基于ls-dyna的汽车侧面碰撞仿真研究

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基于LS-DYNA的汽（申请工学硕士学位论文）车侧面碰撞仿真基于LS-DYNA的汽车侧面碰撞研究仿真研究史文艳培养单位：汽车工程学院武汉学科专业：车辆工程理工大研究生：史文艳学指导老师：乔维高教授2014年5月万方数据 类号密级UDC学校代码10497学位论文题目基于LS-DYNA的汽车侧面碰撞仿真研究英文题目StudyonVehicleSideImpactSimulationBasedonLS-DYNA研究生姓名史文艳指导教师姓名乔维高职称教授学位博士单位名称汽车工程学院邮编430070申请学位级别工学硕士学科专业名称车辆工程论文提交日期2014年5月论文答辩日期2014年5月学位授予单位武汉理工大学学位授予日期答辩委员会主席评阅人2014年5月万方数据 独创性声明本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名：日期：关于论文使用授权的说明本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。（保密的论文在解密后应遵守此规定）签名：导师签名：日期：万方数据 摘要我国汽车保有量不断地迅速增长，因此而造成的交通事故也越来越多。由于我国的道路基本国情以平面交叉为主，因此交通事故中侧面碰撞发生的占有率最大，尤其对于轿车来说，车体侧围多以薄钢板焊接而成，是汽车车身最为薄弱的地方，且一旦轿车与侧面物体发生碰撞，并由于侧围没有足够的溃缩空间而占用车内生存空间，车内驾乘人员就很容易受到侧围部件的冲击挤压而造成严重伤害。侧围部件中B柱是侧面碰撞发生时的主要受力部件，且正对驾乘人员的身体各部位，许多学者研究发现侧面碰撞发生时B柱部件的侵入形态、侵入量及侵入速度能够直接反映侧面碰撞对车内驾乘人员的伤害程度。因此通过研究B柱的这三个安全性指标，开发一种对乘员安全性能起到最大保护作用的B柱结构从而改善汽车侧面碰撞安全性能将具有重要的意义。本文选择的课题是关于移动变形壁障的侧碰安全性，通过正交表设计虚拟试验使用LS-DYNA求解来优化B柱的结构参数从而改善车辆侧面碰撞的安全性能。首先，依据侧碰法规在HyperMesh软件中创建移动变形壁障侧碰形式的有限元仿真模型，将K文件导入LS-DYNA求解；然后在仿真结果可信的前提下对B柱关于三个指标的响应B柱侵入形态，侵入量和侵入速度做详细分析，指出理想变形模式，侵入量和侵入速度的限值，以及该车型存在的不足及对乘员造成的伤害模式；接着针对车型B柱不足处及碰撞中乘员的损伤模式，对B柱的影响因素做正交试验显著性分析，并对显著性因素做进一步优化设计，通过矩阵型权重分析法来确定最优方案；最后在验证试验中得到B柱腰线处侵入量降低35.647%，腰线处侵入速度减小35.046%，且变形模式与理想型相吻合。研究结果表明，正交设计B柱各部件的材料和厚度，以此来提升B柱耐撞安全性能是一种简便可行的方法，使B柱的各个安全指标值能达到很大程度的改善。本文研究思想为改善B柱耐撞性，提高汽车侧面碰撞安全性能提供了一定参考。关键词：MDB，侧面碰撞，B柱，耐撞性，正交优化I万方数据 AbstractInChinathetrafficaccidentsaremoreandmorewithcarownershipcontinuouslyincreasedrapidly.Ourcountryaremainlyflatcrossroads,sothesidecollisioninthelargestshareoftrafficaccident,especiallyforcars,carbodysideismainlythinplatesweldedtogether,whichisthemostweakplaceincarbody,sooncethecarhavesidecollisionandthesidedoesnothaveenoughspacetotakeuptheinteriorlivingspace,thevehicledrivingpersonnelmayeasilyhitbythesidesurroundpartsextrusiontocauseseriousharm.Insidesurroundparts,Bpillaristhemainstresscomponentswhensideimpactoccursandoppositethebody.ManyscholarsstudiesfoundthatBpillarpartscandirectlyreflectthesideimpactdamagedegreeofthevehicledrivingpersonnelformintrusionform,intrusionamountandintrusionspeed.SothroughthestudyofBpillar’sthreesecurityindex,todevelopakindofBpillarofmaximumprotectiveperformanceofoccupantsafetysoastoimprovevehiclesideimpactsafetywillhasthevitalsignificance.ThisarticletopicisMDBsideimpactsafety,byorthogonalvirtualexperimentandLS-DYNAsolutiontooptimizetheBpillarstructureparameterstoimprovethevehiclesideimpactsafety.Firstly,createMDBsideimpactsimulationmodelinHyperMeshandimportKfileinLS-DYNAtosolve;Thenanalysisresultsinpremiseoftrustedfromintrusionform,intrusionamountandintrusionspeed.ThenonthebasisofBpillarinsufficientandpassengerdamagecharacteristics,dosignificanceanalysisbyorthogonaltestofinfluencefactorsandmakefurtheroptimizationdesignforsignificantfactorsanddeterminetheoptimaldesignbymatrixanalysis;FinallyinthevalidationtestgetBpillarwaistlineintrusionamountreducedby35.647%,intrusionspeed35.046%,andtheintrusionforminagreewiththeidealtype.ResearchresultsshowthatbyorthogonaldesignBpillarparameterstoimproveBpillarcrashworthinessisasimpleandfeasiblemethodandBpillarsafetyindexvaluesgetagreatimprovement.ThestudyideasonimprovingtheBpillarcrashworthinessandvehiclesideimpactsafetyprovidesacertainreference.Keywords:MDB,Sideimpact,Bpillar,Crashworthiness,OrthogonaloptimizationII万方数据 