【正文】 構(gòu)的耐撞性分析，使車身滿足理想的正面碰撞變形特性，其特性曲線見圖自身保護(hù)區(qū) 低速防護(hù)區(qū) 相容區(qū) 力 變形距離 保險(xiǎn)杠 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) SUV汽車正面碰撞以及行人保護(hù)加強(qiáng)方案設(shè)計(jì) 12 所示。 汽車結(jié)構(gòu)耐撞性研究方法 有限元法是力學(xué)、計(jì)算方法和計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它是隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種現(xiàn)代化研究方法。 1）實(shí)驗(yàn)研究 由于汽車碰撞事故形態(tài)千差萬別，安全性能的評價(jià)也必須從不同的角度進(jìn)行，但歸納起來主要是確保生存空間、緩和沖擊、防止火災(zāi)等。作為整車碰撞最終實(shí)驗(yàn)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)主要有三項(xiàng)指標(biāo)：汽車乘員碰撞保護(hù)，防止轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)對駕駛員的傷害和汽車碰撞時(shí)燃油泄露。如為 了滿足 FMVSS203 法規(guī) 的要求，人們常采用形狀和質(zhì)量類似人體肢干的質(zhì)量塊沖擊轉(zhuǎn)向器，測量轉(zhuǎn)向器與人體產(chǎn)生的碰撞力的大小。發(fā)射型模擬碰撞實(shí)驗(yàn)是用預(yù)先積蓄好的能量將安裝有實(shí)驗(yàn)件的平臺發(fā)射出去，給予加速?zèng)_擊。 2）計(jì)算機(jī)仿真研究 汽車結(jié)構(gòu)耐撞性分析的目的是確定車身等部件的變形與吸能特性，從而達(dá)到保護(hù)車內(nèi)乘員的日的。因此，實(shí)驗(yàn)方法研究汽車結(jié) 構(gòu)的耐撞性有很大的局限性。 （ 2）所需費(fèi)用低廉。由于實(shí)驗(yàn)過程受很多隨機(jī)因素的影響，因此在研究不同的系統(tǒng)參數(shù)對安全性能的影響時(shí)，不易得到明確的結(jié)果，而計(jì)算機(jī)仿真依賴于計(jì)算機(jī)硬件本身，所以，當(dāng)改變某一參數(shù)時(shí)，可以很容易地得到該參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。 （ 5）不受時(shí)間、空問、氣候等條件的限制，可以隨時(shí)進(jìn)行。 本文研究的主要內(nèi)容 本文通過計(jì)算機(jī)模擬作為研究手段，采用理論分析和計(jì)算機(jī)模擬相結(jié)合的方法，針對某 SUV 車正面碰撞中出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)吸能問題展開研究。 （ 3）建立了 SUV 車的整車有限元模型，并進(jìn)行了仿真。 盡量增大曲率半徑：比較大的 R 角可能減輕產(chǎn)品局部變形程度，減少縮頸、開裂幾率，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本。兩個(gè) B 是推薦的方式，工藝性均優(yōu)于 A 方式。 E. 盡量避免設(shè)計(jì)需要兩個(gè)人搬運(yùn)或機(jī)械搬運(yùn)的大型零件。 3) 焊裝易定位性 以孔 /銷定位方式為首選，型面定位方式為次選，不得已情況下采用邊緣定位方式。 4) 焊裝可 /易焊性 所有焊點(diǎn)均可由公司的焊槍完成。 5) 結(jié)構(gòu)膠 /密封膠 可 /易加性 結(jié)構(gòu)膠簡單易加。外觀件內(nèi)結(jié)構(gòu)支撐件與外觀件之間涂敷 膨脹結(jié)構(gòu)膠間隙要求為 3～ 5mm，最大 6mm。 車身涂裝工藝性 No. 