汽车车身设计第六章.ppt
普通高等教育“十一五”国家级规划教材汽车车身设计,第六章 车身结构抗撞性,提纲,第一节 概述一、汽车碰撞的形式二、被动安全性法规与新车评估程序第二节 车身抗撞性设计要求一、乘员伤害的原因和伤害机理二、抗撞性设计要求和对结构抗撞性的规定第三节 车身抗撞性分析方法和模拟技术一、抗撞性分析方法和模拟技术的发展二、整车碰撞模拟模型的建立三、碰撞模拟结果的分析,第四节 结构抗撞性设计一、基本原理二、主要内容三、刚度组织与设计四、吸能设计五、材料和工艺的考虑第五节 碰撞模拟的基本理论一、物体变形过程描述二、控制方程三、空间有限元离散化四、单元积分和沙漏控制五、时间积分与时间步长控制第六节 抗撞性试验一、抗撞性试验分类二、整车碰撞试验三、零部件试验,汽车保有量的增加，汽车道路交通事故逐年上升，已成为全球范围内的一大公害例：美国1994年因汽车交通事故死亡的人数达43536人，约占各种事故造成的死亡人数总数的一半保证碰撞时乘员的安全、减少事故造成的损失，具有重要的现实意义安全已经和节能、环保一起成为当今汽车发展的三大主题,第一节 概述一、汽车碰撞的形式二、被动安全性法规与新车评估程序,世界汽车工业不断发展壮大,高速公路不断增多,交通事故驾驶员本身道路环境气候汽车技术状态,汽车行驶安全性,汽车安全性主动安全性汽车所具有的减少交通事故发生概率的能力研究内容包括汽车的操纵稳定性能、制动性能、灯光系统和驾驶员视野性能等被动安全性汽车所具有的在交通事故发生时保护乘员免受伤害的能力研究内容包括车身结构抗撞性、约束系统性能、转向系统的防伤性能等“抗撞性”汽车结构在碰撞过程中保护乘员的能力这种保护能力主要由车身结构提供,第一节 概述一、汽车碰撞的形式二、被动安全性法规与新车评估程序,通常将汽车的碰撞形式分为正面碰撞、侧面碰撞、后面碰撞和滚翻在交通事故中，发生不同形式碰撞的比例不同正碰：占总数67。由于已采取了很多成功措施，人员死亡数只占汽车碰撞事故总死亡人数的31侧碰：占总数28。由于对乘员的保护比正碰困难，人员死亡数占汽车碰撞事故总死亡人数的34滚翻：发生的比例虽很小，但死亡率很高，死亡人数占碰撞事故死亡总人数的33，多数是由于乘员被甩出乘员舱造成的，在死亡的乘员中只有13系上了安全带后碰：发生的比例也很小，且通常是低速碰撞，死亡比例低，颈部的鞭梢性伤害是经常出现的伤害形式,第一节 概述一、汽车碰撞的形式二、被动安全性法规与新车评估程序,目前，关于汽车被动安全性要求的公开规范主要有法规和民间性质的评价程序规定了对汽车被动安全性的要求和规范化的试验方法为车身结构抗撞性设计指明了目标,第一节 概述一、汽车碰撞的形式二、被动安全性法规与新车评估程序,（一）被动安全性法规汽车产品认证制度，是国家对汽车产品管理的一种方式，产品只有通过认证，才能在市场上销售。汽车安全法规已经成为推动汽车工业技术进步和不断提高汽车安全性的主要动力之一汽车安全性法规中比较有代表性的是美国联邦机动车安全法规（FMVSS）和欧洲法规（ECE和EEC），其它如日本、加拿大、澳大利亚等国家的法规基本上是参考美国和欧洲的法规制定的我国汽车安全性法规的制定工作起步比较晚、起点比较低，但是也陆续制定了许多强制性汽车安全法规,第一节 概述一、汽车碰撞的形式二、被动安全性法规与新车评估程序,（一）被动安全性法规1美国汽车被动安全法规美国联邦机动车安全法规FMVSS，是在美国国家交通及机动车安全法的授权下，由美国运输部（DOT）下属的国家公路交通安全管理局（NHTSA）制定的，它们都被收录在联邦法规集（CFR）第49篇第571部分从1968年1月10日实行以来，经过不断的修改，各条款的要求越来越严格FMVSS将汽车的安全问题主要分为三大部分第一部分是主动安全法规，在FMVSS的100系列编号之内第二部分是被动安全法规，属于FMVSS中200系列编号之内第三部分是防止发生撞车火灾事故的法规，分别在FMVSS中300系列编号之内,第一节 概述一、汽车碰撞的形式二、被动安全性法规与新车评估程序,（一）被动安全性法规1美国汽车被动安全法规,第一节 概述一、汽车碰撞的形式二、被动安全性法规与新车评估程序,（一）被动安全性法规2欧洲汽车被动安全法规欧洲各国除了有自己的汽车法规外，主要有两个地区性的汽车法规联合国欧洲经济委员会（ECE）制定的汽车法规：由各国任意自选，是非强制性的欧洲经济共同体（EEC）制定的指令：作为各成员国的统一法规，是强制性的EEC指令从法规内容看，与ECE法规大多数项目基本相同,第一节 