目录摘要...............................................................IAbstract..........................................................II目录.............................................................III第1章绪论........................................................11.1我国交通国情的调研及意义....................................11.1.1交通国情中的侧碰情况...................................11.1.2B柱关于侧碰的重要性...................................31.2汽车侧面碰撞国内外研究状况..................................51.2.1国外研究状况..........................................51.2.2国内研究状况..........................................61.3汽车侧面碰撞的安全法规......................................71.3.1美欧侧面碰撞法规简要..................................81.3.2我国侧碰法规效果.....................................111.4课题研究方向和内容.........................................14第2章汽车碰撞虚拟试验理论.......................................162.1汽车碰撞有限元基本理论.....................................162.1.1常用软件的介绍........................................172.1.2基于Lagrange的有限元思想............................182.1.3时间积分方式——中心差分法............................202.1.4薄壳理论..............................................212.1.5材料建模..............................................222.1.6接触碰撞计算..........................................232.2汽车碰撞优化研究...........................................242.2.1试验设计的方法.......................................242.2.2优化方案的确定.......................................252.3本章小结...................................................28第3章基于HyperMesh的MDB-侧碰模型创建...........................293.1车身有限元模型的创建.......................................303.2移动变形壁障有限元模型(MDB)的创建..........................33III万方数据 3.2.1移动变形壁障车的尺寸要素.............................333.2.2MDB有限元模型的创建..................................343.2.3MDB有限元模型的验证..................................363.3侧碰CAE模型的创建与验证...................................373.3.1侧碰模型的搭建.......................................373.3.2接触定义.............................................383.3.3沙漏控制.............................................383.3.4时间步长定义.........................................393.3.5侧碰模型的可信度分析验证.............................403.5本章小结...................................................41第4章汽车B柱侧碰仿真结果分析...................................424.1B柱变形模式的安全性分析...................................424.1.1安全性分析...........................................424.1.2B柱基本结构..........................................434.2B柱仿真结果分析...........................................444.3本章小结...................................................46第5章汽车B柱优化设计研究.......................................475.1试验因素的显著性分析.......................................475.1.1显著性正交试验峰值侵入量分析.........................485.1.2显著性正交试验侵入速度分析...........................495.1.3综合平衡分析.........................................505.2B柱参数优化设计...........................................505.2.1因素水平的选择.......................................505.2.2正交试验设计.........................................515.2.3优化方案的选取.......................................525.3优化方案的验证.............................................555.4本章小结...................................................58第6章全文总结及展望.............................................596.1研究工作与成果.............................................596.2建议与展望.................................................59参考文献..........................................................61附录..............................................................65IV万方数据 致谢..............................................................66V万方数据 武汉理工大学硕士学位论文第1章绪论1.1我国交通国情的调研及意义1.1.1交通国情中的侧碰情况随着世界经济的飞速增长，高级公路的迅速发展，汽车的重要性越发突出，其保有量也与日俱增，随之发生的交通事故也不断增加，造成的人员伤亡和财产损失数额之大不容小觑。