《汽車防撞梁碰撞問題的數(shù)值模擬分析》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《汽車防撞梁碰撞問題的數(shù)值模擬分析（88頁珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、編號(hào)：（ ）字 號(hào)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）汽車防撞梁碰撞問題的數(shù)值模擬分析 題目:_姓名：_ 學(xué)號(hào)： _班級(jí)：_ 中 國 礦 業(yè) 大 學(xué)本科生畢業(yè)論文姓 名： 學(xué) 號(hào)： 學(xué) 院：力學(xué)與建筑工程學(xué)院 專 業(yè)：工 論文題目：汽車防撞梁碰撞問題的數(shù)值模擬分析 指導(dǎo)教師： 職 稱：講師二一三年六月 徐州中國礦業(yè)大學(xué)畢業(yè)論文任務(wù)書學(xué)院 力學(xué)與建筑工程學(xué)院 專業(yè)年級(jí) 學(xué)生姓名 任務(wù)下達(dá)日期： 2013年 1 月 7 日畢業(yè)論文日期： 2013 年 2 月 25 日至 2013 年 6 月 16 日畢業(yè)論文題目：汽車防撞梁碰撞問題的數(shù)值模擬分析畢業(yè)論文專題題目：畢業(yè)論文主要內(nèi)容和要求：1. 通過圖書館及網(wǎng)絡(luò)查

2、閱和整理汽車防撞梁分析相關(guān)文獻(xiàn)資料，了解國能外研究現(xiàn)狀及研究方法。2. 根據(jù)查閱的文獻(xiàn)內(nèi)容，建立符合實(shí)際的汽車防撞梁模型。3. 掌握ANSYS/LS-DYNA軟件的使用，并對(duì)建立的模型進(jìn)行合理網(wǎng)格劃分、材料設(shè)定及加載。4. 考慮不同設(shè)計(jì)方案下防撞梁的防沖擊特性，比較各個(gè)參數(shù)變化對(duì)碰撞的影響，得出相關(guān)規(guī)律。5. 根據(jù)對(duì)防撞梁壁厚、截面形狀等參數(shù)的分析，制定優(yōu)化方案，按照中國新車評(píng)價(jià)規(guī)程（C-NCAP）的要求，進(jìn)行分析，得出相關(guān)結(jié)論。6. 翻譯1篇與課題相關(guān)的近三年內(nèi)發(fā)表的英文文獻(xiàn)，字?jǐn)?shù)3000左右。院長簽字： 指導(dǎo)教師簽字：中國礦業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師評(píng)閱書指導(dǎo)教師評(píng)語（基礎(chǔ)理論及基本技能的掌握

3、；獨(dú)立解決實(shí)際問題的能力；研究內(nèi)容的理論依據(jù)和技術(shù)方法；取得的主要成果及創(chuàng)新點(diǎn)；工作態(tài)度及工作量；總體評(píng)價(jià)及建議成績；存在問題；是否同意答辯等）：成 績： 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日中國礦業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)評(píng)閱教師評(píng)閱書評(píng)閱教師評(píng)語（選題的意義；基礎(chǔ)理論及基本技能的掌握；綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題的能力；工作量的大??；取得的主要成果及創(chuàng)新點(diǎn)；寫作的規(guī)范程度；總體評(píng)價(jià)及建議成績；存在問題；是否同意答辯等）：成 績： 評(píng)閱教師簽字： 年 月 日中國礦業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)評(píng)閱教師評(píng)閱書評(píng)閱教師評(píng)語（選題的意義；基礎(chǔ)理論及基本技能的掌握；綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題的能力；工作量的大?。蝗〉玫闹饕晒皠?chuàng)新點(diǎn)

4、；寫作的規(guī)范程度；總體評(píng)價(jià)及建議成績；存在問題；是否同意答辯等）：成 績： 評(píng)閱教師簽字： 年 月 日中國礦業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯及綜合成績答 辯 情 況提 出 問 題回 答 問 題正確基本正確有一般性錯(cuò)誤有原則性錯(cuò)誤沒有回答答辯委員會(huì)評(píng)語及建議成績：答辯委員會(huì)主任簽字： 年 月 日學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)小組綜合評(píng)定成績：學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)小組負(fù)責(zé)人： 年 月 日摘 要汽車防撞梁是發(fā)生碰撞時(shí)起到主要緩沖作用的構(gòu)件。主要由防撞橫梁和低速吸能盒兩個(gè)部分構(gòu)成，影響緩沖效果的因素有 ：吸能盒和防撞梁的截面、厚度 、截面大小、長度等。通過調(diào)整上述這些參數(shù)可以得到緩沖性能最好的防撞梁結(jié)構(gòu)。本文使用數(shù)值模擬的方法，分別對(duì)防撞梁和低速吸

5、能盒的參數(shù)取不同值進(jìn)行正面的碰撞模擬，提取最終的加速度變化曲線和能量變化曲線進(jìn)行對(duì)比。加速度相對(duì)小而吸收能量相對(duì)多的組合即為最優(yōu)組合。由于整個(gè)過程中可變的參數(shù)很多，不可能將所有的組合都進(jìn)行分析。所以首先進(jìn)行單個(gè)參數(shù)的變化分析，從單個(gè)參數(shù)變化中得出規(guī)律，然后根據(jù)規(guī)律組合出相對(duì)較優(yōu)的防撞梁結(jié)構(gòu)并進(jìn)行驗(yàn)證。通過上述的分析過程中最終得到研究結(jié)果大致為，低速吸能盒主要是通過薄壁梁的軸向潰縮吸能。防撞梁是通過材料發(fā)生失穩(wěn)彎曲后的塑性變形來吸收能量。防撞梁和吸能盒的各個(gè)參數(shù)之間存在著耦合現(xiàn)象。通過單獨(dú)參數(shù)變化來尋找規(guī)律，然后再根據(jù)規(guī)律進(jìn)行組合參數(shù)的方法，能夠較為高效準(zhǔn)確的得出整體優(yōu)化結(jié)果。關(guān)鍵字：防撞梁；汽

6、車碰撞；數(shù)值模擬；優(yōu)化；ABSTRACTVehicle crash beam is a collision play a major role in cushioning member. Mainly by low-speed anticollision beams and energy-absorbing boxes of two parts, the impact cushioning effect of factors: energy absorption cross section of box and bumper beams, thickness, cross-sectional

7、size, length and so on. By adjusting these parameters can get the best performance cushioning anticollision beam structure. This article uses the numerical simulation method, respectively, low energy absorbing box and anticollision beam parameters for different values of the front crash simulation t

8、o extract the final acceleration curve and the energy curve for comparison. Acceleration is relatively small and relatively large number of combinations of absorbed energy is the optimal combination.Since the whole process a lot of variable parameters, it is impossible to analyze all combinations. S

9、o first of all be a single parameter change analysis, derived from a single parameter change laws, and laws of combination of a relatively better under the anticollision beam and verified.Through the above analysis process is roughly the final results of this study, low energy absorbing box is mainl

10、y through the thin-walled box beam axial energy absorbing crumple. anticollision beam instability occurs through the material after bending deformation to absorb energy. Energy absorbing anticollision beams and box coupling exists between the various parameters phenomenon. Through separate parameter

11、s to find the law, then under the law of combined parameters approach can be more efficient and accurate results overall optimization results.Keywords: anticollision beam; Vehicle Crash; numerical simulation; optimization;目 錄第一章緒 論11.1研究汽車碰撞的背景和意義11.2數(shù)值模擬計(jì)算的意義11.3目前的碰撞標(biāo)準(zhǔn)21.3.1國內(nèi)碰撞檢測標(biāo)準(zhǔn)21.3.2國外碰撞標(biāo)準(zhǔn)21.