概述一、汽车碰撞的形式二、被动安全性法规与新车评估程序,（一）被动安全性法规2欧洲汽车被动安全法规,第一节 概述一、汽车碰撞的形式二、被动安全性法规与新车评估程序,（一）被动安全性法规3我国汽车被动安全的强制性标准和法规以欧洲ECE/EEC汽车技术法规体系为主要参考，在具体内容上紧跟欧、美、日三大汽车法规体系的协调成果从技术要求角度看，内容与国际上先进的法规体系基本相同从1993年第一批强制性标准发布以来，汽车安全方面的标准共有66项，其中主动安全23项，被动安全24项，一般安全19项,第一节 概述一、汽车碰撞的形式二、被动安全性法规与新车评估程序,（一）被动安全性法规3我国汽车被动安全的强制性标准和法规中国汽车技术法规体系CMVDR是参照ECE法规体系建立的，1999年10月28日，原国家机械工业局颁布了中国第一项汽车技术法规CMVDR294关于正面碰撞乘员保护的设计规则，到目前为止已经颁布了40项CMVDR,第一节 概述一、汽车碰撞的形式二、被动安全性法规与新车评估程序,（二）新车评估程序新车评估程序（NCAP）1978年首先在美国开始，主要目的是为消费者提供汽车安全性能准确和全面的信息，以帮助他们做出购车决定NCAP通过市场激励机制，促使汽车生产厂商自主地开发出能在碰撞中更好保护乘员的汽车与强制性汽车安全法规相比，NCAP有以下几个特点执行机构的中立性质试验内容更严格和全面对试验结果的评价更加细化,第一节 概述一、汽车碰撞的形式二、被动安全性法规与新车评估程序,（二）新车评估程序现在，开展NCAP的主要有美国、欧洲、日本、澳大利亚和我国等国家美国US-NCAP：从1978年开始，由国家公路交通安全管理局负责进行。所进行的试验包括与刚性固定壁障的正面碰撞试验、移动可变形壁障与静止试验车侧面碰撞试验和汽车抗滚翻试验欧洲EURO-NCAP：从1997年开始，所进行的试验包括与可变形固定壁障40重叠率的正面碰撞试验、移动可变形壁障与静止试验车侧面碰撞试验、横向移动试验车侧面撞击刚性柱形障碍物试验和撞行人试验我国C-NCAP：,第一节 概述一、汽车碰撞的形式二、被动安全性法规与新车评估程序,(一)乘员伤害的原因1）生存空间丧失乘员舱外部结构的侵入或乘员舱的变形，导致乘员生存空间的丧失，使乘员受到挤压或撞击例：正碰，转向盘将乘员挤在座椅靠背上侧碰，受撞击后侵入乘员舱的侧门直接撞击乘员滚翻事故，车顶结构严重挤压变形使乘员头部受到挤压等,第二节 车身抗撞性设计要求一、乘员伤害的原因和伤害机理二、抗撞性设计要求和对结构抗撞性的规定,(一)乘员伤害的原因2）二次碰撞碰撞中，乘员生存空间未丧失情况下，乘员与汽车内部结构的碰撞或被抛出车外被称为二次碰撞，这也是造成碰撞中乘员伤害的一类主要原因措施座椅和安全带对乘员的约束通过内部吸能装置,第二节 车身抗撞性设计要求一、乘员伤害的原因和伤害机理二、抗撞性设计要求和对结构抗撞性的规定,(一)乘员伤害的原因3）碰撞后不能快速逃逸与被救援汽车发生碰撞事故后，若乘员不能及时逃逸或被救援，也会使伤害加重例：碰撞乘员失血，且不能及时逃逸或被救，可能出现由于失血过多而导致死亡的危险碰撞后不能快速逃逸与被救援的主要结构原因：乘员逃逸空间丧失了如：驾驶员被挤住了或安全带卡住了碰撞后用于乘员逃逸或被救援的车门难以被打开,第二节 车身抗撞性设计要求一、乘员伤害的原因和伤害机理二、抗撞性设计要求和对结构抗撞性的规定,(一)乘员伤害的原因4）碰撞火灾碰撞后，如果燃油系统发生泄漏，就可能导致火灾，这也会造成对乘员的伤害,第二节 车身抗撞性设计要求一、乘员伤害的原因和伤害机理二、抗撞性设计要求和对结构抗撞性的规定,（二）乘员伤害机理进行车身抗撞性设计的最终目的，是保护汽车碰撞事故中人员的安全了解汽车碰撞事故中乘员伤害的机理，有助于将各种碰撞形式下对乘员保护的要求，转化为对车身结构碰撞响应特性的要求，以有的放矢的进行车身结构抗撞性的设计,第二节 车身抗撞性设计要求一、乘员伤害的原因和伤害机理二、抗撞性设计要求和对结构抗撞性的规定,（二）乘员伤害机理1头部伤害一般都是由冲击产生颅骨与脑的相对运动而引起的脑伤害的主要原因是作用在脑本体的正压力、负压力和由压力梯度引起的剪切作用，或者说是脑本体相对于颅骨的运动为了防止碰撞中对乘员头部的伤害，应当减小头部受到的冲击或头部的减速度,第二节 车身抗撞性设计要求一、乘员伤害的原因和伤害机理二、抗撞性设计要求和对结构抗撞性的规定,（二）乘员伤害机理2颈部伤害汽车碰撞事故中，颈部受碰撞的情况不超过4。