查看我国汽车工业协会汽车年度产销数据可知，2013年我国累计汽车产量为2100多万辆，相比2012年增多13.6%，销售量达2100多万，较去年也增多8.7%。截止2013年年底，全国汽车的保有量达1.37亿辆，同比增长47.169%。可见我国汽车大国的地位进一步确立，但是车辆的增长带来的各种问题需要我们正视，由汽车引发的交通事故造成的伤亡损失让人痛心不[1]已。图1-1为近16年来的全国发生的道路事故数据图。图1-11996-2011年全国道交通事故数据图图1-1中柱状趋势表明我国由于汽车保有量的逐年增长而导致的道路事故1万方数据 武汉理工大学硕士学位论文以及因此而造成的伤亡人数，都是呈现出一种先增长后又逐渐降低的趋势。这是由于随着汽车产业的飞速发展，汽车文化也在不断地丰富和完善。政府以及社会相关安全法则的制定，汽车自身安全性能的提高以及大众安全意识的普及，使得汽车安全得到了相对的改善，但是一旦发生交通事故，造成的人员伤亡及财产损失就是不可估量的。现在汽车安全性的研究已经成为世界各国汽车工业的研究重点之一。我国的道路交通环境以道路平面交叉为主，很容易造成汽车正面碰撞和侧面碰撞的频繁突发，因此在道路事故中占有相当一部分比例，导致的人员伤亡也最多。另外中国道路交通事故事故形态统计信息表明，发生的事故特点为侧面碰撞的发生率及造成的人员伤亡损失比正面碰撞还要严重。如图1-2所示的[1]中国事故形态统计信息。对于汽车正面碰撞，早期重视程度比较高，其研究及防护也相对完善。而对于汽车侧面碰撞，近年来才受到世界汽车业的重视，我国相对美欧等发达国家对汽车侧面碰撞的研究更加落后，直到2006年7月才开始实施汽车侧面碰撞的相关法规。图1-22001-2007年中国不同事故形态统计信息侧面碰撞需要重视，据观察表明，平时出现的碰撞事故中，往往侧面碰撞是最多也是最危险的。更多驾驶者在遇到危险时，也会本能的避免正面碰撞，而形成侧面撞击。侧面的安全性也就显得尤为重要。正面的碰撞车头有保险杠进行缓冲，安全气囊的正面保护，反而不容易造成致命的伤害。汽车在撞击时，是会像手风琴一样折叠收缩，称为溃缩，车辆2万方数据 武汉理工大学硕士学位论文前部撞击时，由于车头空间大，溃缩距离长，相应的，能够将撞击能量用于车头结构收缩折叠而消耗掉，减少传递给成员的撞击力。而侧面就成为安全最薄弱的部分，理论上，汽车侧围结构强度比较薄弱，对于市场比例占有率最多的轿车而言，其侧面为车门，强度则更为薄弱且汽车侧面内侧与座椅的距离也比较小，，撞击点到驾乘人员的距离短，仅隔着20-30mm的距离，使得车辆的侧面没有像车前后的碰撞溃缩区来吸收撞击能量。在车辆侧面碰撞事故中，侧面结构所受到的冲击力没有较大的缓冲区域，造成侧面结构大变形，占用人员空间，与乘车人员接触发生二次碰撞，使撞击的能量更多的传递到乘员身上，乘车人员遭受到突然贯入的载荷，导致人员伤亡。同时，大多数车辆没有侧面安全气囊，侧面撞击时，头胸部和腰椎部分，尤其是头胸部更容易撞在玻璃上，造成伤害。1.1.2B柱关于侧碰的重要性驾乘人员在车内遭受侧面撞击时，乘员的易损伤部位包含有头部、胸部、[4]腹部及骨盆等。美国相关研究表明美国交通情况下的侧碰事故中头和胸部受伤比例各自高达51%和22%。图1-3中描述了我国在侧碰事故中身乘员各部分遭受AIS3+级严重伤害的百分比。图中显示，在两车或车与物体两种侧面碰撞形式中，人体各部位中胸部最关系生命要害却发生重度损伤的几率最高。图1-3侧面碰撞下的乘员各部位损伤AIS3+经过考查侧面碰撞中身体各部分受伤的缘由，发现实际上是由于汽车侧面的部件受到撞击后发生形变而占用车内乘员生存空间并发生和人体的挤压，使得乘员遭受二次撞击。这种撞击所产生的重伤率以及对生命关键部位胸部的影响如下两图所示。图1-4所示为侧面侵入量对重伤率影响的柱状图，由图发现3万方数据 武汉理工大学硕士学位论文重伤率随着侧围侵入量的增长会呈现阶段性突增，而且增幅也越来越大。图1-5呈现出胸部肋骨的形变量会随着侧围撞击速度线性增长，斜率达到4.7，即随着速度单位量增加形变量就增加4.7mm。图1-4侧碰重伤率与侧面侵入量关系图1-5肋骨变形量与撞击速度关系经上述系列考察得知，发生侧面碰撞时车内驾乘人员胸部不仅最容易受到伤害，而且其程度与汽车侧面结构所发生的侵入量及遭受的冲撞速度有着最直接的线性关系。然而突发事故中所遭受的冲撞速度基本是不可控的，因此需要研究和开发一种高安全性的侧围结构，可以有效地防止变形及减弱其遭受的冲撞速度。在现代已较为成熟的汽车侧围构成中，B柱是一个关键结构，因为在侧碰发生时，往往B柱承担着主要的受力，图1-6中描述了汽车受到侧碰时侧碰力在一瞬间的走向。可以看出，侧碰力集中于B柱，然后经由B柱向上移动到达车顶纵梁，接着沿横向支撑件而横向移动。图1-6力在侧面碰撞中的传递示意图[5]研究结果表明B柱无论从受力还是与乘员位置对应情况，都是最为关键的结构，合理地改进B柱结构对侧面碰撞及降低车内人员损伤程度影响很大。B柱软硬要适当，B柱太硬即刚度太强就不容易产生结构变形吸能而转移为内能，导4万方数据 武汉理工大学硕士学位论文致受撞车动能的迅速增大，依据图1-5肋骨变形量与撞击速度的关系理论，这样会加大了驾乘人员的危险系数；相反，如果B柱太软的话，在受到侧面冲撞时由于横向刚度不足而发生超过车身侧面内侧与座椅距离的严重变形，这样车身侧围结构也随之侵入占用驾乘人员的车内空间，因此导致驾乘人员遭受挤压伤害。所以B柱结构需要合理设计，各部分选用的刚度要适当。许多学者还研[5]究了在选定的侵入量与侵入速度情况下，B柱的不同侵入形态对假人模型产生的伤害程度。研究表明B柱腰线处侵入量小，B柱下部侵入量相对大的侵入形态能很大程度地减轻侧碰过程中对假人造成的损伤。通过上述的考查可知，B柱对于改善汽车侧面碰撞安全性能，提高对车内驾乘人员的保护能力有着举足轻重的作用，因此将B柱作为关键因素来开展研究也将非常合理，研究成果也将具有重要的影响。1.2汽车侧面碰撞国内外研究状况1.2.1国外研究状况发达国家对于汽车碰撞方面的研究可以追溯到上个世纪30年代。美国通用汽车公司就是从上世纪30年代开始进行翻车和固定壁碰撞试验。到50年代中期时出现了二次碰撞的思想，随后各国汽车工业开始积极引入各种实车碰撞和台车碰撞试验。但是这种方法耗费巨大，因此到了上世纪60年代正值计算机技术蓬勃发展的时候，人们也开始大胆尝试在汽车碰撞领域的研究中应用此技术。而最早对于汽车侧碰的研究要晚大约50年到80年代才开始，这时候对于侧碰的研究也是先尝试从实车碰撞试验开始的。同样每次试验都是破坏性的且耗时冗长，经费庞大，其基本思想就是通过试验得到信息反馈后再反复地对各个部件进行完善。如此所耗费的开发周期和试验成本都非常庞大，加之每次试验都是破坏的不可重复，因此计算机模拟碰撞仿真技术应运而生了，其技术对于车身结构、性能的研发能够大大降低成本，促使汽车研发人员试着用理论分析方法来评价汽车结构部件的耐撞性性能，在前期指导车辆结构的布置和改进方向。