12、4碰撞試驗(yàn)對(duì)比21.5新車碰撞測試標(biāo)準(zhǔn)(NCAP)31.5.1歐洲的新車評(píng)價(jià)規(guī)程（Euro-NCAP）31.5.2中國新車評(píng)價(jià)規(guī)程（C-NCAP）41.6碰撞試驗(yàn)的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)51.6.1C-NCAP評(píng)分51.7目前的汽車防撞梁研究現(xiàn)狀51.7.1目前防撞梁的研究51.7.2汽車緩沖盒的研究現(xiàn)狀61.7.3評(píng)價(jià)指標(biāo)71.8本文主要研究內(nèi)容7第二章防撞梁撞擊變形基本理論分析82.1彈塑性變形理論82.1.1金屬材料拉伸時(shí)的力學(xué)性能82.1.2彈塑性模型的簡化92.1.3材料的強(qiáng)化模型92.2用于碰撞過程的基本定理23112.2.1沖量定理112.2.2沖量矩定理112.3汽車防撞梁變形過程中的能量分

13、析122.3.1能量的轉(zhuǎn)化122.3.2汽車吸能裝置的基本要求132.4薄壁構(gòu)件變形理論132.5小結(jié)14第三章有限元數(shù)值模擬理論153.1有限元算法153.1.1拉格朗日法(LAGRANGE)153.1.2歐拉法（EULER）153.1.3任意歐拉-拉格朗日法（ALE）153.2拉格朗日有限元算法介紹153.2.1運(yùn)動(dòng)方程27163.2.2三大守恒方程28 27163.3單元選擇173.4接觸問題183.4.1接觸類型183.4.2接觸算法183.5本次計(jì)算的相關(guān)軟件介紹193.6小結(jié)19第四章基于中國汽車安全法規(guī)C-NCAP的防撞梁數(shù)值模擬分析214.1模型建立214.2材料參數(shù)定義224

14、.3網(wǎng)格劃分234.4正面 100% 重疊剛性壁障碰撞模擬分析234.4.1問題簡化244.4.2參數(shù)設(shè)置244.4.3計(jì)算結(jié)果分析244.5正面40%重疊剛性壁碰撞試驗(yàn)?zāi)M分析284.6小結(jié)30第五章防撞梁的單個(gè)參數(shù)的優(yōu)化研究315.1防撞梁寬度對(duì)防撞梁緩沖效果的影響315.1.1結(jié)果對(duì)比325.1.2數(shù)據(jù)分析335.2緩沖盒邊長對(duì)防撞梁緩沖效果的影響335.2.1緩沖盒變形335.2.2加速度結(jié)果對(duì)比345.2.3能量結(jié)果對(duì)比355.3緩沖盒長度對(duì)防撞梁性能好壞分析355.3.1整體加速度對(duì)比355.3.2能量對(duì)比365.3.3數(shù)據(jù)對(duì)比375.4緩沖盒厚度對(duì)防撞梁性能的影響分析385.4.

15、1整體加速度曲線對(duì)比385.4.2吸能對(duì)比395.5防撞梁薄壁結(jié)構(gòu)的厚度對(duì)整體性能的影響分析395.5.1不同厚度的防撞梁加速度對(duì)比分析395.5.2吸收能量對(duì)比405.6防撞梁截面形式對(duì)整體緩沖吸能效果的影響分析415.6.1整體加速度對(duì)比分析415.6.2數(shù)據(jù)對(duì)比分析425.7緩沖盒截面形式對(duì)整體防撞梁緩沖特性的影響分析435.7.1不同緩沖盒截面對(duì)加速度的影響變化分析435.7.2能量吸收對(duì)比445.8小結(jié)45第六章防撞梁的各個(gè)參數(shù)組合優(yōu)化476.1防撞梁各項(xiàng)參數(shù)間的相互影響驗(yàn)證476.1.1單個(gè)防撞梁參數(shù)變化下的最優(yōu)參數(shù)組合476.1.2加速度和吸能分析476.2各個(gè)參數(shù)間的組合優(yōu)化4

16、86.2.1各個(gè)參數(shù)間關(guān)系的綜合分析486.2.2結(jié)果分析496.2.3數(shù)據(jù)對(duì)比506.2.4變形圖和應(yīng)力圖分析516.3小結(jié)51結(jié)論和展望53參考文獻(xiàn).55翻譯部分.57致 謝.73汽車防撞梁碰撞問題的數(shù)值模擬分析中國礦業(yè)大學(xué)2013屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第75頁第一章 緒 論汽車作為當(dāng)今最流行的交通工具之一，在日常生活中也是越來越多的出現(xiàn)。而且隨著汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展和人民生活水平的提高，汽車的數(shù)量和種類也開始大大提升。我國汽車產(chǎn)量從1992年的年產(chǎn)22萬量車，到2008年時(shí)已經(jīng)增長到了年產(chǎn)935萬量1 。而且由于汽車生產(chǎn)流水線的產(chǎn)生，汽車的行駛速度也大大的提高。但是由于汽車數(shù)量的增多和

17、車速的提高，車禍的發(fā)生概率自然就大大的提高，所以必須通過改善車的質(zhì)量、結(jié)構(gòu)來增強(qiáng)車輛的安全性。為了能夠更快的計(jì)算出提高安全性的方法，采用軟件模擬的方式來進(jìn)行計(jì)算是具有使用意義的。1.1 研究汽車碰撞的背景和意義在汽車越來越多的情況下，發(fā)生車禍?zhǔn)遣豢杀苊獾摹ｋm然車身內(nèi)存在很多的保護(hù)措施，例如安全帶，安全氣囊等。但是由于車禍而產(chǎn)生的生命和財(cái)產(chǎn)損失仍然是十分巨大的。每年因?yàn)檐嚨湆?dǎo)致的財(cái)產(chǎn)損失高達(dá)數(shù)十億元2 。據(jù)統(tǒng)計(jì)，僅2002年中國一共發(fā)生了773137次交通事故，導(dǎo)致118131人死亡，財(cái)產(chǎn)損失巨大。其他國家交通事故發(fā)生的次數(shù)同樣十分龐大，美國共發(fā)生1967000起交通事故，死亡人數(shù)42825人，

18、日本發(fā)生936721次交通事故，死亡9575人，歐盟國家共發(fā)生123294起交通事故，死亡人數(shù)38824人3 ，并且以上數(shù)字每年都在增長。如此龐大的數(shù)字讓人們不得不在購買車輛時(shí)對(duì)車輛的安全性能進(jìn)行考核。車輛的安全性可以通過技術(shù)改進(jìn)來提高，通常的汽車安全技術(shù)主要分為兩類：第一類是主動(dòng)安全技術(shù)，第二類是被動(dòng)安全技術(shù)。主動(dòng)安全技術(shù)是指通過利用控制技術(shù)或傳感器等提前的預(yù)知危險(xiǎn)，從而達(dá)到躲避危險(xiǎn)的目的。被動(dòng)安全技術(shù)是指通過在車內(nèi)及車身放置安全帶，安全氣囊，防撞梁等保護(hù)措施，在車輛碰撞后，起緩沖保護(hù)作用，從而達(dá)到保護(hù)車內(nèi)人員的目的。汽車發(fā)生碰撞后首先是汽車發(fā)生碰撞，稱為一次碰撞，其次是車內(nèi)的人和車內(nèi)部構(gòu)件

