基于虚拟现实技术的汽车碰撞仿真研究本科论文.doc
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1、青岛理工大学工学硕士学位论文目 录摘要IAbstractIII第1章 绪论11.1 研究背景与目的11.2 国内外研究现状21.2.1 汽车被动安全性及研究内容21.2.2 汽车实车碰撞安全法规41.2.3 国内外对汽车仿真碰撞的研究81.3 本研究主要内容与技术路线151.4 本章小结16第2章 汽车正面碰撞的有限元模型建立172.1 汽车碰撞有限元模型建立流程172.2 几何模型的建立182.3 模型简化及网格划分182.4 部件的材料、属性赋予及连接202.5 边界条件与控制参数设置212.6 本章小结25第3章 整车碰撞仿真及结果分析263.1 LS-DYNA软件简介263.2 撞击力
2、的传递路径及碰撞评价指标313.2.1 汽车正面碰撞力传递路径313.2.2 评价指标323.3 计算结果分析353.3.1 变形分析363.3.2 能量变化分析403.3.3 加速度变化分析413.4 本章小结43第4章 结构优化与验证444.1 结构优化444.2 改进结果验证464.2.1 改进后位移曲线分析464.2.2 改进后加速度曲线分析474.3 本章小结48第5章 结论与展望49参考文献50攻读硕士学位期间发表的学术论文及科研工作53致谢54II青岛理工大学工学硕士学位论文摘 要现代社会交通事故频发,人们对生命安全的重视程度日渐增强,在这样的背景下,对汽车被动安全性进行深入探讨
3、显得尤为必要。欧美国家率先利用实车进行汽车正面、侧面等不同碰撞形式的撞击试验,分析统计结果后制定出了符合本国国情的安全法规。随着科学技术的发展,人类对计算机技术和非线性有限元理论有了更深入的认识,现阶段大部分的碰撞试验都是采用计算机软件来模拟完成的,能够很好地辅助研究实车碰撞事故。本研究归纳了国内外颁布的汽车碰撞安全法规及新车碰撞评定标准,分析了主要的安全条例的类型及发展历程,阐述了虚拟仿真技术在汽车碰撞研究中的发展轨迹及其在该领域中的地位,探讨出了我国在汽车虚拟仿真试验存在的不足。本研究基于某款汽车进行了正面全宽的虚拟碰撞仿真,研究了其吸能部件变形及乘员舱完好性情况。采用有限元方法建立了包括
4、白车身、轮胎、立柱、发动机等主要响应结构的整车有限元模型;根据我国新车碰撞评价要求进行相关设置,研究了正面碰撞中保险杠、前纵梁、A柱等关键部位的位移、能量、加速度等数据的波动情况,指出了结构上的缺陷导致了碰撞力在传递路径上的扭曲,碰撞能量吸收效率降低,从而对乘员造成直接或者间接的危害;针对结构不足提出了在吸能部件的碰撞力传递连续性及乘员舱刚度方面进行改进的方案,并进行了再次验证。对比改进前后的结果发现结构的优化提高了车辆的被动安全性,减少对乘员的不利影响。由于整车模型复杂,涉及车体网格划分、材料属性赋予、边界条件及控制参数设置等内容,建模及计算用时较长,操作上主要参考其他文献经验,在计算精度上
5、存在误差,依然能够为车辆的碰撞仿真研究提供一定的参考价值,对提高车身的耐撞性研究有较为深远的意义。关键词 虚拟仿真;汽车碰撞;车辆安全 II青岛理工大学工学硕士学位论文AbstractNowadays, the emphases on the safety are growing, and a large number of road traffic accidents occur every year. Research on automotive passive safety becomes particularly necessary and urgent. Europe and the
6、 United States carried out real car crash test first and proposed the regulation about head-on collision, side collision, etc. With the development of computer technology and nonlinear finite element theory, computer softwares are used to simulate various types of collision tests commonly, are good
7、tools to study the real vehicle collision.The study concluded the national regulations about automotive collision safety and the development process of the new car safety regulations at home and abroad. The technology and importance of virtual automotive collision simulation was described. The paper
8、 explored the weakness on our virtual simulation test after analysising the research status in the automotive collision simulation. In this study, head-on collision simulation was carried out based on one certain model car to study the response of the energy absorbing deformation and the integrity o