搭接狀態(tài) 說明 料厚要求 1 薄板在中間，厚板在兩側(cè) 最薄料厚：最厚料厚≥ 1： 3 側(cè)邊最薄料厚：其余 `兩料厚之和≥ 1： 4 2 厚板在中間，薄板在兩側(cè) 3 薄板、厚板按順序疊加 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) SUV汽車正面碰撞以及行人保護(hù)加強(qiáng)方案設(shè)計(jì) 20 1) 與其他 車型的運(yùn)載通融性（ 柔性生產(chǎn)的考慮） 此項(xiàng)檢查，其目的是本車型的柔性程度，如與本公司其他車共用定位點(diǎn)。 3) 噴涂工藝器具和輔具簡單易行 需要的噴涂工藝器具少，輔具機(jī)構(gòu)簡單，易設(shè)計(jì)，易制造，易使用 車身總裝工藝性 總裝模塊安排的合理性： 。 3 本文選題研究的主要理論方法 有限元的基本思想和理論 在科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)，對許多力學(xué)問題和物理問題，人們已經(jīng)得到了它們應(yīng)遵循的基本方程 (常微分方程和偏微分方程 )和相應(yīng)的邊界條件。有限元就是在這種背景 下提出的。單元內(nèi)的近似函數(shù)通常由未知場函數(shù)或及其導(dǎo)數(shù)在單元的各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)值和其插值函數(shù)來表示。如果單元是滿足收斂要求的，近似解最后將收斂于精確解 碰撞模擬的非線性有限元基本理論 汽車碰撞是一個(gè)瞬態(tài)的復(fù)雜物理過程，它包含以大位移、大轉(zhuǎn)動(dòng)和大應(yīng)變?yōu)樘?征的幾何非線性，以材料彈塑性變形為典型特征的材料非線性和以接觸摩擦為特征的邊界非線性，這些非線性物理現(xiàn)象的綜合作用使汽車碰撞過程的精確描述和求解十分困難。這些方法對應(yīng)不同的有限元單元，如殼體單元、實(shí)體單元和梁單元。顯式仿真算法的特點(diǎn)在于不求解聯(lián)立的方程組，從而不需存儲系數(shù)矩陣，占內(nèi)存小，且單項(xiàng)求解速度快，無收斂性問題，但顯式仿真算法存在數(shù)值穩(wěn)定性問題，即仿真時(shí)間步長不能超過其臨界值。因此，在本課題中，采用顯式仿真算法。采用 Lagrange法描述的有限元法可以處理高速碰撞工程中復(fù)雜的邊界條件和復(fù)雜的材料本構(gòu)關(guān)系，并且對接觸滑移面描述非常方便。與且僅與 b中一個(gè) 質(zhì)點(diǎn)對 應(yīng)， 反之亦然 ,使 用Lagrange描述法，現(xiàn)時(shí)構(gòu)形以初始構(gòu)形表示 : ),( tXxx ij ?? )3,2,1( ?i ?? ????????????????? （ ） 令 t=0，即可求得初始條件為 ?? XXxi ?)0,( ???????????????????????? （ ） ?? VXx ?)0,( ???????????????????????? （ ） 質(zhì)量守恒可表示為 : oJ??? ??????????????????????????? （ ） 式中 ，ρ為當(dāng)前質(zhì)量密度；ρ o為初始質(zhì)量密度； J為相對體積系數(shù)；即 Jacobi 矩陣jiy XxF ??? 的行列式值。設(shè)在閉和面上的任意點(diǎn)選取一面元 ds，如果 ds上的總的應(yīng)力 (單位面積上的力 )分量為 ni? ，則 ds面上用力為 dsni??? 。 對應(yīng)不同的邊界分別滿足 : 1)在邊界 ab，滿足牽引力邊界條件 : 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) SUV汽車正面碰撞以及行人保護(hù)加強(qiáng)方案設(shè)計(jì) 25 )(ttn iiij ?? ???????????????????????? （ ） 2)在邊界 ab,滿足位移邊界條件 : )(),( tDtXx ii ?? ?????????????????????? （ ） 3)在內(nèi)部邊界 3b? ,上，當(dāng) ??? ii xx 時(shí)，滿足接觸連續(xù)條件 : 0)( ?? ?? iijij n?? ?????????????????????? （ ） 以上各式中， ij? 