但颈部受极轻的冲击，也容易留下很麻烦的后遗症。脊髓受到暂时性撞击或挤压，也会产生对脊髓的伤害颈部伤害的机理：椎体相互间前后方向错动产生的剪切力使脊髓损伤脊柱向前弯曲或向后伸展产生过大拉伸或压缩引起的损伤因压缩产生的椎间盘突出引起的损伤由于椎体骨折引起的损伤,第二节 车身抗撞性设计要求一、乘员伤害的原因和伤害机理二、抗撞性设计要求和对结构抗撞性的规定,（二）乘员伤害机理2颈部伤害后碰引起的“鞭梢综合症”是颈部被头部惯性力过度拉伸的结果在使用安全气囊的情况下，当前排乘员的位置不正确或驾驶员的身材较矮小时，气囊的展开可能会造成颈部的拉伸伤害,第二节 车身抗撞性设计要求一、乘员伤害的原因和伤害机理二、抗撞性设计要求和对结构抗撞性的规定,（二）乘员伤害机理2颈部伤害由压缩引起的颈部伤害从顶部对头的冲击造成的，冲击对颈部产生很大的压缩载荷，并伴有弯曲载荷头部、颈部的初始方位和表面摩擦决定了颈部所受弯曲载荷的大小,第二节 车身抗撞性设计要求一、乘员伤害的原因和伤害机理二、抗撞性设计要求和对结构抗撞性的规定,（二）乘员伤害机理3胸部伤害严重汽车碰撞事故中，作用在胸部的载荷经常大得足以折断肋骨和胸骨，撕裂胸部大动脉，心脏和肺也会被折断的肋骨端部割伤。事故死因的3540是胸部大动脉被撕裂。对胸部前面和侧面的撞击都会导致大动脉的破裂由于胸腔内组织的粘弹性特性，胸部伤害的形式还决定于载荷的速度对胸部撞击速度小于3m/s的低速载荷，胸部伤害主要是由于对胸腔的挤压造成胸部的变形或骨折在非常高速载荷的作用下，所形成的压缩波通过胸部时，会造成肺泡组织破裂。在类似拍击的作用下，也会造成肺的挫伤、心室壁的挫伤或致命的心室纤维颤动,第二节 车身抗撞性设计要求一、乘员伤害的原因和伤害机理二、抗撞性设计要求和对结构抗撞性的规定,（二）乘员伤害机理3胸部伤害正碰乘员胸部可能与转向盘和仪表板发生高速碰撞，佩戴安全带还会受到安全带压迫，气囊过硬也会对乘员的胸部产生撞击为减轻对乘员胸部的伤害，一方面，应减少仪表板和转向盘的后移量；另一方面，对安全带、安全气囊、吸能式转向柱进行合理设计，并采用吸能式仪表板、转向盘和内饰侧碰侵入乘员舱的侧围结构会从侧面高速撞击该侧乘员胸部为减小对乘员胸部的伤害，不仅要控制侧面结构对乘员舱的侵入量，还应当减小其侵入后撞击乘员的速度,第二节 车身抗撞性设计要求一、乘员伤害的原因和伤害机理二、抗撞性设计要求和对结构抗撞性的规定,（二）乘员伤害机理4腹部伤害对腹部的伤害取决于作用力的强度和速度内脏的伤害多为因强烈打击引起的挫伤、裂伤。实体器官比中空器官更容易受到伤害。肝脏和脾脏受伤害的频率较高，对它们的伤害会危及生命正碰：对腹部的伤害常由于方向盘的挤压或撞击、安全带的作用造成侧碰：对腹部的伤害一般是由侵入乘员舱的侧围结构从侧面撞击和挤压乘员腹部造成的,第二节 车身抗撞性设计要求一、乘员伤害的原因和伤害机理二、抗撞性设计要求和对结构抗撞性的规定,（二）乘员伤害机理5骨盆伤害正碰对骨盆的伤害通常是由于膝盖撞击仪表板造成的大腿骨的头部被推向关节窝，如果髋部是外展的，对大腿骨向后的撞击可能引起髋关节脱臼。如果大腿被挤在座椅靠背与仪表板之间，骨盆可能会在骶骨关节与骶骨分离侧碰车门撞击股骨大转子，导致向内侧推髋关节窝。最经常出现的伤害是髋骨臼部骨折当从侧面撞击大腿时，也常发生髋骨臼部骨折或髋关节脱臼,第二节 车身抗撞性设计要求一、乘员伤害的原因和伤害机理二、抗撞性设计要求和对结构抗撞性的规定,（二）乘员伤害机理6下肢伤害下肢由三个主要人体部位和两个高度灵活的关节组成三个人体部位分别是大腿、小腿和脚两个高度灵活的关节是膝关节和踝关节正碰：对驾驶员放脚空间的较大侵入，经常造成对下肢关节和骨骼的伤害除非是大出血，这种伤害一般不会危及生命，但往往留下比较严重的后遗症,第二节 车身抗撞性设计要求一、乘员伤害的原因和伤害机理二、抗撞性设计要求和对结构抗撞性的规定,（二）乘员伤害机理6下肢伤害1）膝关节膝盖与仪表板接触时，经常会发生膝盖伤害以前的汽车碰撞事故中，会发生小腿在膝盖以下受到仪表板撞击而膝盖没有与仪表板接触的情况，这时，常会发生十字韧带的撕裂现在，汽车仪表板下部都有一个向远离乘员方向倾斜的斜面，从而在碰撞中保护了十字韧带。