撞保护标准。2)正面56km/h壁障冲击仿真是执行美国高速公路安全协会（NHTSA）新车评价体系（NCAP试验标准）。3)低速仿真一般用在具有安全气囊的碰撞测试中。分析主要用于评价整车在正面碰撞试验中的结构性能，同时通过加入乘员系统来计算乘员伤害值。5.1.2 流程应用工具软件在整个仿真分析流程中使用到的软件如下：1)前处理软件： HyperMesh2)求解程序： LS_DYNA3)后处理软件： LS_Post5.1.3 汽车碰撞过程的特点汽车碰撞过程是一个动态的大位移和大变形过程，接触和高速冲击载荷影响着碰撞全过程，系统具有几何非线性和材料非线性等多重非线性。汽车上的各零部件所发生的变形可以是线性弹性变形、非线性弹性变形、塑性变形、粘塑性变形及其组合等。碰撞速度与撞压变形：汽车碰撞前方障碍物后，车体撞压变形量随碰撞速度的增大而增加，当碰撞速度小于65Km/h时，二者成线性关系，其相对误差小于2% ；当碰撞速度大于65Km/h 时，二者成非线性，且随碰撞速度的增大非线性也在增加。时间变化：汽车碰撞持续变形时间：4080ms；随碰撞相对速度增加，碰撞持续时间逐渐减少. 汽车与汽车碰撞持续时间略长于汽车碰撞刚性障碍壁的持续时间. 汽车与汽车碰撞时，碰撞持续时间随汽车刚度不同而略有差别。汽车碰撞刚性障碍壁中速度损耗：经过大量的计算，我们发现汽车碰撞刚性障碍壁时，速度损耗量为碰撞前的30%左右，当汽车与汽车碰撞时，碰撞过程中速度的损耗量低于汽车碰撞刚性障碍壁的损耗量，为20%25%。能量变化：汽车碰撞刚性障碍壁时，碰撞过程中损失的能量为总能量的55%左右，当汽车与汽车发生碰撞时，碰撞过程中损失的能量低于汽车碰撞刚性障碍壁时损失的能量。5.2 HyperMesh软件介绍及功能Hypermesh软件是美国Altair公司的产品，是世界领先的、功能强大的CAE应用软件包，也是一个创新、开放的企业级CAE平台，它集成了设计与分析所需的各种工具，具有无与伦比的性能以及高度的开放性、灵活性和友好的用户界面。在CAE领域, Hypermesh最著名的特点是它所具有的强大的有限元网格前处理功能和后处理功能。一般来说，CAE分析工程师80的时间都花费在了有限元模型的建立和修改上，而真正的分析求解时间是消耗在计算机工组站上的，所以采用一个功能强大，使用方便灵活，并能够与众多CAD系统和有限元求解器进行方便的数据交换的有限元前后处理工具，对于提高有限元分析工作的质量和效率具有十分重要的意义。HyperMesh是一个高性能的有限元前后处理器，它能让CAE分析工程师在高度交互及可视化的环境下进行仿真分析工作。与其他的有限元前后处理器比较，HyperMesh的图形用户界面易于学习，特别是它支持直接输入已有的三维CAD几何模型(UG,Pro/E,CATIA等)已有的有限元模型，并且导入的效率和模型质量都很高，可以大大减少很多重复性的工作，使得CAE分析工程师能够投入更多的精力和时间到分析计算工作上去。同样，Hypermesh也具有先进的后处理功能，可以保证形象地表现各种各样的复杂的仿真结果，如云图，曲线标和动画等。在处理几何模型和有限元网格的效率和质量方面，HyperMesh具有很好的速度，适应性和可定制性，并且模型规模没有软件限制。其他很多有限元前处理软件对于一些复杂的，大规模的模型在读取数据时候，需要很长时间，而且很多情况下并不能够成功导入模型，这样后续的CAE分析工作就无法进行；而如果采用Hypermesh，其强大的几何处理能力使得Hypermesh可以很快的读取那些结构非常复杂，规模非常大的模型数据，从而大大提高了CAE分析工程师的工作效率，也使得很多应用其他前后处理软件很难或者不能解决的问题变得迎刃而解。 