為柯西應(yīng)力張量 。 能量方程 能量方程為 : ??? ??? VqpVSE ijij )(? ???????????????????? （ ） 式中 : V為現(xiàn)時(shí)構(gòu)形的體積 : ij?? 為應(yīng)變率張量； q為體積粘性阻力 偏應(yīng)力張量 : ijijij qpS ?)( ???? 靜水壓力 qqphkij ?????? ?? 3131 ??? ??? ji jiij 。k為單元節(jié)點(diǎn)數(shù) 。為了提高計(jì)算效率，對此微分方程采用數(shù)值積分方法來求解。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) SUV汽車正面碰撞以及行人保護(hù)加強(qiáng)方案設(shè)計(jì) 28 己經(jīng)發(fā)現(xiàn)，對波傳播問題，隱式法的時(shí)間步長必須大致同顯式法的時(shí)間步長相同，以滿足精度要求。 將運(yùn)動(dòng)微分方程 ，積分算式如下所示 : }]{}[{][ 1.. nnn FPMx ?? ? ?????????????????? （ ） nnnnn xttxx ??????? ????? )(21 12121 ???????????????? （ ） 式中， nx? 為 tn 時(shí)刻的節(jié)點(diǎn)加速度矢量， 21??nx 為 21??nt 時(shí)刻節(jié)點(diǎn)速度矢量， 1?nx是 1?nt 時(shí)的節(jié)點(diǎn)位移矢量。國內(nèi)具有代表性的產(chǎn)品有北汽生產(chǎn)的三菱歐藍(lán)德，東風(fēng)生產(chǎn)本田 CRV，鄭州日產(chǎn)帕拉丁和山東華泰圣達(dá)菲等作為高檔 SUV 代表，以長城賽弗和哈上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) SUV汽車正面碰撞以及行人保護(hù)加強(qiáng)方案設(shè)計(jì) 29 弗，江鈴陸風(fēng)、長豐獵豹和奇瑞瑞虎等作為經(jīng)濟(jì)型國產(chǎn)車代表。 因此，本車應(yīng)當(dāng)符合歐洲 碰撞標(biāo)準(zhǔn) NCAP 法規(guī)。性質(zhì)：獨(dú)立于法規(guī)及管理體系之外，綜合評價(jià)汽車安全性能，由具公正地位和權(quán)威性的機(jī)構(gòu)實(shí)施。試驗(yàn)項(xiàng)目： 16km/h 正面 40％偏置碰撞， 50km/h 正面碰撞， 29km/h側(cè)面柱碰撞 (選做 ) 由于必須滿足法規(guī)的要求 ,本 SUV車需要對車輛前艙總程中的前防撞梁、前縱梁等 主要 吸能結(jié)構(gòu) 進(jìn)行深入的分析和研究。對 SUV 車來說，車架結(jié)構(gòu)上的縱梁是主要的吸能部件。對于已經(jīng)量產(chǎn)的車輛，修改前端主要吸能件涉及到巨大的零部件修定和模具的重新研發(fā)，需要大量的資金和時(shí)間。 2) 前縱梁前端 Y 向彎曲剛度 （ 1）邊界條件 約束及載荷情況如下圖所示： 圖 約束及載荷情況 實(shí)際測得值 = 12488[N/mm] 期望值 10000 [N/mm] 約約 束束 ?x ?y ?z Tx Ty Tz 加加 載載 Y = 2 000 N 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) SUV汽車正面碰撞以及行人保護(hù)加強(qiáng)方案設(shè)計(jì) 34 （ 2）前縱梁前端 Y 向彎曲剛度計(jì)算結(jié)果 圖 計(jì)算結(jié)果 由上圖可知計(jì)算結(jié)果不符合 期望值，結(jié)果不滿意。 防撞梁低速碰撞分析及修改方案 原方案的分析 1） 概述 實(shí)實(shí) 際際 Y向向 值值 =2021/ =490 N/mm 實(shí)實(shí) 際際 Z向向 值值 =2021/=571 N/mm 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) SUV汽車正面碰撞以及行人保護(hù)加強(qiáng)方案設(shè)計(jì) 37 分析了防撞梁在 8KM/h 低速碰撞模型下沿 X 向入侵行為。