但汽车的仪表板仍然有相对较硬的表面，当膝盖与其接触时，仍会导致膝盖骨的骨折,第二节 车身抗撞性设计要求一、乘员伤害的原因和伤害机理二、抗撞性设计要求和对结构抗撞性的规定,（二）乘员伤害机理6下肢伤害2）踝关节对踝关节一般伤害的包括中间和侧面脚踝骨的骨折、跗骨颈部和胫骨末端的骨折。软组织伤害包括围绕在踝关节四周的韧带撕裂在碰撞事故中，对放脚空间的侵入会使脚向脚面相反方向或外侧弯曲。这些旋转运动是导致踝关节骨折和韧带损伤的主要原因,第二节 车身抗撞性设计要求一、乘员伤害的原因和伤害机理二、抗撞性设计要求和对结构抗撞性的规定,（二）乘员伤害机理6下肢伤害3）长骨骨折下肢长骨包括股骨、胫骨和腓骨在弯曲载荷的作用下，会发生股骨和胫骨中间折断对于股骨，当膝盖插入较软的仪表板的时候，作用在膝盖上的力会产生这种弯曲力矩胫骨中间折断一般由于力直接作用在骨的中段造成。当小腿与仪表板底部过渡处结构撞击时，会产生这种伤害,第二节 车身抗撞性设计要求一、乘员伤害的原因和伤害机理二、抗撞性设计要求和对结构抗撞性的规定,（二）乘员伤害机理6下肢伤害4）脚骨骨折对放脚空间的侵入往往会造成脚骨损伤如：制动踏板在碰撞中的运动会折断蹠骨，造成脚向脚面相反方向的运动，会导致在跗骨的颈部发生骨折,第二节 车身抗撞性设计要求一、乘员伤害的原因和伤害机理二、抗撞性设计要求和对结构抗撞性的规定,（三）乘降和侵入速度对乘员伤害的影响1“乘降”的概念在正面碰撞乘员保护中，乘降是一个重要的概念，它是指碰撞过程中乘员的一部分初始动能在汽车减速过程中被消耗乘降可以减小约束系统对乘员胸部的作用力，这对减轻乘员胸部、头部和颈部伤害都有利,第二节 车身抗撞性设计要求一、乘员伤害的原因和伤害机理二、抗撞性设计要求和对结构抗撞性的规定,（三）乘降和侵入速度对乘员伤害的影响,第二节 车身抗撞性设计要求一、乘员伤害的原因和伤害机理二、抗撞性设计要求和对结构抗撞性的规定,（三）乘降和侵入速度对乘员伤害的影响例：,第二节 车身抗撞性设计要求一、乘员伤害的原因和伤害机理二、抗撞性设计要求和对结构抗撞性的规定,乘员胸部合成加速度最大值随着乘降效率的提高而降低汽车同样初速度条件下，将正面碰撞中车身减速度设计得小一些，汽车的压缩变形量就会大一些，就提高乘降效率，乘员胸部合成减速度就小，对乘员的伤害就小，乘员头部和颈部伤害通常也会减小,正面碰撞US-NCAP,（三）乘降和侵入速度对乘员伤害的影响2车门侵入速度对乘员伤害的影响以移动可变形壁障（MDB）从侧面撞击静止试验车为例。在碰撞中，将发生如下的动量交换主要动量交换发生在MDB与被撞车辆之间。随着MDB速度的减小，被撞车辆的刚体速度逐渐增加，直到它们相同为止车门与MDB之间的动量交换。车门迅速获得与MDB相同的速度侵入乘员舱的车门与静止的侧面碰撞假人（SID）接触时的动量交换。被快速侵入的车门撞击后，假人在侧向方向上迅速加速,第二节 车身抗撞性设计要求一、乘员伤害的原因和伤害机理二、抗撞性设计要求和对结构抗撞性的规定,（三）乘降和侵入速度对乘员伤害的影响,第二节 车身抗撞性设计要求一、乘员伤害的原因和伤害机理二、抗撞性设计要求和对结构抗撞性的规定,（一）车身抗撞性设计要求1正面碰撞1）确保乘员生存空间，减小乘员舱变形和对乘员舱的侵入2）减小车身减速度3）碰撞过程中车门不能打开。碰撞后可以不使用工具打开车门,第二节 车身抗撞性设计要求一、乘员伤害的原因和伤害机理二、抗撞性设计要求和对结构抗撞性的规定,（一）车身抗撞性设计要求2侧面碰撞抗侧面碰撞设计应当以减小乘员舱侵入、维持乘员生存空间为重点1）减小侧围结构对乘员舱的侵入量，防止侵入量过大时对乘员的挤压伤害2）减小侧围结构对乘员舱的侵入速度，特别是与乘员接触时车门的速度，减轻对乘员的撞击力3）碰撞过程中车门不能打开。碰撞后可以不使用工具打开非碰撞侧的车门,第二节 车身抗撞性设计要求一、乘员伤害的原因和伤害机理二、抗撞性设计要求和对结构抗撞性的规定,（一）车身抗撞性设计要求3后面碰撞1）减小乘员舱变形。通常用后排座位R点的前移量来衡量2）减小碰撞中车身的减速度，减轻乘员的鞭梢性伤害3）在碰撞中维持油箱的存放空间，减小对油箱、油路挤压,第二节 车身抗撞性设计要求一、乘员伤害的原因和伤害机理二、抗撞性设计要求和对结构抗撞性的规定,（一）车身抗撞性设计要求4滚翻1）减小乘员舱的变形量，特别是车顶的变形2）要求碰撞过程中车门不能打开。