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云计算-带有假人模型的轿车正面碰撞模拟计算与分析.pdf
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第一章绪论
第一章绪论
1.1引言
随着社会的发展,人类社会的进步,汽车正曰益成为人类生活中的交通工具,成为支持
社会、经济和文化活动的基本工具,成为创造舒适和方便的不可缺少的工具。而同时汽车也
给人们带来了不可避免的灾难,那就是交通事故。由此,汽车的安全性在汽车性能中就显得
格外重要,尤其是汽车的使用者对汽车的安全性提出了越来越高的要求。世界上汽车工业发
达国家都通过立法,并根据法律制定技术法规和实施产品认证制度来实现法制管理;采取不
断提高技术法规指标和要求的手段,来管理和约束汽车制造业及其相关产业,从而推动汽车
安全技术的不断进步。
汽车安全性按交通事故发生的前后可分为二类:一方面,在交通事故发生之前采取安全
性措施,尽可能避免交通事故的发生,即所谓的主动安全性;另一方面,是在交通事故发生
之后,最大限度地减少司机和乘员直接受到伤害的程度,也即所谓的被动安全性。作为被动
安全性研究的主要内容,就是如何合理地进行车身结构的安全性设计,使得利用车身变形尽
可能吸收能量以减少对乘员的冲击和防止作为乘员生存空间的车厢的变形;同时,又要采用
乘员约束系统,防止或减轻乘员与车厢部件发生的二次冲击造成的伤害。车身结构的安全性
设计和乘员约束系统的采用,两者相辅相成,密不可分。
汽车的被动安全性研究在国外开始于六十年代,并随着计算技术和试验手段的提高取得
了长足的发展。作为推销汽车产品的重要意见和用户考虑的要求之一,提高汽车的被动安全
性受-NT众多汽车生产商的重视,美国、日本和西欧等汽车制造公司都有专门的技术人员和
最先进的计算机设备充实汽车被动安全性的研究和分析工作。这些国家还建立了各自的汽车
安全法规和标准,同时处于市场竞争力的逼迫下,许多实力雄厚的汽车制造商都有~套比国
家汽车安全法规更严格的标准。积极开展汽车被动性研究和贯彻安全法规的结果,使得这些
国家的汽车事故中的死亡人数大为减少,效果是明显的。
我国近年来在参照国外汽车安全性法规和标准的基础上,也相继制定了一些汽车安全标
准。1989年我国颁布了《中华人民共和国标准法》,明确将涉及人体健康、人身财产安全、
污染和能耗及资源等方面纳入强制性标准,并规定:凡是不符合强制性标准要求的产品,不
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第一章绪论
得生产、销售和使用。1995年我国已将涉及汽车安全、环境保护和节能方面的66项标准纳
入强制性标准体系,其中主动安全标准37项,被动安全标准13项,这些标准大多是参照
ECE法规和EEC指令制定的。关于汽车被动安全性研究,我国也己起步,国内如清华大学、
吉林工大和同济大学等对汽车结构强度和乘员约束系统作了一些初步的分析研究工作。
在被动安全性研究工作中,试验无疑是检验车辆安全性的最为准确和可靠的手段,但需
要花费大量的金钱和时间,于是加速了数学模型的出现和发展,随着人们对汽车被动安全性
研究的不断深入,以及大型计算机和机群技术的飞速发展,尤其是模拟计算方法得到了不断
的改进,推动了以有限元为基本理论的模拟方法的迅猛发展,当然这也得益于一些应用价值
的商业软件的出现,如ANSYS/LS--DYNA,PAM.CRASH等。
由于在碰撞过程中车身结构和零部件变形的高度非线性化,以及由于许多非线性材料的
大量使用,耍精确预测碰撞中的整个汽车结构响应是非常困难的。现有的软件在模拟趋势上
和实际试验结果大体吻合。而且模拟计算的方法为汽车生产商快速开发新车型和改型提供了
可能,因此已经成为了各汽车公司进行被动安全性研究的核心技术。
1.2课题的背景和意义
由于历史条件、经济状况的制约,在汽车碰撞过程模拟计算方面的研究起步的较晚,而
此项技术又是汽车设计和开发的关键。要与世界汽车开发技术接轨,就必须充分利用现有的
条件,借鉴国外的先进的经验,与国内各汽车厂商的实际开发工作紧密结合,在实践中摸索
出一套我们自己的被动安全性开发体系,真正的实现我国轿车的自主开发。国内各研究机构
和汽车厂商在车辆碰撞的计算机模拟方面的研究起始于90年代中期,尤其是对于乘员在碰
撞过程中伤害程度的研究,还是基本上停留在先通过第一步的模拟计算,由结果得到汽车局
部结构的有效变形量来间接评价乘员的伤害程度。而本文则将假人放置在整车模型内进行模
拟碰撞.依其计算结果直接得到假人的伤害指数,并据此对安全带、安全气囊等约束保护装
置的优化设计提供参考依据。
1.3本论文的技术路线
本课题采取的研究方法是计算机模拟。首先采用UG、I-DEAS、SAFEEDITOR、GENERIS