碰撞速度為 8 KM/h，滿載時(shí)質(zhì)心處加載質(zhì)量為 。單元數(shù)量 140240個(gè)，其中 網(wǎng)格和 Tria Element共 138935個(gè)， 1D Rigid body 共 1305 個(gè)；防撞梁拐角約 12176。 3） 材料屬性 表 模型一材料表 Mat Den (kg/mm3) T(mm) E(MPa) μ Y－Stress(MPa) 防撞梁 Aluminum － 6 69 146 吸能盒 Steel 2 206 280 縱梁 Steel 2 206 385 4） 加強(qiáng)模型計(jì)算結(jié)果 圖 碰撞模型 amp。 由上可知，須選用拐角為 12176。 圖 兩方案 3D數(shù)模對比 根據(jù) NCAP 法規(guī)加強(qiáng)前縱梁的耐撞性 前縱梁的耐撞性研究概述 現(xiàn)防撞梁結(jié)構(gòu)斷面 —— 焊接，成本低，強(qiáng)度低 原模型，拐角 26176。 與 RX350 縱梁的比較與仿真模擬 RX350是一款嚴(yán)格按照 NCAP法規(guī)校核并通過法規(guī)校核獲得四星標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)可，因此通過與 RX350前縱梁的對比，能幫助更為有效的達(dá)到法規(guī)要求，從而達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。 圖 50km/h 縱梁變形圖 20ms 30ms 40ms 50ms 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) SUV汽車正面碰撞以及行人保護(hù)加強(qiáng)方案設(shè)計(jì) 47 將測得的數(shù)據(jù)與法規(guī)做進(jìn)一步校核 表 法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)校核表 由表 可知， 16km/h 和 50km/h 的兩項(xiàng) NCAP 法規(guī)要求的碰撞測試與相應(yīng)的校核 ,本 SUV 車基本滿足法規(guī)要求。好 中 好 中 中 中 中 好 中 中 中 好 差 好 中 滿意度 安全 安全 油箱 62 100 X（ Stat.） 前擋板最大侵入量 （ mm） 21 50 Z（ Stat.） 51 100 X（ Stat.） 油門踏板移動(dòng)量 （ mm） 27 50 Z（ Stat.） 55 100 X（ Stat.） 離合器踏板移動(dòng)量 （ mm） 21 50 Z（ Stat.） 34 100 X（ Stat.） 剎車踏板移動(dòng)量 （ mm） 22 30 右 19 30 左 門檻附近 （ Max./Stat.） 20 30 右 17 30 左 腰線附近 （ Max./Stat.） A柱后移量 （ mm） 44 50 Z（ Max./Stat.） 21 50 Y（ Max./Stat.） 24 50 X（ Max./Stat.） 轉(zhuǎn)向管柱中心移動(dòng)量 （ mm） 計(jì)算值 參考值 項(xiàng)目 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) SUV汽車正面碰撞以及行人保護(hù)加強(qiáng)方案設(shè)計(jì) 48 另一方面，控制部件的變形，控制發(fā)動(dòng)機(jī)、車輪等變形侵入駕駛艙，造成 對乘員的傷害。因此縱梁部分結(jié)構(gòu)的改進(jìn)方案有兩種 :一種是在縱梁的彎折處加強(qiáng)剛度，使其在碰撞過程中盡量不發(fā)生彎曲 。 分析內(nèi)容 發(fā)動(dòng)機(jī)罩和前窗在第一階段要求 兒童 /矮小成人頭部撞擊模擬器以 35KM/H 速度作用發(fā)動(dòng)機(jī)罩表面，并強(qiáng)制要求傷害值，以 成人頭部撞擊模擬器作 用前窗作為監(jiān)測。 5 根據(jù) NCAP 行人保護(hù)的校核 行人保護(hù)的 目