碰撞后可以不使用工具打开车门,第二节 车身抗撞性设计要求一、乘员伤害的原因和伤害机理二、抗撞性设计要求和对结构抗撞性的规定,（一）车身抗撞性设计要求5低速碰撞主要避免汽车重要部件的损坏，减少因撞车带来的维修费用要求设置低速碰撞吸能区，使低速碰撞车辆的动能主要通过低速碰撞吸能区的变形被吸收，并尽量不使低速碰撞吸能区后部的车身主要结构发生永久变形,第二节 车身抗撞性设计要求一、乘员伤害的原因和伤害机理二、抗撞性设计要求和对结构抗撞性的规定,（一）车身抗撞性设计要求6行人保护撞行人时，汽车对行人的伤害一般包括一次碰撞时由保险杠、前散热器罩和发动机罩前端等产生的下肢伤害行人与发动机罩、挡风玻璃等二次碰撞时的头部伤害受撞击后的行人与路面三次碰撞产生的伤害车身结构设计时应将相关部位的刚度设计得软一些，以缓冲对人体的撞击在行人保护措施中，应防止车外凸出物对行人的伤害,第二节 车身抗撞性设计要求一、乘员伤害的原因和伤害机理二、抗撞性设计要求和对结构抗撞性的规定,（二）法规中有关车身结构抗撞性的规定美国：没有对车身结构抗撞性性进行详细规定ECE R33对正面碰撞中被撞汽车结构的性能进行了规定，适用于M1类车辆碰撞后，通过座椅R点的横向平面与通过仪表板最后边投影线的横向平面间的距离不小于450mm；碰撞后，通过座椅R点的横向平面与通过制定踏板中心的横向平面间的距离不小于650mm；放脚位置空间的左右隔板间的距离不小于250mm；汽车地板与顶棚的距离减少量不超过10；碰撞过程中车门被不能撞开；碰撞后，侧门应能不使用工具被打开我国被动安全法规也仅对作为最终指标的乘员伤害等内容进行了规定，没有详细规定车身结构的碰撞性能,第二节 车身抗撞性设计要求一、乘员伤害的原因和伤害机理二、抗撞性设计要求和对结构抗撞性的规定,（三）NCAP进行碰撞结果评价时对结构因素的考虑美国的NHTSA对NCAP的试验结果进行评价时，没有包括对结构因素的详细考虑欧洲和日本的NCAP对正面碰撞结果评价时，都考虑了结构因素的影响，关心乘员生存空间的保持和碰撞后逃逸和救援的难易度：仪表板的运动转向盘的运动放脚空间的变形踏板的运动车门开口的变形碰撞中车门是否打开和碰撞后车门开启的难易在对侧面碰撞结果进行评价时，对结构因素的考虑较少,第二节 车身抗撞性设计要求一、乘员伤害的原因和伤害机理二、抗撞性设计要求和对结构抗撞性的规定,（一）车身抗撞性分析方法的发展上世纪60年代末以前，汽车对障碍物的碰撞试验是评价汽车抗撞性唯一可用的方法缺点是研发周期长、成本高，并且无法在汽车重量和抗撞性方面使设计达到最优化上世纪60年代以后，大量应用汽车碰撞模拟技术通过数值模拟技术在车身结构设计中的应用，设计人员实现了对最终设计的更有效控制，减小了设计风险,第三节 车身抗撞性分析方法和模拟技术一、抗撞性分析方法和模拟技术的发展二、整车碰撞模拟模型的建立三、碰撞模拟结果的分析,（二）碰撞模拟技术的发展上世纪70年代初，美国通用汽车公司的Kamal等人就使用图66所示的凝聚参数模型研究汽车的抗撞性上世纪70年代中期，显式非线性有限元技术解决结构高速撞击问题现在，电脑计算能力提高，商业化软件功能增强、可靠性提高,第三节 车身抗撞性分析方法和模拟技术一、抗撞性分析方法和模拟技术的发展二、整车碰撞模拟模型的建立三、碰撞模拟结果的分析,（二）碰撞模拟技术的发展常用的显式非线性有限元软件DYNA3D（LS-DYNA3D和OASYS-DYNA3D）MSC/DYTRANESI/PAM-CRASH软件的核心都以美国Lawrence Livermore国家试验室在上个世纪70年代开发的DYNA公开版的理论为基础,第三节 车身抗撞性分析方法和模拟技术一、抗撞性分析方法和模拟技术的发展二、整车碰撞模拟模型的建立三、碰撞模拟结果的分析,BMW X5正面碰撞仿真和试验,（三）碰撞模拟的应用设计的不同阶段，分析工作的内容不同，建模思想也不相同，用于碰撞模拟的模型有时会有较大的差别碰撞模拟在车身结构设计中的应用分为三个阶段概念开发阶段结构设计阶段结构确认阶段,第三节 车身抗撞性分析方法和模拟技术一、抗撞性分析方法和模拟技术的发展二、整车碰撞模拟模型的建立三、碰撞模拟结果的分析,（三）碰撞模拟的应用1在概念开发阶段的应用对于全新设计，在设计初期进行抗撞性分析时，主要问题是如何将对汽车被动安全性的最终要求转化为对车身结构设计的具体要求；可根据对标确定，也可通过分析的方法确定在通过分析方法确定对车身结构抗撞性设计的具体要求时，通常采用简化模型参数少、改动灵活、计算迅速，便于进行设计优化或对不同设计方案进行快速评估可用于此阶段的模型：凝聚参数模型、基于有限元理论的参数化模型和基于多体理论的参数化模型通过模型分析，可以进行结构刚度组织；可得出对主要元件刚度或吸能特性的具体要求在概念设计阶段，对每个设计方案各主要性能的分析是同时进行的，此阶段的成果也是多种约束综合作用的结果,第三节 