9、f the passenger compartment, according to the evaluation criteria of new car facing collision requirements. Finite element model of the whole vehicle was built including body structure, chassis structure, engines and other parts using for head-on collision and relevant set of the model and collision
10、 simulation was completed. After analyzing the deformation, energy and acceleration of the bumper, front stringer, A column and other key components, this paper pointed the disadvantage on structure causing the distortion path of collision force transmission, low collision energy absorption rate and
11、 direct or indirect damage on the occupant. After analyzing the structural defects by comparison, measures were proposed to improve the collision force transmission continuity of energy absorbing members and crew cabin rigidity. After the second simulation was carried to verify the results, The comp
12、arison curve greatly changing showed that passive safety was improved and the adverse effects acting on the crew was reduced。Because the whole vehicle model is more complex, it takes a long time to complete the heavy workload and the simulation including meshing, giving the parts some material prope
13、rties, loading constraints on the key components and setting the related control parameters. Analyses of model contact form completely rely on the experience of the operator, so the calculation accuracy is not very high. However, this study could provide some reference on the vehicle head-on and sid
14、e collision simulation and have a positive effect on improving study in the collision safety of automotive.Keywords Virtual Simulation; Automotive Collision; Vehicle Passive Safety IV第1章 绪论1.1 研究背景与目的汽车安全问题自18世纪瓦特发明蒸汽机之后便产生了,现代社会机动车保有量不断增加,交通道路碰撞事故复杂多样,对社会的警示是震慑性的,汽车安全性受到人们的重视,也被研究人员提上了开发日程,相继创造出具有主
15、动防御功能和减少事故损伤率的安全装置。这些设施的应用使得车身的结构能够在交通事故发生时为乘员尽可能多的安全防护。汽车被动安全性最早是通过实车与障碍物发生撞击来研究的,进行车身正面、侧面、追尾等碰撞以及车辆与行人间等多种碰撞形式。实车碰撞与真实情况最为接近,得到的测试数据也最为准确,但是每次试验花费相当高,而且需要进行大量的前期准备工作,碰撞后不能对相关结构进行及时调试改进。现实生活中发生的事故可能是两车之间的碰撞,也可能是多车之间的事故,这些复杂多变的情况限制了实车试验的广泛开展。虚拟仿真方法便是针对实车碰撞花费高、周期长而迅速发展起来的技术,能够借助计算机实现车辆碰撞的虚拟描述,在短时间内完
16、成多次试验修改,这对于车身研发部门乃至后期的车体部件的改进都有长远的应用价值。汽车产业的迅猛发展使得汽车的保有量每年成指数式增长,行驶速度也有了质的飞跃,但是交通设施、交通部门的管理水平、车辆自身的安全性等配套系统并没有得到同步的发展,这种不协调导致了我国交通事故的频发。有数据表明,各类碰撞事故中正面碰撞是最为多见的,达到60%以上的概率,是主要的碰撞事故研究工况。我国自1986年后交通事故的死亡人数便是世界上最多的。这些不良交通状况的出现不仅导致了大量的财产损失,造成的人员伤亡也是触目惊心的。公安部交管局在2011年发布的交通事故统计数据中明确指出,我国上半年便发生了1840多起交通事故,造