19、發(fā)生碰撞，稱為二次碰撞4 。由于二次碰撞是由一次碰撞引起的，所以控制好一次碰撞對(duì)提高汽車安全性有著巨大的意義。汽車的一次碰撞的控制，是指在發(fā)生碰撞的時(shí)候通過對(duì)采用緩沖裝置，吸能裝置，阻尼裝置或者是各種裝置的組合，吸收碰撞時(shí)候產(chǎn)生的巨大能量。通過以上這些操作也可大大的減緩一次碰撞后二次碰撞所產(chǎn)生的巨大損害，同時(shí)也是增加了碰撞的時(shí)間，為安全氣囊等裝置爭取時(shí)間4 5 ，以便能夠最大效果的發(fā)揮保護(hù)作用。吸收一次碰撞所產(chǎn)生的巨大能量，最常用的吸能構(gòu)件是采用汽車防撞梁。汽車的正前防撞梁能夠在汽車發(fā)生正面碰撞或者斜碰的時(shí)候，有效的吸收能量、增大碰撞時(shí)間，從簡單的根據(jù)沖量定理可以得出，在以一定的速度發(fā)生碰撞的

20、時(shí)候，作用時(shí)間越長，那么作用于汽車的反作用力就越小。同時(shí)防撞梁的強(qiáng)度也一定程度上減少了汽車的變形，在給予汽車內(nèi)部人員一定生存空間的同時(shí)，也是保護(hù)了汽車內(nèi)部重要部件，如發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱等不被損壞，給汽車的再次維修降低了費(fèi)用，減少了財(cái)產(chǎn)損失。1.2 數(shù)值模擬計(jì)算的意義由于車禍的高發(fā)性，導(dǎo)致各國對(duì)汽車的安全性逐漸形成了法規(guī)，如美國的 FMVSS 208 ( 美國聯(lián)邦車輛標(biāo)準(zhǔn)安全法規(guī)) ，還有我國的汽車正面碰撞標(biāo)準(zhǔn) GB1155l-2003乘用車正面碰撞的乘員保護(hù) 規(guī)定6 。這些試驗(yàn)都是需要做汽車實(shí)體試驗(yàn)的。只有符合該試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的車輛才能繼續(xù)生產(chǎn)。但是直接使用實(shí)體碰撞的試驗(yàn)可重復(fù)性太弱，而且每次試驗(yàn)都需要

21、耗費(fèi)巨大的資金。所以如果做生產(chǎn)之前的設(shè)計(jì)，采用這種方法是不行的。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展。計(jì)算機(jī)模擬是一種進(jìn)行大型計(jì)算非常適合的工具。通過在計(jì)算機(jī)中建模、求解、改進(jìn)等方法，可以模擬真實(shí)的碰撞過程，雖然不能和實(shí)際的碰撞完全相同，但是也能大致的得到改進(jìn)汽車安全性能的可行方法，而且由于計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度極快，可以很快的重復(fù)多次計(jì)算而取得最優(yōu)值。顯然，這通過汽車實(shí)體實(shí)驗(yàn)是無法實(shí)現(xiàn)的，并且由于有限元的快速發(fā)展，使得計(jì)算機(jī)能夠計(jì)算出很多通過理論無法計(jì)算出來的東西。例如汽車碰撞過程是十分復(fù)雜的，如果單純的通過理論計(jì)算來得出結(jié)果顯然是不現(xiàn)實(shí)的，只能是用理論來輔助模擬計(jì)算。1.3 目前的碰撞標(biāo)準(zhǔn)汽車的碰撞標(biāo)準(zhǔn)是，

22、采用汽車實(shí)體碰撞的方法，通過碰撞后汽車的變形、汽車發(fā)生碰撞時(shí)候的加速度、速度衰減以及汽車內(nèi)部假人模型的受損情況而綜合考慮后制定的一套測試汽車安全性的指標(biāo)。各個(gè)國家的標(biāo)準(zhǔn)均不相同，但是目的都是測試汽車的安全性能。1.3.1 國內(nèi)碰撞檢測標(biāo)準(zhǔn)我國的碰撞法規(guī)建立的比較晚，主要是參照外國的法規(guī)、結(jié)合我國的實(shí)情而制定的。我國于1999年由原國家機(jī)械工業(yè)局發(fā)布了汽車碰撞法規(guī)CMVDR 294汽車正面碰撞乘員保護(hù)的設(shè)計(jì)規(guī)則。經(jīng)過后來的完善和發(fā)展至2004年，我國參照歐洲ECE R94法規(guī)制定了國家強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)GB11551-2003乘用車正面碰撞的乘員保護(hù)正式實(shí)施，成為了我國第一個(gè)自己的汽車正面碰撞標(biāo)準(zhǔn)7 隨

23、后的幾年里又相繼制定了側(cè)面碰撞標(biāo)準(zhǔn)和后碰撞標(biāo)準(zhǔn)。圖 1. 1 我國的汽車碰撞試驗(yàn)汽車碰撞檢測標(biāo)準(zhǔn)都建立了相應(yīng)的碰撞試驗(yàn)作為依據(jù)，分別有正面碰撞，側(cè)面碰撞等。正面碰撞一般分為主動(dòng)是碰撞和被動(dòng)碰撞。主動(dòng)碰撞是指由汽車以一定的速度，來撞擊靜止的剛性或者非剛性的墻壁。被動(dòng)碰撞是指將汽車通過鐵索固定，使用鋼塊進(jìn)行撞擊。我國的汽車正面碰撞標(biāo)準(zhǔn)GB11551-2003就是主動(dòng)碰撞。如圖 1. 1所示為我國的汽車做碰撞試驗(yàn)時(shí)候的照片。1.3.2 國外碰撞標(biāo)準(zhǔn)國外的碰撞標(biāo)準(zhǔn)主要是由美國的FMVSS和歐盟的ECE兩個(gè)檢測標(biāo)準(zhǔn)，其他國家的安全法規(guī)，大部分是參考這兩個(gè)法規(guī)制定的，針對(duì)這兩個(gè)安全法規(guī)的出發(fā)點(diǎn)是不相同的。

24、美國認(rèn)為“汽車是任何人都可以做的軟墊”，而歐洲人則認(rèn)為“汽車是駕車技術(shù)熟練者使用的工具”，所以美國的安全法規(guī)比較注重于汽車的被動(dòng)安全性，其技術(shù)要求普遍嚴(yán)格，而歐洲的安全法規(guī)偏重于汽車的主動(dòng)安全性。1.4 碰撞試驗(yàn)對(duì)比圖 1. 2 各個(gè)國家的碰撞試驗(yàn)示意圖雖然碰撞試驗(yàn)的目的都是為提高汽車的安全性，但是由于各國的側(cè)重點(diǎn)不同，所以導(dǎo)致各國的碰撞試驗(yàn)的具體細(xì)節(jié)也不盡相同。如圖 1. 2所示，是各個(gè)國家的正面碰撞試驗(yàn)示意圖。每個(gè)國家碰撞試驗(yàn)的具體要求也不相同，但整體都是結(jié)合了自己的實(shí)際情況，表 1. 1各個(gè)國家的汽車碰撞試驗(yàn)要求對(duì)比而制定的符合自己國家的標(biāo)準(zhǔn)。如表 1. 18 中列舉了各個(gè)國家的汽車碰撞