5.3 LS-Dyna软件介绍及功能LS.DYNA是一个以显式为主，隐式为辅的通用非线性动力分析有限元程序，可以求解各种二维、三维非线性的高速碰撞、爆炸和金属成型等非线性问题。5.3.1 LS-Dyna概况DYNA程序系列最初是1976年在美国Lawrence Livermore National Laboratory由J0HaUquist主持开发完成的，主要目的是为武器设计提供分析工具，后经1979、1981、1982、1986、1987、1988年版的功能扩充和改进，成为国际著名的非线性动力分析软件。LSDYNA程序950版是功能齐全的几何非线性(大位移、大转动和大应变)、材料非线性(100多种材料模型)和接触非线性(30多种)程序。它以Lagrange算法为主，兼有ALE和Euler算法；以显式求解为主，兼有隐式求解功能：以结构分析为主，兼有热分析等功能；以非线性动力分析为主，兼有静力分析功能(如动力分析前的预应力计算和薄板冲压成型后的回弹计算)的通用结构分析非线性有限元程序。ANSYSLSDYNAS.6版是采用ANSYSS.6版前处理生成LS.DYNA显式积分部分的输入数据文件，ALS-DYNA950版求解器求解，生成图形文件和时间历程文件，在用ANSYSS.6版后处理显示和分析计算结果。需要隐式积分法求解时可采用ANSYSS.6版隐式求解器。它与LS.DYNA950版显式求解器之间配有数据接口。 5.3.2 LS-DYNA程序功能1）单元类型LS.DYNA程序的单元类型众多，有二维、三维单元，薄壳、厚壳、体、梁单元，ALE、Eulorian、Lagrangiall单元等。各类单元又有多种理论算法可供选择，具有大位移、大变形和大转动性能，单元积分采用沙漏粘性阻尼以克服零能模式，单元计算速度快、节省存储量，可以满足各种实体结构、薄壁结构和流体-固体藕合结构的有限元网格划分的需要。每种单元都有多种算法可供用户选择，实体单元是单点积分，薄壳单元是面内单点积分、沿壳厚多点积分。线性唯一函数和单积分点的显式单元能够很好地用于大变形和材料失效等非线性问题。2）材料模型ANSYSLSDYAN程序目前有100余种金属和非金属材料模型可供选择，如弹性、弹塑性、超弹性、泡沫、玻璃、地质、土壤、混凝土、流体、符合材料、炸药及起爆燃烧、刚性及用户自定义材料，并可考虑材料失效、损伤、粘性、蠕变、与温度相关、与应变率相关等性质。3）接触分析功能LSDYNA程序的全自动接触分析功能易于使用，功能强大，非常有效。有二十多种选择可以求解下列接触问题：变形体对变形体的接触、变形体对刚体的接触、板壳结构的单面接触(屈曲分析)、与刚性墙接触、表面与表面的固连、节点与表面的固连、壳边与壳面的固连、流体与固体的连接等，并可考虑接触表面的静动力摩擦和固连失效。这种技术成功地用于整车碰撞研究、乘员与柔性气囊或安全带接触的安全性分析、薄板与冲头和模具的金属成型、水下爆炸对结构的影响等。此外程序采用材料失效和侵蚀接触，可以进行高速弹丸对靶板的穿甲模拟计算。4）汽车安全性分析LSDYNA的发展一直与汽车碰撞模拟密不可分，用LSDYNA的壳单元、实体单元构造完整的汽车模型，可以选用金属、塑料、橡胶等各种材料模型。程序的Automatic-Single-Surface接触功能可以保证汽车全部构件内外表面，与假人、气囊、安全带之间，以及外部障碍物表面相互接触时不穿透，可以相对滑动，考虑摩擦，实现汽车高速碰撞时全过程的数值模拟和有关数据的输出，可以说LSDYNA是汽车碰撞模拟用的“标准”软件。5.4 正面碰撞试验条件5.4.1 试验场地试验场地应足够大，以容纳跑道、壁障和试验必需的技术设施。在壁障前至少5m的跑道应水平、平坦和光滑。5.4.2 壁障壁障由钢筋混凝土制成的刚性墙,前部宽度不小于3 m,高度不小于1.5m。壁障厚度应保证其质量不低于7×104kg。