目前，用虚拟试验代替实际试验，利用虚拟研究分析得到安全指标，已经成为汽车业界安全技术发展的一个大方向。除此之外，经过长期的发展，国外成立了许多专门的研究侧碰试验的机构，5万方数据 武汉理工大学硕士学位论文比如：欧洲汽车安全测试机构（Euro-NCAP）、德国汽车安全测试机构（ADAC)、美国公路安全保险研究所（IIHS）等。现在被全世界广泛认可通行的碰撞安全条款主要是美国的FMVSS和欧洲的ECE两大汽车安全标准。谈到汽车碰撞试验一定离不开碰撞用假人模型，假人模型作为代替人类的第一“体验者”，有着非常严格的制作要求，假人模型的开发最初开始于1948年美国飞机军用，1950年开始筹划汽车碰撞用假人模型，随后有了GM的Hybrid2，Hybrid3，US-SID和EURO-SID的相继问世。移动壁障吸能块也由专门的研究制作厂商来供应。关于虚拟碰撞试验，汽车业研发人员主要涉及到汽车车体结构的抗撞性和驾乘人员在车内约束系统下的伤害研究，许多先驱已经收获了大量的成果。P.O.Marklund,L.Nilsson研究了在不影响侧碰安全性前提下的B柱重量最小化问题，文中提出将全局近似方法应用于瞬态加载问题，并成功应用线性化全局[9]近似和二次响应减轻了B柱25%的重量并保证安全性无损失。J.S.Ruan,T.Khalil和A.I.King建立了代表50%基本特征的头部三维有限元模型，并研究[10]了此模型的冲击响应，并与生物临床研究作对比进行了验证。B.D.Youn,K.K.Choi等人指出确定性优化设计由于没有考虑不确定性因素可能导致设计不可靠，进而提出可靠性设计的必要性，并介绍了一个用于研究大规模汽车侧面碰撞的耐撞性的应用PMA和HMV的RBDO方法，通过验证表明此可靠性优化设计[11]切实有效。1.2.2国内研究状况目前，我国汽车被动安全性的研究已经逐步建立了完整的法规体系。回望过去，这个发展的过程需要我们追根溯源。对于被动安全性的研究，80年代末期，我国才开始掀开帷幕引进FMVSS系列的安全法规。我国曾在1989年颁布了有关汽车碰撞安全性的标准，可惜当时的汽车业界对汽车被动安全的认知甚少，缺少独立的研发能力，更没有测试经验，所以这个法规未能顺利强制实施。随后1991年，清华大学试验室开发出首台汽车碰撞模拟试验台，代表我国拥有了现实意义的碰撞安全研究的能力。但是，汽车被动安全研究之日起，我国就将重点摆在了汽车在正面碰撞中的耐撞安全性之上。现在，汽车在正面碰撞中的耐撞性已得到很大提高，但有关汽车侧面耐撞性在很长时间是一段空白。汽车碰撞安全性技术涉及安全车身和乘员约束系统两大核心技术，而技术提升需要相当长的时间，尤其是车体耐6万方数据 武汉理工大学硕士学位论文撞性提升工作要求调整车辆结构，核心技术要求水平高。相关政府对于汽车侧面碰撞标准的议定以及制造商对轿车车型侧面碰撞安全性能等级的提高都需要具有满足侧面碰撞性能法规要求实车试验能力的支持和改进侧面碰撞安全性设计的专业技术指导。在我国道路交通环境中，道路规划以平面交叉为主，交通事故统计数据表明开展汽车侧面碰撞安全性研究工作以提高我国道路交通安全势在必行。加之国际上法规的快速发展，提高汽车侧撞安全性已经迫在眉睫，我国随之也开始酝酿侧面碰撞法规，追尾碰撞法规，行人保护法规。2002年，我国相关部门将汽车侧面碰撞、尾碰撞强制性标准法规的制定划入了“十五”发展规划。2002年5月30日，我国第一次汽车侧面碰撞试验在天津成功举行，试验是按照欧洲的ECER95法规进行的，通过对奇瑞生产的国产轿车车型的侧撞试验判断我国轿车车型的侧撞安全水平，并针对试验中暴露出来的问题分析了改进措施，这意味着我国创造了了符合ECER95法规的侧撞试验能力。2006年1月18号国家标准委员会颁布《汽车侧面碰撞的乘员保护》标准（GB20071-2006）和《乘用车后碰撞燃油系统安全要求》（GB20072-2006）两项标准，并于2006年7月1日起正式实施。经过不断地研究，我国也已出台了C-NCAP的试验和测评规则。这些将推动着我国的汽车安全技术更攀高峰。对于汽车碰撞安全性能的研究以及制定相关安全法规经验有许多不足，因此需要吸取美欧已经颁布的法规精华。我国的汽车强制性标准法规《轿车侧门刚度》主要是依照美国相关的法规制定的并结合中国的实际发展。目前的40项强制性标准检测是由起初的21项逐步增加起来的。《汽车侧面碰撞的乘员保护》主要是借鉴欧洲ECER95法规标准而建立的并逐渐赋予其中国特色使其成为符合中国国情的汽车安全标准。至此，我国已成立汽车正面碰撞、侧面碰撞，以及后碰撞集三位于一体的汽车碰撞国家强制性标准体系。1.3汽车侧面碰撞的安全法规目前，国际上实车碰撞安全试验法规可以分为两种：一种是国家强制性颁布的必须遵守的法规，主要有美国的FMVSS和欧盟的ECE两大车辆安全法规体系。另一种是大众为追求更高的安全指标所产生的车辆安全星级测评标准，如新型车测评程序（NCAP）和丰田公司出台的GOA安评标准。NCAP依照评定结果向客户提供车型安全性水平等级，引导消费者认知的提高。其他国家的车辆安7万方数据 武汉理工大学硕士学位论文全技术法规大多参照第一种的两个法规体系指定的。正碰试验条款主要依照美国的FMVSS208与欧洲的ECER94；侧碰试验条款有美国的FMVSS214和欧洲的ECER95。FMVSS208于20世纪80年代颁布，其前身是1966年美国政府指定的《国家交通与汽车安全法》，随后才有了车辆前排安全气囊的配置到智能化安全气囊的配置。美国算是执行侧撞保护条款的开山国家。FMVSS214在1973年颁布时单单规定了车门侧后静强度试验，即对门的力变特性作了规定，代表了汽车安全评估开始了对侧面保护性能的要求，虽然只是静态下简单的检验，也是历史上的一个前进的脚步，1990年这一试验添加了动态侧碰试验条款，离真实的汽车侧碰研究更近了一步，并于1993年起分阶段实施。1958年，欧洲最早颁布第一部法规ECE。欧洲EEVC（提高车辆安全性委员会）1974年提出了侧面碰撞试验条款，1989年开始草拟侧碰撞试验方案，1991年颁布ECE《侧面碰撞保护》草规，并于1994年5月正式提出侧碰撞法规ECER95。直到1995年时欧盟一起颁布了正碰试验条款ECER94和侧碰条款ECER95。二战平息之后欧洲诸国为了方便管理，提出起草统一的适用于每个国家的汽车安全条款，由此诞生了ECE和EEC，其中ECE得到了普遍推行，ECER95条款是关于汽车侧面碰撞的。在这个基础上，许多国家通过借鉴美欧的法规也相继起草实施了适用于本国情况的碰撞安全条款。汽车事故从汽车发明之日起就出现了，越来越多的人员伤亡也提醒人们需要对汽车碰撞的安全性做出约束。欧、美、日、德等许多汽车工业先进国家的汽车安全体系已将正碰、侧碰、追尾等常见事故形态全都囊括在内。不仅如此世界各国也开始针对汽车碰撞制定国家法规，希望以此来减少汽车事故造成的损失。汽车安全法规的建设不仅促进了研发人员对于高安全指标车型的追求，也普及了大众的安全的意识，种种努力为汽车安全的提升书写了新的篇章。1.3.1美欧侧面碰撞法规简要目前，美欧现行的侧面碰撞试验条款有诸多相异之处。这两个地方由于地理概貌，人文习俗有很大差异，所以造成了诸多条款的特殊差异，甚至可以说完全不同。其表现形式主要有：①碰撞方式不同；②移动壁障的物理量不同，如质量、尺寸、形状和性能不同；③试验用假人数量及型号不同；④碰撞设定的速度，基准点不同；⑤乘员安全指标不同。具体方式示意见图1-7。8万方数据 武汉理工大学硕士学位论文图(a)表示美国侧面碰撞方式示意图，其MDB(移动变形壁障)质量为1367kg，并且在车辆驾驶员位置和正后方位置分别布置了一个SID假人。