等软件建立整套乘员约束系统的有限元建模,仪表板,方向盘,转向柱及其支架,转向器及
其支架,踏板,座椅(头枕,靠背.坐垫)。然后对整套约束系统进行模拟计算。考虑到本
第一章绪论
文使用的整车模型为Santana
2000型(AG4)轿车,其有效性已经得到了验证。因此在此基
础上机型的模拟计算的可行性和有效性也得到了保证。一般而言,模型的有效性就是指模型
的可靠性和可扩展性。模型的可靠性要求模型的计算结果和实验结果的一致性。模型的可扩
展性要求模型能够得到实验无法获取的数据同时预测改进设计后模型的碰撞结果。只有一个
有效的模型才能准确的分析碰撞中各部件的变形和受力情况,从而指导车型的改型。
在完成了上述的步骤后,按照法规规定的碰撞试验条件进行整车碰撞的有限元模拟计
算。这部分工作仍将利用法国ESI公司的PAM--CRASH软件来完成。该软件是专用碰撞有
限元模拟软件,被国际各大汽车制造厂商和研究机构广泛采用作为汽车碰撞安全开发的有力
工具。PAM—cRASH自带与许多网格生成软件的数据接口,因此可以顺利地读入其他软件
生成的有限元网格模型。该软件还提供了诸如刚体(RIGID
BODY)、刚墙(RIGID
WALL)、
焊点(SPOTWELD)、铆接(RIVET)、运动铰(JOINT)、弹簧单元(SPRING)等多种实
体,使得模拟汽车车身的复杂结构成为可能。同时其下属的子模块程序PAM
SAFE提供了
一个50百分位刚体假人,这个假人是本文的数据依据。此外,其PAMVIEW后处理功能也
十分强大,可以方便地检查某一点在整个碰撞过程中加速度特性以及假人的HIC值及其他
伤害指标,方便有限元模型模拟计算结果和实车碰撞结果作对比。
第二章正面碰撞的安全性分析
2.1汽车正面碰撞的安全性分析
2.1.1汽车碰撞安全性问题的概述
根据汽车交通事故的全过程,可以将汽车的安全性分为5个阶段:安全驾驶、事故预防、
事故避免、碰撞安全性能和碰撞后的安全性。在交通事故中,人、车、道路环境是3个主要
因素。图1.1所示为美国公布的造成交通事故的各种因素的比例。
图1-1造成交通事故的各种因素的比例
从图1-1可以反映以下问题:人、车、道路环境3个因素占了所有因素的99%,其中
人是最主要的因素,直接由人的过失造成的事故占57%,与之相关的事故占93%,美国
在FMVSS安全法规的约束下,单车的安全性能已经达到了相当高的水平,直接由于车辆造
成的事故仅占2%,与之相关的也仅占11%。因此把人作为被动安全性研究的出发点。充
分考虑人与汽车、人与环境的相互作用,对减少交通事故,减轻人受到的伤害有重要意义。
2.2汽车正面碰撞的试验和法规
改进汽车的安全性,有效地减少汽车道路交通事故造成的损失是我国汽车行业近几年的
重要工作之一。为了提高汽车安全性,欧、美、日等汽车工业发达国家由政府制定了汽车安
全法规,通过汽车安全法规的强制实施,促进汽车生产厂商切实地改进产品的安全性。实践
证明,这是一项切实可行并且效果十分显著的措施。在汽车安全法规的约束下J,美国、欧洲
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第二章正面碰撞的安全性分析
第二章正面碰撞的安全性分析
2.1汽车正面碰撞的安全性分析
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1.1汽车碰撞安全性问题的概述
根据汽车交通事故的全过程,可以将汽车的安全性分为5个阶段:安全驾驶、事故预防、
事故避免、碰撞安全-陛能和碰撞后的安全性。在交通事故中,人、车、道路环境是3个主要
因嚣。图1.1所示为美国公布的造成交通事故的各种因素的比例。
图1—1造成交通事故的各种因素的比例
从图1.1可以反殃咀下问题:人、车、道路环境3个因素占丁所有因素的99%,其中
人是最主要的因素,直接由人的过失造成的事故占57%,与之相关的事故占93%,美国
在FMVSS安全法规的约束下,单车的安全性能已经达到了相当高的水平,直接由于车辆造
成的事故仅占2%,与之相关的也仅占11%。因此把人作为被动安全性研究的出发点,充
分考虑人与汽车、人与环境的相互作用,对碱少交通事故,、碱轻人受到的伤害有重要意义。
2.2汽车正面碰撞的试验和法规
改进汽车韵安全性,有效地减少汽车道路交通事故造成的损失是我国汽车行业近几年的
重要工作之一。为了提高汽车安全性,欧、美、日等汽车工业发达国家由政府制定了汽车安
全法规.通过汽车安全法规的强制实施,促进汽车生产厂商切实地改进产品的安全性。实践
证明.这是一项切实可行并且效果十分显著的措施。在汽车安全法规的约束下,美国、欧洲
证明,这是一项切实可行并且效果十分显著的措施。在汽车安全法规的约束下,美国、欧洲
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