25、具體要求。1.5 新車碰撞測試標(biāo)準(zhǔn)(NCAP)NCAP ( New Car Assessment Program )即新車評(píng)價(jià)規(guī)程。是由政府機(jī)關(guān)或者具有權(quán)威性的機(jī)構(gòu)，對(duì)市場上銷售的車型進(jìn)行碰撞安全性能測試、評(píng)分劃分等級(jí)，并向社會(huì)公開評(píng)價(jià)結(jié)果的規(guī)程。NCAP是由1987年由美國公路交通安全管理局提出，并且組建了最早的NCAP體系。隨后的數(shù)年內(nèi)其他各國也相繼的結(jié)合自己國家的公路情況、汽車保有量等建立適合自己國家的NCAP,分別有美國的NHTSA-NCAP,歐洲的Euro-NCAP,日本的J-NCAP,澳大利亞的A-NCAP以及我國的C-NCAP。通過多年的試驗(yàn)，總結(jié)和驗(yàn)證，歐洲的Euro NCAP

26、被公認(rèn)為是世界上最嚴(yán)格和最具有權(quán)威性的汽車安全法規(guī)9 。下面主要介紹歐洲的Euro-NCAP和我國的C-NCAP。1.5.1 歐洲的新車評(píng)價(jià)規(guī)程（Euro-NCAP）歐洲的汽車安全法規(guī)，是由英國交通部的交通研究實(shí)驗(yàn)室研究成立的。該法規(guī)測試所需的經(jīng)費(fèi)全部是由歐盟提供。不定期的對(duì)已上市的新車和進(jìn)口車進(jìn)行測試。由于該法規(guī)的嚴(yán)格性和權(quán)威性，使得該法規(guī)得到了各國的廣泛支持和認(rèn)可，在全球影響力巨大。Euro-NCAP的主要測試內(nèi)容有：1) 64km/h時(shí)40%正面偏置碰撞2) 50km/h時(shí)可變形移動(dòng)壁障的側(cè)面碰撞。3) 40km/h時(shí)的行人保護(hù)碰撞。4) 29km/h時(shí)的撞柱子試驗(yàn)。1.5.2 中國新車

27、評(píng)價(jià)規(guī)程（C-NCAP）中國的汽車安全法規(guī)主要是參照美國的NHTSA-NCAP和歐洲的 Euro-NCAP，再結(jié)合我國的汽車標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)以及我國的路況等各種因素，最終形成的檢測汽車安全性能的法規(guī)。如下表 1. 2 中國新車評(píng)價(jià)規(guī)程（C-NCAP）10 表 1. 2 中國新車評(píng)價(jià)規(guī)程（C-NCAP）10 試驗(yàn)項(xiàng)目碰撞形式假人安放位置正面 100% 重疊剛性壁障碰撞試驗(yàn)車輛以 50 km/h 的速度與剛性固定壁障進(jìn)行100 重疊率的正面碰撞在前排駕駛員和乘員位置分別放置 Hybird 型第 50 百分位男性假人，在第 2 排最右側(cè)座位放置 Hybird 型第 5 百分位女性假人，試驗(yàn)時(shí)假人應(yīng)佩戴安全帶

28、，用以考核安全帶性能正面 40% 重疊可變形壁障碰撞試驗(yàn)車輛以 56 km/h 的速度對(duì)可變形壁障進(jìn)行40 重疊率的正面偏置碰撞在前排駕駛員和乘員位置分別放置 Hybird 型第 50 百分位男性假人，在第 2 排最右側(cè)座位放置 Hybird 型第 5 百分位女性假人，應(yīng)佩戴安全帶可變形移動(dòng)壁障側(cè)面碰撞可變形移動(dòng)壁障以 50 km/h 的速度與車輛側(cè)面 （ 駕駛員側(cè)）進(jìn)行碰撞在駕駛員位置放置Euro SID 型假人， 用以測量駕駛員位置受傷害情況如下面三幅圖所示，分別表示了C-NCAP三個(gè)實(shí)驗(yàn)的碰撞試驗(yàn)圖圖 1. 3正面 100% 重疊剛性壁障碰撞試驗(yàn)圖 1. 4可變形移動(dòng)壁障側(cè)面碰撞圖 1.

29、 5正面 40% 重疊可變形壁障碰撞試驗(yàn)1.6 碰撞試驗(yàn)的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)碰撞試驗(yàn)的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)主要是通過，在實(shí)車碰撞試驗(yàn)中，通過加速度傳感器，速度傳感器，力傳感器等，全程的檢測汽車碰撞過程中假人受到的力，加速度。碰撞后還可以查看假人的變形受損情況。通過這些因素的綜合比重考慮，制定出的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)。能夠簡單的通過分?jǐn)?shù)的高低來判斷汽車的安全性能。下面主要介紹C-NCAP的評(píng)分。1.6.1 C-NCAP評(píng)分C-NCAP評(píng)分的高低是，變相的反映了汽車安全性能的高低。評(píng)測的時(shí)候通過對(duì)汽車內(nèi)部假人的頭部、頸部、胸部、大腿部、小腿部、膝蓋、大腿、骨盆部位和小腿、腳及腳踝部位所受到的壓力的大小來設(shè)定不同部位的得分?jǐn)?shù)。對(duì)于每

30、個(gè)假人，基本的評(píng)分原則是： （1）設(shè)定高性能指標(biāo)限值和低性能指標(biāo)限值，分別對(duì)應(yīng)每個(gè)部位的最高得分和 0 分，處于兩者之間的測量值分別采用線性插值的方法得出相應(yīng)分?jǐn)?shù)； （2）若同一部位存在多個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，則采用其中的最低得分來代表該部位的得分； （3）所有單項(xiàng)得分保留到小數(shù)點(diǎn)后兩位。 C-NCAP的評(píng)測分?jǐn)?shù)是目前人們漸漸開始關(guān)心的內(nèi)容。所以評(píng)測分?jǐn)?shù)也會(huì)成為影響汽車銷量的重要因素。提高分?jǐn)?shù)的方法很多，其中通過優(yōu)化汽車防撞梁、緩沖裝置等方法是很有效的手段。好的防撞梁能夠有效的減小汽車在碰撞過程中的加速度，從而減小汽車內(nèi)假人所受的加速度，當(dāng)然相應(yīng)的假人受到的力和破壞也會(huì)減小，這樣就能提高評(píng)測分?jǐn)?shù)。所以說

31、防撞梁的優(yōu)劣決定著汽車碰撞試驗(yàn)評(píng)分的高低。1.7 目前的汽車防撞梁研究現(xiàn)狀防撞梁作為汽車碰撞時(shí)候的第一道防線，主要起到緩沖和防止過分變形的作用。其中緩沖的效果能夠降低加速度、增加碰撞時(shí)間；這兩個(gè)緩沖效果可以在碰撞發(fā)生時(shí)有效的減小車內(nèi)的人受到的力，防止過分變形，尤其是在發(fā)生撞擊柱子等事故時(shí)。目的有兩個(gè)方面，第一，給車內(nèi)的人員充分的生存空間；第二，保護(hù)車體內(nèi)重要部件，例如發(fā)動(dòng)機(jī)變速箱等。這樣可以降低汽車的維修費(fèi)用。碰撞的時(shí)候起緩沖作用的主要部件是緩沖盒，通過緩沖盒的軸向潰縮，來吸收能量。同時(shí)防撞梁也會(huì)發(fā)生塑性變形，這也是起到緩沖作用的重要部分。還有就是通過在防撞梁前段加入一些緩沖材料，或者特殊的結(jié)