壁障前表面应铅垂,其法线应与车辆直线行驶方向成00夹角,且壁障表面应覆以2cm厚状态良好的胶合板(见图 1)。如果有必要,应使用辅助定位装置将壁障固定在地面上，以限制其位移。壁障的方位应使碰撞角为00。图 5.1 壁障碰撞5.4.3 车辆要求试验车辆应能反映出该系列产品的特征，应包括正常安装的所有装备，并应处于能够正常运行状态。一些零部件可以被等质量代替物代替，但要求这种替换确实不会对以后的测量结果造成明显的影响 。5.4.4 正碰目标设定1）车身B柱加速度对正碰的影响：乘用车碰撞现状：根据国内外对市场在售车型试验统计： Euro-NCAP 4星轿车正碰加速度一般为40g；5星轿车正碰加速度一般为36g。安全气囊供应商的经验：正碰时车身B柱加速度峰值超过70g，那么该车型即使安装气囊也很难通过GB11551-2003（中国正碰国标）法规。2）碰撞的压溃量对正碰的影响：一般轿车车头压溃量为550mm左右，国外5星轿车正碰车头压溃量一般为650mm左右，这样压溃区才能吸收更多的能量。 一般希望车头压溃区吸收的能量达到整车动能的70%-80%。3）碰撞的时间对正碰的影响：一般轿车的正碰总过程有100ms，整车速度从50km/h减为0km/h的时间为80ms，80ms-100ms为回弹的时间。加速度峰值一般发生在45-60ms之间。4）安全气囊的展开时间：一般安全气囊的起爆时间为正碰发生后15ms，全部展开需要30ms。从起爆到展开的总时间为15+30=45ms。5）电动车正碰安全性设计难点：（1）车头短，压溃吸能区少，碰撞时间短（2）车身加速度高，严重影响人体伤害指数5.5 原模型仿真分析5.5.1 有限元模型的建立碰撞模拟中使用刚性墙，整车以50km/h的速度进行正面碰撞。模型节点数为204504，单元数为21984，骨架重量122kg,模型总重量740kg,整车质心位置(966mm,6.5mm,232mm),整车转动惯量（lxx:409.4kg*m2,lyy:965.5 kg*m2,lzz:931.9 kg*m2）。图 5.2整车Hypermesh 网格模型图 5.3车头骨架5.5.2 材料强度图 5.4 各吸能区的使用材料以下分别为5052 H32、6063T6、6061T6三种铝材的应力-应变曲线图：图 5.5应力-应变曲线图一图 5.6 应力-应变曲线图二图 5.7 应力-应变曲线图三通过三个材料属性的曲线图的比较，在主要的变形区我们选用66063T6，它有较高的屈服强度和抗弯强度，能够吸收大部分的冲击能量。在辅助吸能区选用6061T6，它的抗弯强度低，但屈服强度高，相比5052H32性能更优。5.5.3 模拟碰撞局部变形图图 5.8 变形图一图 5.9 变形图二由图中明显看出了吸能区的变形，但是由于吸能区后边的支撑板的强度和刚度不够，发生了剧烈的变形导致吸能区的变形不充分，即没有起到充分吸能的作用，导致变形失效。5.5.4 能量曲线图图 5.10 能量曲线计算模型总体能量守恒，沙漏能小于5%，在允许范围内。5.5.5 吸能区域能量分布图 5.11 吸能曲线前部吸能区域包括防撞梁及吸能盒吸能达62%，但是吸能分布不均匀。5.5.6 吸能区域各部件吸能图 5.12 吸收能量分布由此图可以看出主要的吸能区为前防撞梁下梁、左前防撞梁上连接梁以及右前防撞梁上连接梁，和3.3中吸能区的划分基本相同。5.5.7 整车加速度曲线图 5.13 加速度曲线整车碰撞时间为19ms，加速度峰值92g。5.5.8 总结根据分析结果，加速度最大值偏大，结合车体前端在碰撞中溃缩较快，前端整体结构刚度偏大。5.6 结构优化签于5.4所得结果不能满足碰撞安全性的要求，我们对车头骨架进行了一定的改进，和原图的对比较如下：图 5.14 改进前的模型图 5.15 改进后的数模相对于