图(b)表示欧洲侧面碰撞方式示意图，其MDB(移动变形壁障)质量相对比较轻，重950kg，只在驾驶员位置布置了一个ES1假人（目前已经更换为改进型ES2假人)。ES2假人已经得到欧洲、日本的NCAP安评标准的认可，并已采用。现今，汽车业界已出现了WorldSID假人，此款假人的侧碰生物保真性能够满足ISO条款限定，且是唯一的。将来侧碰法规经过协调之后，也许未来的统一假人模型就是WorldSID假人，也有统一的假人安全评价指标。图1-7美欧侧碰法规中的侧碰示意图对比表1-1中详细解析了两大侧面碰撞法规之间的的不同点，参照上图，可以直观详细地理解两种法规的不同之处，对其优劣进行评判。9万方数据 武汉理工大学硕士学位论文表1-1美欧侧碰试验条款比照其中移动变形壁障作为撞击试验车辆的平均车，具有一般性，它的重心设计和安装位置均有严格的标准。两种法规下的MDB中的吸能块虽然都是多层蜂窝状铝制结构。但其刚性和形变性均不相同。其中ECER95中的MDB由可动的台车、6个可变形的吸能块和制动装置3部分构成。吸能块与地面之间的间隙范围为295~305mm，FMVSS214中的MDB前端部分是模拟保险杠而制作的，并且比ECER95中相应的间隙略小。既然采用的侧碰假人型号不同，则其评价假人伤害性的安全指标也就不尽相同，二者比照见表1-2。可以看出，二者针对的伤害位置不全一样，但都集中于人体上位部分。美国法规安评指标的伤害值是以碰撞加速度（单位为g）的大小为依据的，而欧洲法规安评指标的伤害值是以形变量、峰值力的大小等为依据。10万方数据 武汉理工大学硕士学位论文表1-2美欧侧碰法规中的安全指标的比照1.3.2我国侧碰法规效果我国在社会大环境的推动下，2004年开始起草《汽车侧面碰撞乘员保护》。鉴于开展汽车碰撞安全技术以及制定相关汽车碰撞安全条款相对于发达国家都很迟，因此可以参照美欧已经颁布的法规。我国的汽车强制性标准法规《轿车侧门刚度》主要是依照美国相关的法规制定的。目前的40项强制性标准检测是由起初的21项逐步增加起来的。另外，由于我国的汽车合格评定制度与欧洲大同，所以我国在建设该项侧碰条款时大量借鉴了欧洲侧碰法规ECER95；不过考虑到我国的人体参数及车型特点与欧美人大有不同，因此也适当借鉴了日本的保安基准，当然这些借鉴全都是建立在我国的实际国情基础之上的，并于2006年7月1日起对新车型开始实施。至此，我国形成了集汽车正面碰撞，侧面碰撞和后碰撞三位为一体的国家强制型汽车碰撞标准体系。这一体系的制定推进了我国汽车被动安全的提高。该侧碰条款囊括了该项技术实施的一切细节，比如侧碰的试验程序，试验用假人的型号，移动变形壁障所要满足的指标，以及试验后对于假人的安全评定指标，并且可应用该条款的车辆范围为：车辆在标准质量下，座椅最低R点距离路面不得大于700mm的M1型载客车辆和N1型载货车辆。《汽车侧面碰撞的乘员保护》中对汽车侧碰试验技术的要求规定如下：1）侧碰试验形态如图1-8所示，首先试验场地要求平坦，整洁，干燥。移动台壁障前端要安装标准的可变形蜂窝铝材料，试验车辆停放在试验点，移动变形壁障MDB要垂直于车辆车身与驾驶员同侧，且MDB中心线要正对图1-8中试验车辆横断面上的R点。碰撞速度要准确控制在碰撞前至少0.5m的范围内移动变形壁障保持11万方数据 武汉理工大学硕士学位论文49~51km/h。碰撞时，移动壁障中垂面与通过R点的碰撞侧前排座椅中垂面距离在-25~+25mm之内，即跑偏量不超过25mm。其中速度测量仪器的精确度要保证为0.01之内。图1-8MDB-侧碰试验形态示意图2）假人模型侧碰试验中要判断人体受伤程度而采用假人模型，但我国目前的假人模型还没有得到国际认可，因此以欧洲ECER95侧碰法规中的假人模型条款为蓝本，该法规中已采用改进型ES2假人，不过我国鉴于国内情况表明我国的的侧碰试验评估中可以在两种假人中二选一，分别是EuroSID1假人和EuroSID2假人。车辆侧碰安全性能的评定是通过试验用假人的伤害位置评价指标来判定的。我国侧碰体系中对于假人各部分的伤害指标的评价方法和各指标的安全阈值描述如下：（1）HPC（头部性能指标）当车辆受到侧碰，驾乘人员头部势必与车辆产生接触。HPC（头部性能指标）就是测量假人头部重心的三向合成加速度值，是指头部从接触发生起到结束的整个接触时间段中加速度的最大算术值。HPC的计算表达式如下：2.51c2HPCmaxccadt（1-1）21cc2c11其中，a是试验用假人头部重心的三向合成加速度（m/s2），单位是g2（9.8m/s）；采集加速度与时间区域时均选用频率等级是1000Hz的通道；c1与c2为侧碰发生时从最初接触到最后脱离过程中选择的某两个时间点。由于两个点12万方数据 武汉理工大学硕士学位论文的选择是接触过程中的，接触过程又非常短暂，因此HPC对判断是否发生接触冲击响应问题上有很好的识别度，是最常采用的一项指标。我国法规规定HPC不能超过1000。其阈值表现如表1-3。表1-3头部受伤指标（HPC）阈值<650优650-767良767-883及格883-1000差>1000不合格（2）胸部伤害指标（RDC&VC）国际上普遍采用肋骨变形标准(RDC)来评测乘员伤害。指侧碰过程中胸部变形的峰值，又指胸部位置的位移传感器针对胸部任意一根肋骨所测得的测量值中的形变最大值。其值经过了等级为180HZ的通道频率滤波。标准规定肋骨形变限值RDC为42mm。黏性指标(ViscousCriterion）VC：是黏性响应的最大值，黏性响应是指在半胸部任一肋骨的瞬间压缩量和肋骨的形变速率的乘积。乘积的峰值即VC值，法规规定VC值不得超过1.0m/s。选择与RDC相同的通道频率滤波等级。VC计算表达式如下：KdKVCmax（1-2）0.14dt（3）腹部伤害指标（APF）腹部受力最大值，指布置在碰撞侧表面下39mm处的载荷传感器测得的3个力经过等级为600HZ的通道频率滤波后的的合力峰值。此试验医学规定，腹部内力受力峰值不得超过2.5KN，相当于外力4.5KN。（4）骨盆伤害指标（PSPF）这个指标是指骨盆处接合点的峰值力，其值不得超过6KN，其接合点力是由配置于骨盆处的Load传感器测得的。通道频率滤波等级等同于APF。以上这些指标尚存在不足和局限，比如HPC局限于线性加速度，硬性接触发生时才有效，因此公式中时间区域受到限制。但是目前而言，这些指标参数依然是最普遍且最有效的试验指标。除了以上测量指标外，还要保证车门在侧碰过程中不会自动开启，试验结束后，救援队在不借助外力的情况下可以打开足够数量的门并可以容易使假人13万方数据 武汉理工大学硕士学位论文脱离约束系统的束缚，方便救援，其次，碰撞后，燃油泄漏的状况也要在控制范围之内，所有流出的液体（包括非燃油）的量不得超过30g/min。自从侧碰法规实施以来，对于车辆的表现，我国收到了很好地效果。但从实际的交通特点和模式来看，我国的试验形态还很单一，车辆与树木，广告牌，电线杆等非低矮物体的碰撞也时有发生，所以尽快引入其他模式的侧面碰撞试验势在必行。1.4课题研究方向和内容2006年，随着汽车侧碰法规的颁布实施，我国拉开了新型车型必须接受侧碰耐撞性强制检验的帷幕。等到C-NCAP的出现标志着我国的独立开发的汽车性能上了一步新的台阶也带领各汽车厂商也纷纷追求，关于如何提高汽车的碰撞安全性能，许多学者广开思路应用了各种方法也为本文的研究奠定了基础，但可谓殊途同归。本文就是使用计算机仿真求解技术结合正交优化设计研究怎样改善汽车碰撞安全性能，利用HyperMesh强大的有限元建模以及LS-DYNA完美的求解程序对二分之一汽车简化侧围和可移动变形壁障的碰撞模型进行仿真并优化。