32、構(gòu)，來起到緩沖作用。防止大變形主要是通過防撞梁來實(shí)現(xiàn)，防撞梁和車架之間具有一定的距離，該距離是緩沖距離，防撞梁被碰撞后發(fā)生塑性變形，向內(nèi)凹進(jìn)去，而在防撞梁中間的撞擊力，會(huì)由于防撞梁的存在將力間接的傳遞到車架上，由此車會(huì)發(fā)生反彈，從而有力的保護(hù)了車的重要部件。1.7.1 目前防撞梁的研究防撞梁的研究主要是從下幾點(diǎn)入手：截面形狀，防撞梁的厚度，梁的材料，梁的軸向彎曲曲線。需要達(dá)到的目的有兩個(gè)：第一，具有良好的抗撞擊性能；第二，具有良好的吸能性質(zhì)。下面分別討論一下：1) 截面形狀圖 1. 6 梁的各種截面梁截面可以采用單元胞，兩元胞，三元胞，四元胞等。分別如下圖 1. 6在2007年，湖南大學(xué)侯淑娟

33、等人，曾經(jīng)對(duì)上面的四種結(jié)構(gòu)進(jìn)行了抗撞性能和緩沖性能的分析11 。通過研究計(jì)算機(jī)建模分析，對(duì)不同厚度和不同截面進(jìn)行壓力碰撞后發(fā)現(xiàn)，元胞數(shù)的增加會(huì)影響結(jié)構(gòu)的吸能增加，多元胞結(jié)構(gòu)的吸能效果要遠(yuǎn)好于單元胞結(jié)構(gòu)。四元胞結(jié)構(gòu)的吸能特性最好。而且同時(shí)發(fā)現(xiàn)，軸向的吸能性能要遠(yuǎn)好于橫向的吸能特性。從而得到結(jié)論材料，在發(fā)生褶皺疊縮變形的時(shí)候，能夠提高結(jié)構(gòu)的吸能特性和抗撞特性，同時(shí)也能讓材料的利用率提高。同時(shí)截面形式也不僅限于矩形的截面，也可以有多種多樣的形式，例如梯形12 ，不規(guī)則形狀13 等。2) 防撞梁的厚度對(duì)于防撞梁厚度的研究，前人也總結(jié)了很多的經(jīng)驗(yàn)，也是使用數(shù)值模擬的方式，通過在一定厚度范圍內(nèi)等間距取值然

34、后使用軟件模擬撞擊過程。最后對(duì)防撞梁的變形，撞擊后的速度、加速度的變化，做曲線分析。然后根據(jù)具體能夠允許的最大加速度和最大位移來確定防撞梁厚度14 19 。3) 梁的材料梁的材料通常使用的是吸能性質(zhì)很好的材料。吸能材料通常指薄壁管材、 泡沫鋁、 復(fù)合材料、聚氨酯泡沫等15 14 ?？紤]價(jià)格等方面因素后，使用薄壁鋁合金或者其他合金材料作為防撞梁的材料。隨著科技的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，新的金屬泡沫材料又被人們發(fā)現(xiàn)，其中具有代表性的材料是泡沫鋁材料。泡沫鋁是一種以鋁金屬為骨架,具有較大孔徑及較高孔隙率的新型結(jié)構(gòu)功能材料,兼有泡沫和金屬的特性。有較高的強(qiáng)度以及制備工藝相對(duì)簡單的特點(diǎn)16 。這種金屬材料的吸能

35、特性非常好，而且強(qiáng)度也很高，可以滿足吸收能量和防止大變形的雙重要求。4) 梁的軸向曲線梁的軸向曲線通常是根據(jù)汽車的外形和車內(nèi)構(gòu)件的形狀決定的。在這兩點(diǎn)已經(jīng)確定的情況下考慮防撞梁碰撞，如果采用外弧形的曲線，可以增大碰撞時(shí)候的接觸時(shí)間。所以通常情況下，汽車防撞梁的軸向曲線通常是采用外凸形狀的。具體的形狀會(huì)根據(jù)車型的不同而改變，比如，利用三段直線夠成外凸?fàn)罨蛘卟捎脠A弧外凸曲線，甚至?xí)Y(jié)合使用兩種模型。1.7.2 汽車緩沖盒的研究現(xiàn)狀緩沖盒的吸能緩沖效果，主要是由緩沖盒的厚度，材料，截面形狀，誘導(dǎo)槽等因素決定。同樣的厚度和材料對(duì)吸能效果的研究和防撞梁是相同的，但截面形狀則不同。主要原因是緩沖盒是軸向壓

36、縮變形，而防撞梁則是橫向變形，所以兩者的吸能性不能一概而論。1) 緩沖盒的截面形狀在2012年，重慶理工大學(xué)夏銘等人，對(duì)吸能盒的截面形狀進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化17 。通過數(shù)值模擬的方法，得出六邊形截面形狀的緩沖盒吸能效果最好。優(yōu)化結(jié)果如圖 1. 7所示圖 1. 7緩沖盒截面優(yōu)化效果圖 1. 8各種截面形狀的緩沖和數(shù)值模擬結(jié)果同樣在2012年，中國汽車工程研究院的萬鑫銘18 等人又通過對(duì)正方形，正六邊形，正八邊形，圓形的鋁制吸能盒和鋼制的吸能盒做數(shù)值模擬分析，結(jié)果如圖 1. 8所示。得出正八邊形鋁管的吸能性質(zhì)十分突出，但是碰撞時(shí)候引起的碰撞力峰值太大，而正六變形的各項(xiàng)指標(biāo)相對(duì)均衡。2) 誘導(dǎo)槽在緩沖盒上開

37、誘導(dǎo)槽對(duì)緩沖效果有著十分明顯的提高。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的曲明19 等人曾對(duì)誘導(dǎo)槽的研究及分析發(fā)現(xiàn)，薄壁梁在撞擊的時(shí)候會(huì)發(fā)生潰縮變形。變形的過程中緩沖盒上有些部位會(huì)發(fā)生內(nèi)凹，有些部位會(huì)發(fā)生外凸。根據(jù)這種現(xiàn)象，如果在緩沖盒的表面本身設(shè)置向內(nèi)凹或者向外凸的槽，在發(fā)生碰撞的時(shí)候可以有效的減小撞擊力的峰值。通過研究發(fā)現(xiàn)，設(shè)置雙層的誘導(dǎo)槽薄壁梁的緩沖效果要遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于不設(shè)置誘導(dǎo)槽的緩沖效果，如圖 1. 9所示，如此可以大大提高碰撞性能。圖 1. 9 雙層誘導(dǎo)槽緩沖盒緩沖盒的優(yōu)化還可以通過在緩沖盒內(nèi)部填充橡膠材料，使用變截面梁作為緩沖盒，并且考慮緩沖盒的焊接方式等20 。這些方法都是有待研究，并且值得研究的內(nèi)容。其