车身抗撞性分析方法和模拟技术一、抗撞性分析方法和模拟技术的发展二、整车碰撞模拟模型的建立三、碰撞模拟结果的分析,（三）碰撞模拟的应用2在结构设计阶段的应用要实现上一阶段提出的对主要元件特性的要求结构分析工作主要有两类对不同设计方案进行比较在分析原设计方案的基础上提出改进建议对设计方案进行评价是核心工作,第三节 车身抗撞性分析方法和模拟技术一、抗撞性分析方法和模拟技术的发展二、整车碰撞模拟模型的建立三、碰撞模拟结果的分析,（三）碰撞模拟的应用3在结构确认阶段的应用包括两个方面需通过真实试验对以前的工作进行确认在整个车身结构设计完成一轮之后，需使用虚拟试验的方法进行评价，如果不满意，则提出改进意见，转入相应的设计修改循环；如果满意就可以进行真实试验在结构确认阶段所进行的工作包括对所有车身结构性能的评价，这其中很重要一项就是对车身结构抗撞性的评价在计算条件允许的情况下，模型应当尽量详细,第三节 车身抗撞性分析方法和模拟技术一、抗撞性分析方法和模拟技术的发展二、整车碰撞模拟模型的建立三、碰撞模拟结果的分析,（一）车身模型的建立几何模型的简化零件有限元模型的建立各零件有限元网格的装配各零件材料特性和厚度的给定点焊联接的模拟,第三节 车身抗撞性分析方法和模拟技术一、抗撞性分析方法和模拟技术的发展二、整车碰撞模拟模型的建立三、碰撞模拟结果的分析,（二）其它部分模型的建立1刚硬结构的模拟刚体用来模拟结构中不变形的部分模拟发动机、变速器和离合器等2杆形结构的模拟杆形结构，根据它们在碰撞中的表现，采用不同的模拟方式发生严重塑性变形：用实体单元模拟没有发生塑性变形或塑性变形很微小：用梁单元模拟不变形：用一个或多个梁单元模拟3机构的模拟运动副模拟，采用梁单元，通过松弛节点自由度的方式模拟4轮胎弹性的模拟对于车轮布置靠前的车辆，轮胎通过其弹性变形参与吸能过程，并影响前端结构的变形5惯性的调整1）改变材料的密度2）增加集中质量3）改变刚体的惯性属性,第三节 车身抗撞性分析方法和模拟技术一、抗撞性分析方法和模拟技术的发展二、整车碰撞模拟模型的建立三、碰撞模拟结果的分析,例某微型客车底盘和整车的有限元模型节点65431个单元64825个体单元5114个壳单元59503个梁单元204个杆单元6个,第三节 车身抗撞性分析方法和模拟技术一、抗撞性分析方法和模拟技术的发展二、整车碰撞模拟模型的建立三、碰撞模拟结果的分析,（三）模型验证建立有限元模型之后，应当用试验数据对仿真结果进行模型检验通过试验数据检验之后，模型才可以用于进一步的研究工作,第三节 车身抗撞性分析方法和模拟技术一、抗撞性分析方法和模拟技术的发展二、整车碰撞模拟模型的建立三、碰撞模拟结果的分析,进行整车或部件的碰撞模拟的目的是评价其抗撞性通常对碰撞模拟计算结果进行的分析包括有能量分析力分析变形分析刚度分析应力分析减速度分析速度分析碰撞时序分析等,第三节 车身抗撞性分析方法和模拟技术一、抗撞性分析方法和模拟技术的发展二、整车碰撞模拟模型的建立三、碰撞模拟结果的分析,（一）能量分析碰撞中车辆是通过结构吸能来缓冲撞击的，了解碰撞中结构内能变化情况，将为汽车碰撞中的能量管理提供依据分析项目碰撞过程中汽车总内能和总动能的变化情况单个部件内能的变化情况各零件吸能多少的比较例：为某轿车（总质量为1300kg）的碰撞有限元模型和正面碰撞时前部主要吸能结构吸能情况对比。碰撞模拟是按照美国NCAP规定进行的,第三节 车身抗撞性分析方法和模拟技术一、抗撞性分析方法和模拟技术的发展二、整车碰撞模拟模型的建立三、碰撞模拟结果的分析,（二）力分析分析碰撞载荷在结构中的传递情况，找到载荷传递的主要路径和次要路径，并据此开展设计对于截面内力，只要定义了截面，就可以得到这个计算结果。