目前许多通用的优化软件主要应用在线性领域，如何将优化技术应用于碰撞仿真，这是一个难点。通过探索和借鉴各方面学者的研究过程，本文尝试设计正交试验来优化汽车碰撞安全性能。并对本文的研究内容展开了以下几个方面：（1）考查国内外汽车侧碰的相关法规，并基于我国发生的道路交通事故的现场特点引出侧碰安全性的概念及当前状况，并依据汽车结构来分析B柱对于侧碰安全性的重要影响。然后根据碰撞安全性指标及事故中B柱的变形特点确定本文所要研究的重点内容。（2）学习和思考汽车碰撞仿真的计算机方法，对其所包含的有限元思想以及如何离散过程中所涉及的薄壳理论，计算过程中所涉及的时间步长控制，接触定义，材料定义等做认真的分析。并探讨了优化设计方法，借鉴和应用更为合理精确的矩阵型权重优化方法。（3）精确地完成MDB-侧撞仿真模型地创建和验证，包括汽车侧围有限元模型和MDB可移动变形壁障有限元模型的创建及验证。（4）完成模型K文件的计算，并依据碰撞安全指标对计算结果做详细的分14万方数据 武汉理工大学硕士学位论文析，针对B柱的结构及变性特点提出优化点以寻求B柱理想的变形形态。（5）针对优化点进行优化试验设计，应用了正交试验设计方法和综合平衡法以及更为精确的矩阵型权重优化方法确定了最终优化方案的选取并验证优化方案的用于侧碰模型的可行性和效果。15万方数据 武汉理工大学硕士学位论文第2章汽车碰撞虚拟试验理论2.1汽车碰撞有限元基本理论目前在汽车碰撞研究领域普遍采用的方法为试验方法和计算机仿真方法。计算机技术于20世纪60年代开始逐渐应用于汽车被动安全设计研发当中，诸多数学物理方法与计算机的融合推动了汽车碰撞研究的发展。最初计算机被融合于汽车碰撞分析的解析法之中；随着力学的发展和算术能力的提高，进而建立起了多刚体动力学，计算机开启了多刚体动力学的求解，推动其发展并运用于车辆碰撞和乘员伤害计算。20世纪80年代，更为复杂和完善的有限元理论被运用与车辆碰撞系统加上计算机对其系统的准确求解，其有效性和准确性被广大研发人员认可，可以更好地开发乘员约束系统，也极大地提升了车身的安全性能。话虽如此，对于这种高速瞬间的冲击响应，不仅要考虑到车辆自身产生的许多物理性破坏，更要考虑到车内驾乘人员的安全保护问题，所以说，完全依托于计算机仿真虚拟试验而脱离实车试验是不现实的。随着试验能力与仿真技术的提高，目前汽车行业开发了一条符合实际的研发流程。如图2-1。图2-1汽车被动安全的研发流程汽车碰撞问题是瞬时高速冲击非线性问题，Euler有限元法常用于流体力学，ALE有限元法则处理流体-固体之间的作用比较好，目前而言，Lagrange有限元方法是研究固体碰撞最为成熟的算法。Lagrange有限元方法能够比较完善地得出模型结构碰撞中的本构响应关系，从而提供有效的边界条件以开发更为舒适的乘员约束系统。Lagrange有限元碰撞计算主要还是用显式求解软件来求16万方数据 武汉理工大学硕士学位论文解，有LS-DYNA、RADIOSS等。2.1.1常用软件的介绍本文选用的碰撞模拟有限元求解软件为LS-DYNA3D，其他知名软件还有美国MSC/DYTRAN和法国PAMCRASH。这些软件系统都是以已公开的DYNA3D软件为参照而开发的，因此在理论上基本相通。DYNA3D软件是由J.O.Hallquist博士于1976年在美国的劳伦斯利弗莫尔国家实验室主持开发的，所采用的时间积分方式——中心差分格式，具有高效率性，因此适用于求解空间塑性结构等的大变形动力学特性问题，如高空中投掷的炸弹的耐撞性。到了八十年代，DYNA3D已经成熟，完整的软件脚本得到了公开。随着运用经验的逐渐累积，人们将此项技术应用于工程上的胆量和预知能力大增。于1990年，美国开发了LS-DYNA3D求解器，随后英国也开发了OASYSLS-DYNA3D求解器。这些商业软件包也占据了一定的汽车碰撞安全仿真研究市场份额，且不仅有结构形变模拟，还对碰撞乘员伤害也做了模拟处理，其中建立了安全带和安全气囊模型及假人标准数据库，例如安全气囊的仿真包括了从叠放状态到气囊撑开的全过程。LS-DYNA中主要应用Lagrange离散算法，还包含ALE和Euler离散算法；可以完成显式求解以及隐式求解；常见的结构分析、热分析、流体-结构耦合等都可以在其中进行；可以分析许多非线性动力现象以及静力分析，是被广泛认可的非线性有限元结构分析程序。LS-DYNA经过4个版本的不断改进，最新的版本为971版，因拥有强大的算法程序可以仿真计算汽车、军工、航空航天等工业工程领域的复杂模型，也成为提高汽车被动安全性的有效工具之一。LS-DYNA的显式有限元采用中心差分法对偏微分方程进行离散求导，其能够对大变形结构进行动力学求解。因此其离散方式也是其计算方式，主要有以下三种：拉格朗日坐标网格计算，欧拉坐标网格计算和无网格计算。拉格朗日坐标下网格单元会伴随实际物质运动，因此可以呈现出网格模式的物体变形折弯情况。在研究车辆碰撞仿真中会涉及到许多的物理变形就可以采用此法进行描述。欧拉坐标下通过网格就能够很好的反映物质与能量发生的移动，因此能够描述剧烈变形或某些单凭眼睛无法发现的微能量流。网格思想的应用虽然使许多问题求解简化，但由于存在网格系统结构复杂性也会引发计算不可靠，因此无网格计算能够保持质量守恒，也不会引发计算不可信，可运用于求解非塑17万方数据 武汉理工大学硕士学位论文性材料的断裂失效问题或超高速冲击碰撞问题。在车辆碰撞仿真中，主要涉及的响应为结构的折弯变形，断裂失效基本不出现，而且以上三种有限元网格算法中拉格朗日计算发展最为完善，并且能够高效地计算此种问题，因此在这个问题的研究中拉格朗日网格算法被普遍采用。2.1.2基于Lagrange的有限元思想有限元仿真分析方法是研究车辆被动安全仿真分析的主要方法。它可以通过对计算机三维模型进行网格划分，即离散处理，从而得到较为详细的结构模型。对于这种几何非线性问题，微变形条件下的几何方程及平衡关系已不再适用，需要用一种新的方式来描述和度量这种情况。这种新的处理方式就是离散化处理，其实质就是将问题划分为有限个微单元，单元之间仅靠节点相连，这样力得传递也就只能靠节点传递。其中单元的划分要依据参数而定，节点存在于单元边界上，这样经过划分之后，每一个微单元就可以建立起力与位移的平衡关系，所有微单元平衡关系的联合就是所求问题要满足的边界条件，这样问题得以求解，每个节点的位移与应力就豁然而现，至于单元内部点的物理量可由单元节点物理量通过插值法求得。下图2-2表示物体运动的描述。选定一确定的空间直角坐标系，则运动物体上每个质点的空间位置可以用一组坐标来确定。则有限元模型中的每一个节点位置和时间关系可以确定。设初始时刻t0，某一质点的坐标为xi1,2,3，i并用x表示改质点，则这个质点在空间中任意时刻的位置可表示为：ixixixa,t（2-1）该表达式在t0时刻所满足的初始条件为：xx,0x（2-2）iaaxx,0vx（2-3）iaia其中v表示质点的初始速度。空间物体上的任一有限部分都满足动量守i恒、能量守恒和质量守恒定律。根据柯西动量方程，得出：xf（2-4）iiij,j式中，错误!未找到引用源。表示应力场，表示物体的瞬时密度，fiji18万方数据 武汉理工大学硕士学位论文表示单位体积力，xi表示加速度。图2-2物体运动的物质描述图2-3物体边界条件另外物体在受外力的情况下，会有一个起始条件，即物体在形变过程中满足限定的边界条件，如上图2-3所示：1（1）其中在S面的边界上需要依据的牵引力边界条件是：1Snt(t)（2-5）ijii1表达式中的n为物体边界S的外法线单位向量。i2（2）在S面的边界上所要依据的位移边界条件是：2Sx(x,t)k(t)（2-6）iai0（3）在滑动边界S上所要依据的位移边界条件是：0S()n0(xx)（2-7）ijijij对图2-1中空间物体的某一单元都有如下积分方程成立：V(xiij,jf)dVS1(ijnjti)xidSS3(ijij)njxidS0（2-8）2其中x符合位移边界条件S。