17、成直接损失4.4亿元人民币,106370余人受伤,2.6万多人死亡,同比事故率上升了1个百分比1。综合以上财产、人员的损失,不仅需要通过车身结构优化来提供更加安全、舒适的乘坐环境,还要最大限度地降低社会损失,这就要求综合考虑驾乘人员、道路环境和车身自身结构等多种因素,全面客观地预防和解决问题。车辆之间发生碰撞虽然是短短的几秒钟,碰撞历程却复杂,局部车身的大变形会对乘员或者车外人员造成不可估量的损伤。像我国这样的发展中国家进行大量的实车试验所需财力远远超出本国经济的承受能力;计算机虚拟仿真技术却允许研究人员建立车身有限元模型,进行基本参数的设定,然后在交互的环境下实现车身主要部件在碰撞过程中的变
18、形、能量吸收情况的研究以及碰撞形式对乘员的伤害。这种利用计算机进行碰撞模拟的方式可以避免实车碰撞引起的成本高、耗时长的弊端,从源头上对汽车部件的被动安全性进行验证,对结构不合理部位进行针对性改进。本文主要研究路线是针对汽车在固定障碍物碰撞过程中的主要表现,分析吸能结构上的欠缺,提出改进吸能效率的方法;以及对变形不明显的区域进行观测,分析其位移量是否超出了可接收的范围。对结构进行优化后可以提高车身前部的吸能能力以及维持了车身中部构件的坚固性,进而保证了车内人员的安全性,这些工作的实施能够为后期的汽车实车碰撞提供更多的参考依据。这种方法能够在提高车辆的撞击承受能力的同时降低了车身的总重量,适应了现
19、代社会对人身安全的重视程度的不断提高的发展趋势,也直接或间接地影响着汽车生产企业在市场中的竞争能力。此外对于相关部门制定安全法规或标准,也能够对碰撞过程提供定量、定性的参考作用。1.2 国内外研究现状1.2.1 汽车被动安全性及研究内容汽车安全性总体分为主动安全性和被动安全性2。前者涉及内容广泛,主要是为了避免车辆与其他人员或者物体之间撞击现象的发生,包含制动、照明、预警装置等各种安全设施的设计与应用。车身已使用的设备有四轮驱动系统、车轮防抱死系统、全球定位导航系统、巡航系统等。汽车被动安全性则是在撞击发生时对车内、外的人员提供保护,通过增加碰撞部位吸能缓冲部件、提高乘员舱刚度、加装安全气囊等
20、方式来保证人员的安全。现在的研究已从单纯地研究主、被动安全性转向将二者共同应用到预警碰撞系统中,为乘员提供综合的安全保障。车辆被动安全性还可以依据车内人员还是车外行人的保护进行研究。车身内部的改进是围绕车内乘员安全开展的,通常通过降低碰撞后车身传递到乘员身上的加速度和碰撞力的大小,从而为乘员的安全逃离提供足够的空间,主要涉及车身吸能部件的效率、乘员舱结构的强度及乘员安全约束系统的性能研究。车外的研究则主要是针对车外的行人或者非机动车驾驶者的安全深入的。车外人员受伤的机理和程度都取决于车身外部形状及部件的变形情况,这方面主要涉及发动机罩的结构优化、车身气囊的设计等。针对车身内外部的研究还可以分为
21、三个大体的研究方向:车身结构的耐撞性研究、乘员保护系统的研究、人体受到撞击后的损伤机理及响应研究3。具有良好碰撞响应的车辆通常具有较高的能量吸收能力,能够按照合理的变形形式进行理想的压缩和褶皱,从而为乘员保留出逃生空间来设施逃离或者救援;乘员约束系统的研究则是为了防止乘员在碰撞发生后与车内的物体发生相互接触甚至损伤,该功能的实现通常利用安全带、安全气囊的合理搭配及结构的优化来降低乘员头部、胸部、颈部等部位受到的冲击;人体生物力学的研究则是围绕事故发生时乘员的损伤机理和承受极限开展的,主要借助标准化的假人模型来观测撞击发生后身体各部位的响应情况。汽车被动安全性的研究可以采用经验法、试验法和计算机
22、仿真三种主要方法4。经验法是较为早期的方法,依赖于研究人员的经验进行评估,并通过对多种情况进行总结分析后提取出具有可行性的方案。这种依靠分析人员直觉和经验的评价方法研究汽车的被动安全性可采用经验法、试验研究法和计算机仿真三种主要方法。经验法是较为早期的方法,早期研究采用的经验法依赖于研究人员的时间经验来进行评估,通过对多种情况的总结分析提取出试验中具有可行性的方案。这种评估方式中分析人员的经验和直觉是最为主要的评价标准,却存在不能够细致量化的缺陷,但依然为后期的研究发展奠定了坚实的根基。在试验设施的不断完善的现代社会最为准确的研究方法当属利用实车进行碰撞,因为这种方法最接近于现实生活中的状况,
23、得到的碰撞结果也是最为直观准确的,可以全面客观地评估试验结果。这种方法存在的不足主要体现为试验条件越是接近真实工况,所需的部件就会越多,反而会降低整体数据的准确性。该种方法是新车在设计、定型及发布过程中的必经环节,主要测试新车是否符合法规的要求。计算机虚拟仿真方法是现在发展最为迅猛、适用范围最为广泛的研究手段,是计算机计算和力学理论的综合体,能够在汽车研制的初期便进行车身耐撞性方面的探讨,实现多个开发部门间的协同工作,在最短的时间内完成车辆的研制,具有利用率高、成本低等优势,可以大幅降低车辆的研发成本。现阶段通常将虚拟仿真与实车试验综合利用,前期采用计算机完成虚拟设计,后期通过实车进行验证,评
24、估设计的合理性,让二者扬长避短地发挥效用来提高汽车的被动安全性。1.2.2 汽车实车碰撞安全法规在研究汽车碰撞的历程中,各国都对多发的碰撞形态较为重视,通过交通事故统计数据得出了车辆主要有正面、侧面、追尾碰撞以及翻滚、行人保护碰撞形式,并通过对各种情况进行总结分析后提出了符合本国实际情况的安全法规条例,主要有两个大的类别,一个是由国家政府颁布的法规条例,一个是由社会机构的提出的实施纲要。国家安全法规是上市的每台车辆都要满足的基本要求,在这些法规中最具有代表意义的是美国的FMVSS和欧洲的ECE;社会组织发布的标准则是从实际的操作经验中总结出来的,实施起来要比国家法规相对严格一些,主要是各个国家
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