但由于舍入误差带来的高频干扰，这些力时间历程的原始数据一般要经过滤波，滤波器的选取应当按照相应的标准进行,第三节 车身抗撞性分析方法和模拟技术一、抗撞性分析方法和模拟技术的发展二、整车碰撞模拟模型的建立三、碰撞模拟结果的分析,（三）变形分析碰撞过程中对乘员舱的侵入是衡量车身结构抗撞性的主要内容，可通过取碰撞过程中基本不变形区上的一个点作为参考点，来进行各点的位移描述,第三节 车身抗撞性分析方法和模拟技术一、抗撞性分析方法和模拟技术的发展二、整车碰撞模拟模型的建立三、碰撞模拟结果的分析,评价微型客车正面抗撞性的变形量L1 仪表板后移量；通过座椅R点的横向平面和通过仪表板最后边投影线的横向距离的变化量L2 转向盘上移量；转向盘中心点和参考点O的X方向距离L3 转向盘后移量；转向盘中心点和参考点O的Z方向距离L4 制动踏板后移量；L5、L6和L7 前门框变形,（三）变形分析通过图片或图像可定性分析车身结构的变形情况。特别是，车身动态变形的试验数椐包含的信息量很大,第三节 车身抗撞性分析方法和模拟技术一、抗撞性分析方法和模拟技术的发展二、整车碰撞模拟模型的建立三、碰撞模拟结果的分析,微型客车正面碰撞开始后20ms、60ms和100ms时，车身变形计算结果和试验结果的对比,（四）刚度特性分析合理组织车身结构各部位的刚度是结构抗撞性设计的重要内容通常分析其受力与变形的关系曲线。得到碰撞过程中结构截面内力的时间历程曲线和变形的时间历程曲线后，可绘出结构的刚度特性曲线 可将刚性墙划分为几部分，分别研究各刚性墙对应车身结构的刚度情况,第三节 车身抗撞性分析方法和模拟技术一、抗撞性分析方法和模拟技术的发展二、整车碰撞模拟模型的建立三、碰撞模拟结果的分析,（五）减速度分析碰撞过程中车身的减速度也是评价其抗撞性的主要内容之一使用有限元软件进行整车碰撞后，将相应的结果输出作为多体软件的输入，进行乘员及其约束系统的仿真时,车身减速度是前者为后者提供的主要数据之一模型检验时，车身减速度试验结果与计算结果的对比也是一个重要内容提取车身减速度时，测点位置的选择要求测点是车身上基本不变形区上的点，并尽量减少碰撞过程中该点运动对测量结果的影响正面和后面碰撞中，通常在B柱下方靠近B柱的位置取测量点,第三节 车身抗撞性分析方法和模拟技术一、抗撞性分析方法和模拟技术的发展二、整车碰撞模拟模型的建立三、碰撞模拟结果的分析,（五）减速度分析车身减速度时间历程的原始数据一般需要滤波，滤波器的选取应当按照相应的标准进行例：轿车正面碰撞模拟按照美国NCAP轿车后面碰撞模拟按照美国FMVSS301后面碰撞时，移动刚性壁障的速度被提高到了56km/h,第三节 车身抗撞性分析方法和模拟技术一、抗撞性分析方法和模拟技术的发展二、整车碰撞模拟模型的建立三、碰撞模拟结果的分析,（六）速度分析速度分析也是经常分析的项目，如侧面碰撞中车门对乘员舱的侵入速度对于乘员伤害的情况就很重要侧碰中车门对乘员舱的侵入速度可以通过目标点与参考点速度时间历程曲线相减得到要求参考点是车身上基本不变形的点，如侧面碰撞中非撞击侧门槛梁上的节点,第三节 车身抗撞性分析方法和模拟技术一、抗撞性分析方法和模拟技术的发展二、整车碰撞模拟模型的建立三、碰撞模拟结果的分析,（七）碰撞时序分析碰撞时序分析的内容是各零件在碰撞过程中参与碰撞变形或受力的时间顺序将这种分析与前面的分析内容结合起来，往往可以发现结构设计与碰撞结果的关联,第三节 车身抗撞性分析方法和模拟技术一、抗撞性分析方法和模拟技术的发展二、整车碰撞模拟模型的建立三、碰撞模拟结果的分析,（一）撞击缓冲在正碰和后碰中，为了减小车身的减速度，应将乘员舱前部和后部结构设计得软一些乘员舱前、后部结构也不能设计得太软,第四节 结构抗撞性设计一、基本原理二、主要内容三、刚度组织与设计四、吸能设计五、材料和工艺的考虑,（二）安全框架为了提高框架结构抵抗载荷的能力，应当：提高接头结构的刚度，防止发生铰链效应；提高纵梁的轴向压缩刚度，以实现载荷的均匀分担；提横梁的弯曲刚度为提高结构的效率，必须合理匹配结构构件的刚度,第四节 结构抗撞性设计一、基本原理二、主要内容三、刚度组织与设计四、吸能设计五、材料和工艺的考虑,（一）车身结构与抗撞性相关的特点对于承载式车身存在许多薄壁梁形的结构一般由薄板件经点焊联接后形成截面有封闭的，也有不封闭的接头特性对车身结构的力学性能有较大的影响车身结构中还存在大量的板壳结构，如车门内、发动机舱、行李舱舱盖、顶盖、翼子板等车身结构的抗撞性主要是由薄壁梁形结构和接头组成的框架结构决定的，它们在碰撞过程中吸收大部分的碰撞动能，为乘员舱提供大部分的刚性,第四节 结构抗撞性设计一、基本原理二、主要内容三、刚度组织与设计四、吸能设计五、材料和工艺的考虑,（二）车身抗撞性设计的主要内容1车身结构刚度组织1）合理组织结构的吸能2）合理组织碰撞载荷的传递：减小乘员舱的变形或对乘员舱的侵入为吸能结构提供牢固、稳定的支撑，保证吸能元件吸能能力的实现使承载能力强的元件分担多的载荷，承载能力弱的元件分担少量的载荷使尽可能多的结构元件参与载荷的传递，以提高材料的使用效率,第四节 