i由散度定理可得出下式成立：19万方数据 武汉理工大学硕士学位论文ijxi,dV1ijnjxidSS3ijijnjxidS（2-9）VjS并且：xxx（2-10）iji,jij,jiiji,j于是可以得到下面的弱平衡方程:xxdVxdVfxdVtxdS0（2-11）VttViji,jViiS1ii即虚功原理的变分算式，其所表达的的物理意义是物体上所受到的外力和内力的虚功之和为零。2.1.3时间积分方式——中心差分法有限元仿真计算时，必须确定合适的算法，这样才可以满足计算的精度与效率。其算法包括显式积分法和隐式积分法。隐式法运用的是牛曼法，具有系统平衡微分方程，因此是无条件稳定的，但在收敛性上有问题；显式法则无联立方程组，单项求解效率高，是条件稳定型的，无收敛性问题。但是隐式法的单个运算周期运算量明显大于显式法，且二者在保证精度的前提下，时间步长的控制大致相同，而且像车辆碰撞这样高速非线性问题，应当采用尽量小的时间步长，对于如此运算量大的仿真，又要保证求解效率，采用显式法相对合适。如LS-DYNA显式有限元积分法中采用了中心差分法。在中心差分法中，用节点的位移来表达节点的加速度和速度：1aa2aa（2-12）t2tttttt1aaa（2-13）ttttt2tt+Δt错误!未找到引用源。时刻的位移解a可由时间t的运动方程求得，tt如下：MaCaKaQ（2-14）tttt式中：a——节点位移矩阵；tat错误!未找到引用源。——a的一阶求导，代表速度矩阵；tat——a的二阶求导，代表加速度矩阵；tM——质量矩阵；C——阻尼阵；K——刚度矩阵；20万方数据 武汉理工大学硕士学位论文Q——所受力的矢量矩阵。t组合上面的2-12到2-14方程即可得下面的式子：112112MCattQtK2Mat2MCatt（2-15）t2ttt2t凭借式2-15就可以在求得a和a前提下获得节点在tt时刻的位移解a。tt-ttt此法具有条件稳定性特点，取决于是否有一个合适的时间步长Δt，时间步长即每一次有限元积分的时间长度。如果积分步长过大，就会导致计算结果失去客观性。为满足临界条件，LS-DYNA算法中一般取缺省值0.9作为时间步长的缩放因子的安全值，如果时间步长大于临界值22(1)/就会发生计算max不可靠，计算精度立刻衰弱。不同类型的单元的临界积分步长采用不同的方法确定，决定于单元的最小尺寸、模型的质量密度及弹性模量。其中板壳单元的最大稳定积分步长为式2-16：LstL（2-16）scE其中L为单元的特征长度，为质量密度，E为弹性模量。s2.1.4薄壳理论有限元仿真计算的基本思想就是分块进行计算，因此建立什么样的单元类型进行结构离散是至关重要的。对于由金属板件冲压拼焊而成的汽车而言，板壳结构占了汽车部件的大部分，因此在汽车碰撞有限元仿真分析时，应用薄壳理论进行空间离散是最为适用的。薄壳单元中又有很多的类型和算法，正确的选择对于计算的可靠性和效率性有重要的意义。薄壳单元通常应用3节点的三角形单元和4节点的四边形单元，而三角形单元计算中运用了线性位移函数，单元内部应力均布相等，因此在建立有限元模型时应该将三角形单元的比例控制在一定的范围内。常用的壳单元类型有BT(Belytschko-Tsay)壳单元和HL(Hughes-Liu)壳单元。BT壳单元基于薄壳单元经典理论，采用多层次单点积分，计算效率高，适用于发生大位移和大转动的情况，应用最为普遍；HL壳单元是从六面体的实体单元演化而来的，采用面内2×2积分方式，CPU的时间与积分点的个数成正比，因而计算速度HL壳单比BT壳单元慢8.84倍，但无沙漏变形，比较适合于大形变情况。21万方数据 武汉理工大学硕士学位论文2.1.5材料建模网格只有赋予材料模型，才可以进行计算，而不同的材料有不同的本构关系，只有选对材料才能模拟现实的状况以得到理想的结果。材料的本构关系是指材料应力-应变-时间的关系，正确的模拟本构关系到有限元系统模型中边界条件的设置与判断，所以选择恰当的材料本构模型对仿真意义重大。LS-DYNA中常见的材料模型有弹性模型（Elastic）、弹塑性模型（Elastic-Plastic）、泡沫模型（Foams）、复合材料模型（Composites）等。车体侧围大多以钣金材料为主，常用弹塑性材料模型来模拟。弹塑性材料常用的本构模型有双线性弹塑性模型、指数硬化弹塑性模型和多段线性弹塑性模型等。如图2-4到图2-6所示。图2-4双线性弹塑性图2-5指数硬化弹塑性图2-6多段线性弹塑性双线性弹塑性模型特性是材料达到屈服极限后，材料呈现线性硬化；指数硬化弹塑性模型则在达到屈服极限后，呈现指数关系型硬化；对于多段线性弹塑性模型，则在屈服极限后表现为多阶段的线性硬化。对于这三种模型的应用需要设置相关参数，密度、弹性模量、泊松比和屈服极限等，指数硬化模型还需要强化系数k和硬化指数n，多段线性硬化模型还需添加有效的应力-应变曲线。对于弹塑性材料而言，应变的变化快慢即应变率也会影响材料的塑性特征，LS-DYNA中提供了四种方式来表征应变率的动态影响：①Cowper-Symonds方式，用户通过定义C值和p值就能够求取动态应力应变关系；②指数方式；③屈服应力作为应变率的函数方式；④表格输入不同应变率硬化曲线的方式，每一条曲线对应不同的应变率。22万方数据 武汉理工大学硕士学位论文2.1.6接触碰撞计算接触方式是一种常见的现象，不仅有单面接触和面面接触，焊点接触也是接触方式的一种，它同样赋有接触所具有各种特点。汽车碰撞是一种大型的高速冲击接触情况，是非线性动力研究中的一个关键问题。在其碰撞过程中，接触边界条件是动态型的，响应也是不平滑的，必须准确计算部件之间以及汽车与外部的接触关系，对它的设置处理至关重要。合适的定义将会使仿真精度更加可靠，否则可能导致运算过于冗余和仿真结果失去客观性，甚至出现负体积与节点速度过高的一些错误，使得仿真不能合理进行。通常采用Lagrange乘子法，罚函数法（penaltymethod）和增广Lagrange法对接触的边界条件进行处理。在汽车碰撞模型中会大量使用壳单元，壳单元都是有厚度的，而接触面是通过1/2单元面厚度来确定的，因此壳部件之间要留有合适的空隙，否则就会在部件之间产生无阻力穿透，造成一种不切实际的接触状况。虽然DYNA能够对此种状况进行消除，但有可能对此类状况由于检查不出而疏漏一二。目前LS-DYNA对于接触碰撞计算采用的默认算法是对称罚函数法（penaltymethod），其方法如下：主面和从面是对指不同部件可能互相发生接触的两个表面。主面上的单元和节点分别叫做主块和主节点。相对应从面上的叫做从块和从节点。每个积分步修正构形开始前先逐一比较从节点和主块的相对位置，搜索相关从节点是否贯穿主面，没有贯穿时则对该从节点继续进行计算；如若穿透，则应该缩小积分步，使其不贯穿而正好到达主面，并依据相互作用力的原理，在它们之间定义一个合适的界面接触反力来实现阻止相关节点对面的穿透，一般通过罚函数因子去求得界面接触力的大小，计算式为FK,可以看出它与贯穿量及主块刚度K成正比。这样的计算公式与弹簧力的计算公式完全类似，因此可将此计算方法通俗地理解为在从节点和被贯穿主表面之间放置一个法向弹簧，对已接触主面的从节点添加约束力，对受到拉应力的从节点添加释放条件，以限制从节点对主表面的贯穿。对称罚函数法顾名思义具有对称性，即：对各从节点的处理可以同时同法应用于对主节点的处理。这样该算法能保持动量守恒，不会激发严重的沙漏模式。可以适当地调节罚参数大小来阻止穿透现象的发生，但其大小会受限于稳定性，因此还可以通过缩小时间步长来改善。