38、次除了采用緩沖盒的方式，也可以使用機(jī)械阻尼緩沖裝置來做緩沖器，雖然這樣的方法可能會(huì)提高緩沖效果。但是可以想象得到，制作成本也肯定會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鋁制薄壁梁。1.7.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)在碰撞過程中大多數(shù)碰撞試驗(yàn)采用加速度，能量吸收等指標(biāo)來評(píng)價(jià)。這些參數(shù)都是碰撞過程中體現(xiàn)碰撞激烈程度的因素，同時(shí)也是體現(xiàn)防撞梁結(jié)構(gòu)吸能緩沖效果的標(biāo)準(zhǔn)，且也可以使用更為直觀的撞擊力21 ，位移等因素作為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比分析。1.8 本文主要研究內(nèi)容本文主要利用LS-DYNA做實(shí)驗(yàn)的數(shù)值模擬計(jì)算。利用車架連接防撞梁的模型進(jìn)行碰撞，采用不同厚度，不同截面，不同材料的防撞梁進(jìn)行碰撞分析，通過碰撞后車架所受的力的峰值，加速度的大小，能量的剩余

39、情況來衡量防撞梁的緩沖效果。通過對(duì)碰撞后的整個(gè)防撞梁的變形情況，來判定防撞梁是否符合碰撞最大位移要求。整個(gè)碰撞過程是為了給汽車防撞梁的實(shí)驗(yàn)做理論依據(jù)。同時(shí)也是給實(shí)驗(yàn)做有力驗(yàn)證。第二章 防撞梁撞擊變形基本理論分析汽車防撞梁的好壞主要是通過汽車發(fā)生碰撞時(shí)防撞梁吸收能量的多少來判定，而防撞梁吸收的能量主要是由梁和緩沖盒的塑性變形引起的。既然提到塑性變形，那么首先需要確定材料的性質(zhì)，所以需要利用彈塑性理論分析。其次，吸收能量的主要部分是塑性變形能，所以需要考慮變形過程中的能量問題。再次，由于汽車發(fā)生碰撞是一個(gè)碰撞過程，則需要?jiǎng)恿W(xué)分析。最后防撞梁的力學(xué)模型可以用薄壁梁來進(jìn)行模擬，所以薄壁梁理論也是理論

40、分析中不可缺少的一部分。下面依次介紹這些理論。2.2.1 彈塑性變形理論金屬材料在發(fā)生壓縮或者拉伸變形的時(shí)候，都是先發(fā)生彈性變形，然后進(jìn)入屈服階段，最后進(jìn)入強(qiáng)化階段。每個(gè)階段的應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律均不相同，有的階段吸收能量多，有的少，有些能量會(huì)再次反彈，而有些能量則被永遠(yuǎn)的吸收。了解簡單材料的變形才能了解復(fù)雜變形情況中能量的吸收情況。2.1.1 金屬材料拉伸時(shí)的力學(xué)性能圖2. 1 力和伸長量的關(guān)系圖材料拉伸時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變曲線能夠反映材料在受到拉力的作用下變形與力的關(guān)系。以簡單的低碳鋼拉伸為例子22 ，對(duì)低碳鋼做緩慢增加拉力作用。將拉力P和伸長量DL的關(guān)系作圖，如圖2. 1 所示。為了消除尺寸對(duì)力學(xué)規(guī)律的

41、影響，將拉力p除以試樣橫截面積A0，得出正應(yīng)力： =P/A0；同時(shí)，把伸長量DL除以總長L0，可以得到應(yīng)變：=DL/L0。因?yàn)楦鼽c(diǎn)的應(yīng)變是均勻的，所以該應(yīng)變是平均應(yīng)變。然后再以為縱坐標(biāo)，以為橫坐標(biāo)，作圖表示和的關(guān)系，該關(guān)系為應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，該圖為應(yīng)力應(yīng)變曲線圖。如圖2. 2圖2. 2所示。圖2. 2應(yīng)力應(yīng)變曲線根據(jù)上圖的結(jié)果，可以將變形分為幾個(gè)階段。1) 彈性階段在材料拉伸的初始階段，和是線性關(guān)系即上圖中的OA段。該段中應(yīng)力與應(yīng)變成正比關(guān)系。即 將該式子寫為等式則有=E (2. 1)該式即為拉伸壓縮的胡克定律。式子中的E即為彈性模量通常情況下使用的是彈性模量2) 屈服階段當(dāng)應(yīng)力增加超過B'

42、;時(shí)應(yīng)力有明顯的下降。然后在應(yīng)力應(yīng)變曲線上開始形成像鋸齒一樣的變化情況。這種情況下，應(yīng)力基本保持不變，而應(yīng)變卻有顯著增加。在這個(gè)階段內(nèi)的最低應(yīng)力值為下屈服極限，該屈服極限比較穩(wěn)定，能夠反映材料的性能，所以用下屈服極限來做計(jì)算。用s表示。該參數(shù)在后面的有限元計(jì)算中，作為一個(gè)參數(shù)輸入。3) 強(qiáng)化階段金屬材料在屈服一段時(shí)間后，又恢復(fù)了抵抗變形的能力，能夠使應(yīng)力繼續(xù)增加。該種現(xiàn)象即為強(qiáng)化。2.1.2 彈塑性模型的簡化圖2. 3 多線性和雙線性的材料應(yīng)力應(yīng)變曲線上面介紹了彈塑性材料變形特性。該變形特性曲線可以作為大多數(shù)材料，發(fā)生變形的時(shí)候力與變形的關(guān)系。但是如果每次計(jì)算都使用該曲線進(jìn)行計(jì)算太過于繁瑣，所

43、以可以將其簡化為多線性，雙線性的特性。則應(yīng)力應(yīng)變曲線可簡化為如下所示，這樣可以大大的簡化計(jì)算。該圖中的s是材料的屈服強(qiáng)度。在有限元計(jì)算中該參數(shù)是雙線性材料的斜率轉(zhuǎn)折點(diǎn)。在有限元計(jì)算中即采用上圖中的雙線性材料模型，作為防撞梁的材料模型。2.1.3 材料的強(qiáng)化模型金屬材料在屈服一段時(shí)間后，能夠繼續(xù)恢復(fù)部分承載能力，這種現(xiàn)象稱之為強(qiáng)化，強(qiáng)化有很多種形式，比如在拉伸強(qiáng)化的時(shí)候，反向的壓縮也進(jìn)行強(qiáng)化?；蛘哒f拉伸強(qiáng)化后反向壓縮弱化。還有兩個(gè)合并起來的強(qiáng)化形式。使用塑性力學(xué)中的強(qiáng)化模型即：等向強(qiáng)化，隨動(dòng)強(qiáng)化，組合強(qiáng)化。材料的強(qiáng)化模型的確定是在有限元計(jì)算時(shí)，材料模型確定的必要選項(xiàng)。1) 等向強(qiáng)化等向硬化彈塑性

44、模型符合了大多數(shù)金屬材料在加載過程中的變形特性，它表示當(dāng)金屬材料受到反向加載，即壓迫時(shí)，其屈服極限與拉伸過程中的屈服極限相同，即他們的絕對(duì)值是始終相同的，表達(dá)式為：=（） (2. 2)其中是刻畫塑性變形歷史的參數(shù)，例如可以取=dp 為塑性應(yīng)變?cè)隽康膶?duì)決積累值，或取 =wp=dp為塑性功。該模型不論是拉伸還是壓縮都使屈服應(yīng)力的絕對(duì)值提高。如圖2. 4 所示 圖2. 4 等向強(qiáng)化圖2. 5 隨動(dòng)強(qiáng)化2) 隨動(dòng)強(qiáng)化等向硬化彈塑性模型雖然計(jì)算相對(duì)簡單，但不能反映材料反向加載過程中存在的包氏效應(yīng)。因此，在較復(fù)雜地變形模式中，材料的特性通常選用隨動(dòng)硬化彈塑性模型。該模型表示，拉伸屈服應(yīng)力和壓縮屈服應(yīng)力的帶