结构抗撞性设计一、基本原理二、主要内容三、刚度组织与设计四、吸能设计五、材料和工艺的考虑,（二）车身抗撞性设计的主要内容2车身结构刚性设计目的是减小乘员舱在各种碰撞形式中的变形，保证乘员的生存空间梁形结构和接头的设计，在满足重量约束条件下，达到刚度组织中对部件刚度的要求，使乘员舱的刚度满足要求,第四节 结构抗撞性设计一、基本原理二、主要内容三、刚度组织与设计四、吸能设计五、材料和工艺的考虑,（二）车身抗撞性设计的主要内容3车身结构吸能设计在正面和后面碰撞中，允许通过车身前部或后部结构的变形缓冲撞击，减小碰撞过程中车身的减速度如何在车身前部或后部结构允许变形区有限的情况下很好的完成这一任务，就是车身结构吸能设计要完成的工作,第四节 结构抗撞性设计一、基本原理二、主要内容三、刚度组织与设计四、吸能设计五、材料和工艺的考虑,（一）正面碰撞1车身前部结构刚度设计（1）吸能的组织,第四节 结构抗撞性设计一、基本原理二、主要内容三、刚度组织与设计四、吸能设计五、材料和工艺的考虑,前部主要吸能结构的吸能对比,前部主要结构截面力的对比,乘员舱前部的纵梁是主要的吸能元件，在碰撞过程中由它向后传递的碰撞力也最大在进行吸能组织时，应充分发挥主要吸能元件的作用，使它们吸收多数的碰撞动能,（一）正面碰撞1车身前部结构刚度设计（2）吸能的管理1）正面碰撞车身减速度脉冲的波形汽车前部碰撞吸能区有限，其利用效率非常重要，决定于碰撞中车身减速度波形的效率用同样的方法也可由载荷-变形曲线关系定义结构吸能的效率,第四节 结构抗撞性设计一、基本原理二、主要内容三、刚度组织与设计四、吸能设计五、材料和工艺的考虑,A为车身减速度与其前部变形曲线所围区域的面积；A0为一个方波或矩形脉冲的减速度变形曲线（图中虚线）所围区域的面积,（一）正面碰撞1车身前部结构刚度设计（2）吸能的管理1）正面碰撞车身减速度脉冲的波形方波的减速度效率是100，是正面碰撞车身减速度的理想波形在对后部结构最大作用力一定的情况下，同样变形时吸收的动能最多在吸能相同的情况下，这样可以减小对后部结构的最大作用力和车身减速度波形的最大值可通过对前部结构吸能特性的管理实现对前部结构压缩变形量的有效利用,第四节 结构抗撞性设计一、基本原理二、主要内容三、刚度组织与设计四、吸能设计五、材料和工艺的考虑,（一）正面碰撞1车身前部结构刚度设计（2）吸能的管理2）吸能模式与对薄壁梁变形模式的要求在正面碰撞中，前部结构变形是一种轴向压溃和弯曲的混合模式弯曲变形需要的外部做功少，结构变形倾向于以弯曲为主弯曲是一种吸能效率较低的变形模式，对于纵梁，应尽可能使其变形模式为吸能效率较高的轴向压溃，防止出现吸能效率较低的弯曲变形模式车身底架纵梁通常是薄壁梁形焊接结构，对这类结构变形模式的控制具有较一般化的意义,第四节 结构抗撞性设计一、基本原理二、主要内容三、刚度组织与设计四、吸能设计五、材料和工艺的考虑,（一）正面碰撞1车身前部结构刚度设计（2）吸能的管理3）碰撞吸能区将车身前部结构划分为三个区低速碰撞和行人保护区相容吸能区在此布置主要吸能结构FF形式，发动机舱中的动力总成支撑在副车架上动力总成质量大、刚度大，受到撞击后基本不变形。受撞后，会随着支撑的变形向后运动，撞击前围板，造成对乘员舱的侵入，严重时会挤伤乘员。因此，相容吸能区常布置在这些刚硬的结构之前乘员舱保护区是吸能结构与乘员舱之间的结构这部分结构在前围板和前地板处伸到乘员舱之下,第四节 结构抗撞性设计一、基本原理二、主要内容三、刚度组织与设计四、吸能设计五、材料和工艺的考虑,（一）正面碰撞2乘员舱的刚性设计（1）载荷路径分析与设计正碰，设计碰撞传递路径时应考虑：纵向的梁形结构是乘员舱前部结构中的主要吸能部件；纵向压缩刚度大的结构，在吸收相同碰撞动能情况下，对后部支撑结构的作用力也大；若乘员舱某个部位可承受较大的纵向力，则可在其前端布置纵向压缩刚度较大的吸能结构或引导纵向压缩力由此向后传递；纵向力向后传递时，应尽量通过多个结构对其进行分流可增强对前部传递来的纵向力的支撑能力可减弱对各分支结构刚性的要求,第四节 结构抗撞性设计一、基本原理二、主要内容三、刚度组织与设计四、吸能设计五、材料和工艺的考虑,（一）正面碰撞2乘员舱的刚性设计（1）载荷路径分析与设计通常，乘员舱向后传递纵向力的主要路