45、數(shù)值之差，始終不變。表達(dá)式可以寫為：-(p)=s (2. 3)其中(p)是塑性應(yīng)變p的單調(diào)遞增函數(shù)。在線性強(qiáng)化的情況也可以寫成：-hp=s (2. 4)式中h=d/d是一個(gè)常數(shù)。3) 組合強(qiáng)化圖2. 6 三種強(qiáng)化模型Mises屈服圓將等向強(qiáng)化模型和隨動(dòng)強(qiáng)化模型組合起來，就構(gòu)成更為一般的組合強(qiáng)化模型。把上面的三種強(qiáng)化模型，使用mises屈服圓的方法，畫到平面上。這樣可以更為直觀的看出三種強(qiáng)化模型的特性，如圖2. 6 所示。強(qiáng)化模型的確定是在有限元計(jì)算中材料模型選擇的基礎(chǔ)，本文中計(jì)算所使用的材料為鋁合金材料，該材料的強(qiáng)化模型和金屬的等向強(qiáng)化模型相似，所以有限元計(jì)算中選用等向強(qiáng)化模型。2.2 用于碰

46、撞過程的基本定理23 汽車碰撞的整個(gè)過程是在極短的時(shí)間內(nèi)完成的，因此不適合直接使用力來度量碰撞的作用，也不宜用運(yùn)動(dòng)微分方程描述每一瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)和力的變化關(guān)系，經(jīng)常使用的分析方式是分析碰撞前、后運(yùn)動(dòng)的變化。在碰撞過程中會(huì)發(fā)生變形、發(fā)聲、發(fā)熱，甚至發(fā)光。因此在碰撞過程中會(huì)出現(xiàn)機(jī)械能的損失。機(jī)械能損失的程度取決于碰撞物體的材料性質(zhì)以及其他因素。所以在碰撞過程中一般不便于應(yīng)用動(dòng)能定理，所以經(jīng)常采用動(dòng)量定理和動(dòng)量矩定理的積分形式來確定力的作用與運(yùn)動(dòng)變化的關(guān)系。2.2.1 沖量定理假設(shè)有一質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量為m，碰撞過程開始瞬時(shí)的速度為，碰撞結(jié)束時(shí)的速度為'，則該質(zhì)點(diǎn)的動(dòng)量定理為：m'-m=0tFdt

47、=I (2. 5)式子中I為碰撞梁，普通力的沖量可以忽略不計(jì)。對(duì)于整個(gè)汽車，是無法簡化為一個(gè)質(zhì)點(diǎn)來計(jì)算的。但是可以簡化為很多質(zhì)點(diǎn)的一個(gè)組合。所以可以看作一個(gè)質(zhì)點(diǎn)系，對(duì)于碰撞的質(zhì)點(diǎn)系，作用在第i個(gè)質(zhì)點(diǎn)上的碰撞沖量可分為外碰撞沖量Ii(e)和內(nèi)碰撞沖量Ii(i)，按照上面的式子有：mii'-mii=Ii(e)+Ii(i) (2. 6)設(shè)質(zhì)點(diǎn)系有n個(gè)質(zhì)點(diǎn)，對(duì)于每個(gè)質(zhì)點(diǎn)都可以列出如上的方程，將n個(gè)方程相加，就可以得到整體的質(zhì)點(diǎn)系的沖量定理：i=1nmi'-i=1nmii=i=1nIie+i=1nIii (2. 7)又因?yàn)閮?nèi)碰撞沖量總是大小相等，方向相反，一對(duì)一對(duì)的存在。所以Ii(i)=

48、0,所以上式可以簡化為：i=1nmi'-i=1nmii=i=1nIie (2. 8)該式即為整個(gè)汽車碰撞過程中質(zhì)點(diǎn)系的動(dòng)量定理。此式可以表示整個(gè)車體在碰撞前后速度變化與車體所受到的力的關(guān)系。沖量是力和時(shí)間的乘積，由此可以簡單的得出，在汽車車速一定的情況下。碰撞所經(jīng)歷的時(shí)間越長，從而車體受到的撞擊力越小，緩沖效果越好。2.2.2 沖量矩定理質(zhì)點(diǎn)系動(dòng)量矩定理的一般表達(dá)式為導(dǎo)數(shù)形式，即：ddxLo=i=1nMiFie=i=1nri×Fie (2. 9)式中Lo為質(zhì)點(diǎn)系對(duì)定點(diǎn)O的動(dòng)量矩矢，i=1nri×Fi(e)為作用與質(zhì)點(diǎn)系的外力對(duì)點(diǎn)O的住矩。對(duì)上式進(jìn)行變形簡化，可以得到

49、：dLo=i=1nri×Fi(e)dt=i=1nr×dIi(e) (2. 10)對(duì)上式進(jìn)行積分，則可以得到：Lo1Lo2dLo=i=1n0tri×dIi(e) (2. 11)進(jìn)一步簡化上式得：Lo2-Lo1=i=1n0tri×dIi(e) (2. 12)如果將整個(gè)車身看成一個(gè)整體，那么在碰撞過程中，各個(gè)質(zhì)點(diǎn)的位置都是不變的。因此可以將ri看作為一個(gè)整體即：Lo2-Lo1=i=1nri0tdIi(e)=i=1nri×Ii(e)=i=0nMo(Ii(e) (2. 13)式中Lo2和Lo1分別為碰撞前后質(zhì)點(diǎn)系對(duì)點(diǎn)O的動(dòng)量矩，Ii(e)是外碰撞沖量。r

50、i×Ii(e)為沖量矩。上式可以簡單的用來計(jì)算汽車碰撞時(shí)力矩的關(guān)系。比如在汽車偏置碰撞中，汽車發(fā)生的并不是完全的正碰，所以在碰撞過程中會(huì)有力矩產(chǎn)生，這種力矩大小的計(jì)算，便可以通過該式子進(jìn)行簡單計(jì)算而得到。由此同樣可以得出，碰撞時(shí)間越長所產(chǎn)生的碰撞沖量就越大，在碰撞前后動(dòng)量矩差值一定的情況下，所產(chǎn)生的碰撞力就越大。但是汽車碰撞過程是復(fù)雜的變化過程。不能將其看作整體對(duì)待。所以簡化的式子只能是用于進(jìn)行大概計(jì)算，更為精確的值，還需要通過數(shù)值模擬計(jì)算得到。2.3 汽車防撞梁變形過程中的能量分析圖2. 7 實(shí)車碰撞圖片汽車碰撞過程是在很快速的過程中發(fā)生大變形的過程，其能量交換的過程也十分的短暫。

51、僅僅在百分之一秒到百分之十秒的時(shí)間內(nèi)，就需要將汽車的動(dòng)能完全的轉(zhuǎn)化為塑性變形能，熱能等其他能量的形式進(jìn)行釋放。這些能量大部分都是由汽車內(nèi)部的緩沖裝置吸收的，這樣就保護(hù)了汽車內(nèi)部人員的安全。由于汽車發(fā)生碰撞多半為汽車前部發(fā)生碰撞，所以經(jīng)常采用汽車前部防撞梁和緩沖裝置的塑性變形進(jìn)行能量的吸收，所以在進(jìn)行汽車正面碰撞試驗(yàn)時(shí)，可以看到，大部分的車的前部會(huì)在汽車碰撞時(shí)發(fā)生大變形，正是由于這些變形的存在，吸收了車體的大部分的動(dòng)能，才能保證汽車內(nèi)的人員，盡可能少的受到汽車碰撞的破壞。2.3.1 能量的轉(zhuǎn)化汽車在碰撞前有動(dòng)能T=1/2mv2，在發(fā)生碰撞時(shí)會(huì)發(fā)生彈性變形，則產(chǎn)生彈性勢能Ve；發(fā)生塑性變形，則有塑

52、性變形能Vp用同樣高速碰撞時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱量，即有熱能Q。還有因?yàn)槠囕喬ズ偷孛娴哪Σ亮ψ鞯墓f。所以汽車發(fā)生碰撞前的總能量E=T。在汽車發(fā)生碰撞的過程中能量的轉(zhuǎn)換可以分為兩個(gè)階段分析，分別為碰撞到汽車第一次速度為0的形態(tài)和汽車最終形態(tài)。第一階段，當(dāng)汽車發(fā)生碰撞后，汽車的動(dòng)能第一次減為零，這時(shí)動(dòng)能T=0。彈性勢能最大。塑性變形能Vp同樣最大，并且已經(jīng)成為定值。這個(gè)過程中有熱能的產(chǎn)生。摩擦力也做功?？偰芰縀=Vp+Q+Qf第二階段，由于彈性變形是可以恢復(fù)的，所以因擠壓發(fā)生的彈性變形會(huì)繼續(xù)回彈回來。對(duì)應(yīng)于汽車碰撞，即彈性勢能會(huì)再次轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。所以汽車在碰撞過程中造成的反彈現(xiàn)象全部都是由彈性變形造成的。

53、而塑性變形是不可恢復(fù)的，所以在第一階段發(fā)生變形時(shí)，塑性變形能的轉(zhuǎn)化已經(jīng)結(jié)束了，產(chǎn)生的熱量在空氣中擴(kuò)散，最后消失。所以Q=0當(dāng)汽車反彈時(shí)。由于地面的摩擦力和汽車的動(dòng)能抵消，汽車最終停止下來。所以最后剩余的總能量只有塑性應(yīng)變能Vp。整個(gè)過程中，為了能夠讓能量快速的被吸收，通常采用防撞梁，吸能器的形式。目的就是為了在更短的時(shí)間內(nèi)，更多的吸收汽車的動(dòng)能。 這樣做之后塑性變形能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于彈性變形能，所以更多的時(shí)候看到的是汽車發(fā)生了大變形，而不是大范圍的反彈。另外，碰撞時(shí)雖然有熱能產(chǎn)生，但是跟塑性能和彈性能相比，還是太小了，所以通常情況下忽略不計(jì)。2.3.2 汽車吸能裝置的基本要求汽車行業(yè)發(fā)展到現(xiàn)在，已經(jīng)

54、有各種各樣的用于吸收能量的裝置。雖然形態(tài)各異，但是功能是一樣的，就是起吸收能量的作用。通常最簡單的吸能裝置即為防撞梁形式的。這種吸能裝置通常制作簡單，同時(shí)又能取得良好的吸能效果，所以在現(xiàn)在汽車工業(yè)中運(yùn)用也最廣泛，但是其形態(tài)卻是各式各樣的。縱觀很多防撞梁的形式，可以得出好的防撞梁一般是滿足以下幾個(gè)條件的：1) 能夠更多的產(chǎn)生塑性變形來存儲(chǔ)汽車發(fā)生碰撞時(shí)候的動(dòng)能，因?yàn)檫@種存儲(chǔ)形式不會(huì)產(chǎn)生回彈等效應(yīng)。2) 碰撞的變形模式，應(yīng)該很穩(wěn)定24 。即每次變形的情況趨近于相同。這樣才能在真實(shí)發(fā)生碰撞時(shí)保證一定的吸能效果。3) 碰撞過程中能夠控制加速度和撞擊力，保護(hù)車體內(nèi)部人員和車內(nèi)的重要結(jié)構(gòu)不受到嚴(yán)重破壞。4

55、) 結(jié)構(gòu)應(yīng)該輕巧，簡便，利于生產(chǎn)，能夠提高單位質(zhì)量的比吸能效率，同時(shí)也是降低了成本。滿足上述條件的防撞梁能夠在汽車發(fā)生碰撞時(shí)最大程度的吸收能量，也能在汽車生產(chǎn)和制造中得到廣泛的應(yīng)用。 2.4 薄壁構(gòu)件變形理論 由于本文所采用的防撞梁模型和緩沖盒模型均采用的是薄壁管的形式，所以使用薄壁理論對(duì)其進(jìn)行理論研究。本文中對(duì)薄壁的研究主要是針對(duì)其塑性變形吸收能量多少進(jìn)行研究。薄壁管軸向受到?jīng)_壓時(shí)，會(huì)發(fā)生擴(kuò)徑的褶皺壓縮，該過程吸收能量十分巨大，主要是塑性變形能。這種褶皺變形的好壞，主要通過兩個(gè)方面來衡量，一是在變形過程中的吸收能量，二是在變形過程中能承受的潰縮力。薄壁管的吸能能力主要通過三個(gè)參數(shù)來決定25

56、，吸收的總能量W，單位體積吸收的能Wv量，單位質(zhì)量吸收的能量Wm?？梢酝ㄟ^以下幾個(gè)式子進(jìn)行計(jì)算；W=0sF(s)d (2. 14)上式中：s為潰縮的長度，F(xiàn)(s)為潰縮時(shí)受到的相應(yīng)的壓力。相對(duì)應(yīng)的Wv和Wm主要除以對(duì)應(yīng)的體積和質(zhì)量即可。使用該式子來衡量薄壁管的能量吸收。薄壁管的承載能力，主要是通過潰縮力來決定的。該力決定了碰撞過程中，汽車所受最大撞擊力的大小。一般情況下求解平均潰壓載荷FmFm=1s0sF(s)ds (2. 15)為了讓薄壁梁能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的潰縮，通常可以使用變截面的錐形薄壁管作為緩沖盒。同時(shí)也可以使用在薄壁梁的兩側(cè)加入誘導(dǎo)槽的方法，來確定薄壁梁變形的方向，以及降低最大撞擊力的效果。2.5 小結(jié)本章的內(nèi)容是通過理論分析的方式，對(duì)后面的數(shù)值模擬明確方向。包括在數(shù)值模擬中需要確定的材料模型，強(qiáng)化模型，也從整體上簡單的分析了整個(gè)汽車的碰撞過程中力和能量的變化情況。最后是通過理論明確數(shù)值模擬最終需要得到的結(jié)果及評(píng)價(jià)結(jié)果好壞的標(biāo)準(zhǔn)等?？傊?，理論部分的分析是為了輔助數(shù)值模擬分析，并不能直接得到汽車碰撞的理論結(jié)果。第三章 有限元數(shù)值模擬理論汽車的碰撞過程是一個(gè)復(fù)雜的過程。因?yàn)槠渲写嬖谥鞣N復(fù)雜的因素。單純的依靠理論計(jì)算是無法得到結(jié)果的。在有限元計(jì)算軟件還沒有發(fā)展起來之前，如果想要得到碰撞的結(jié)果，那么只能是通過實(shí)體汽車碰撞的方法。但是實(shí)體汽車碰撞是需要高昂的