也正因为如此，[12]要选用恰当的罚参数，以保证仿真准确。文献提供了具体的接触计算步骤可供参考。23万方数据 武汉理工大学硕士学位论文2.2汽车碰撞优化研究优化设计是一种科学的设计方法，在解决复杂设计问题时使用优化设计能够比使用其他方法更迅速更高效的找到一种更为完善或者说最为合适的设计方案。优化设计主要包括试验设计和根据试验结果制定优化方案两个部分，下面将阐明本文中相关的试验设计的方法和试验优化方案的确定方法。2.2.1试验设计的方法试验为什么要设计？凡是试验就存在着如何安排试验，也就是设计试验的方法问题。试验方案的正确与否关系到试验次数的多少，试验周期的长短及试验经费等问题。所以我们要通过应用恰当的方法来进行科学地设计试验，从而做到通过尽可能少的方便数据处理的试验得出满意的结论。试验设计方法就是通过设计一组试验来无偏地估计各个因素对试验目标的影响的设计方法。一个良好的的试验设计应经过以下几个阶段，第一要依据试验目的选择恰当的试验考察指标；第二要选出对试验考察指标产生影响的试验因素；第三要确定因素的水平；第四要依据试验方案进行试验实施；第五要对试验结果进行数据处理分析，找出优化的因素水平组合。最常见的多因素试验设计方法有析因试验设计方法，正交试验设计方法等。常用的试验数据分析方法主要有直观分析法、方差分析法、回归分析法等。下面简单地说明几种主要的试验设计方法。1）析因试验设计方法在多因素试验中，安排因素的所有水平相互组合并依照随机的顺序完成试验，来考察每个因素的试验主效应及因素之间的交互作用，这种试验安排方法叫做析因试验设计。其试验的数据分析处理通常采用方差分析方法。主效应是指一个因素的水平发生变化时所引起的试验指标响应的变化。当因素水平间的响应差会随着其他因素水平的改变而改变时，即因素之间联合影响试验效应的变化，我们把这种联合作用称为交互作用。因此该试验方法所呈现的特点是，各个因素的全部水平都可以相互组合，能够完整地体现所有影响因素的各个水平对试验考察指标所产生的波动以及因素间的交互影响效果。完全排列组合的全面试验提高了试验的精度，但也伴随着试验工作量的增大，导致耗费的周期24万方数据 武汉理工大学硕士学位论文及经费的变大，所以这种试验设计的方法适用于因素和水平数量较少的设计。2）正交试验设计方法上述的试验设计方法是要求每个因素的每一种水平组合都要进行试验的全面试验。对于因素和水平数较多的试验设计，显然不合适，这时我们考虑能否只挑选部分组合来做实验，使试验次数尽可能减少而依然能得到想要的结果，这种方法称为部分因子试验方法，其中运用十分广泛有效的一种方法叫做正交试验方法。该方法是运用正交表布置多因素试验，依据的是数据的正交性使数据均匀搭配、整齐可比，高效率地寻求最优的水平组合，一般我们可以利用现成规范化的正交表来布置试验。正交表是基于数学组合问题的理论构造的，是正交试验设计的理论工具。试验设计人员需要遵循的正交试验设计的基本步骤可简单总结为：①确定试验指标；②考察因素及水平数；选择恰当的正交表；③明确试验方案并实施；④分析数据及试验验证。通过正交表挑选出的试验方案必然是赋有代表和均布性的，而且得出的试验方案不多还足以很好地呈现各因素水平的影响效果，其好坏程度可以与全面试验得到的结果相当。如今正交试验设计方法已在众多领域的各种类型的实际研究中广泛使用。该方法富有的主要优点是：①可以在所有试验点（因素水平）下选用具有明显代表性的少数试验点；②可以根据少数代表性试验点下的试验结果演推出最佳试验点；③通过试验处理，可以呈现比试验结果更多的因素分析，得出最优方案；④基于正交试验的数据处理，除了可作方差分析外，还能使回归分析等的数据分析的计算变得容易。2.2.2优化方案的确定通过对不同因素水平的试验设计，然后对得到的试验结果数据进行分析，目的就是为确定一个最优方案。常见分析方法有直观分析法和方差分析法，下面详细介绍一下对正交试验结果处理所采用的直观分析法。对于常见的多指标试验设计中，不同指标的关键性不一致，不同因素对各指标的影响程度也不在同一等级上，因此对于此类试验的结果分析相对复杂一些，直观分析法常见有综合平衡方法和矩阵型权重优化方法。1）综合平衡方法综合平衡法是指先对多指标中的各个指标独立地进行直观性极差分析，从而得出各指标的影响因素的关键性顺序及因素对应的最优水平组合，然后以理25万方数据 武汉理工大学硕士学位论文论知识结合累积的经验为指导，综合比较和分析各指标的因素和水平，最后确定满足试验目标的最优方案。各因素对试验效应的影响关键性顺序是通过极差来体现的。通常正交表中各列的极差是不相等的，表明各因素的不同水平所产生的试验效应是不同的。那么极差越大就表明该因素在水平区域内的变动对试验指标数值大小的影响越大。也就是说该因素的影响突出，可以作为最主要因素，那么伴随着极差的大小顺序，各因素从主到次的顺序也就确定。在继续的综合平衡分析中，要结合次要因素服从主要因素，少数服从多数的原则来确定最佳的试验方案，最后对此方案进行验证看是否满足试验考察的指标要求，优化至此结束。2）矩阵型权重优化方法其实从数学的角度讲，综合平衡分析方法在由极差的大小来确定各因素关键性程度的问题上缺乏一定的严谨性，并且在最优试验条件的选取时，平衡的目的也只是靠直观的判别以及使用常规的少服从多，次服从主的经验原则来达到的，多多少少有一种牵强的说法，如果最佳方案非要选别的也不是不行的。因此这种分析方法存在着一种由于主观臆断而导致的不合理性。我们试着寻求[14]一种更为严谨的方法来确定各因素水平的主次之分，文献中阐述了一种关于正交试验设计的矩阵型权重分析方法，该思想可以快速得明确得计算得出各因素水平对试验指标影响的权重大小。通过分析各个权重值得大小，就可以严谨得以一种数学方式得确定最优试验条件并明确排列出各因素水平的主次顺序。矩阵型权重优化方法的理论思想是根据正交试验考察的指标、因素和水平的数据结构创建一个三层的分析模型来构造矩阵，如表2-1所示，可以看出分别为指标层、因素层和水平层，且依据的是有m个因素，每个因素有n个水平的正交试验。表2-1正交试验的数据结构第一步构造试验指标第一层的矩阵，定义正交试验m个因素中的第i个因素A在第j个水平上的试验考察指标的算术平均值为k，若试验考察指标的效iij应为越大越优时，则Kij=kij；若试验考察指标的效应为越小越优时，则Kij=1kij26万方数据 武汉理工大学硕士学位论文错误!未找到引用源。。构造的矩阵为如下P：K1100...0K00...012...............K00...01n0K0...0210K220...0P...............0K2n0...0...............000...Km1000...Km2...............000...Kmnn第二步构造试验因素第二层的矩阵，定义L1K，构造的矩阵为如下iijj1L：L10000L00L2............000Lm第三步构造因素的水平第三层的矩阵，正交试验中用来r来标示每个试验因im素Ai的极差，令Ririri，构造的矩阵为如下R：i1R1RR2...Rm由此可以定义各个因素及各个水平影响试验考察指标效应的权重矩阵为：T=PLR,...12nnn通过此权重矩阵得到的1=K11L1R1=K11KijR1，其中K11Kij为试验j1j127万方数据 武汉理工大学硕士学位论文因素A1的在第一个水平下的试验指标值与该因素在所有水平下的试验指标值的m总和的比。试验因素A1的极差与全部试验因素极差之和的比为Rrr。11ii1显而易见，权重矩阵中的两个乘积因子不仅揭示了试验因素A在第一个水i平下对试验指标效应的的影响程度，还揭示了试验因素A的极差的大小。以此i类推，其他试验因素和水平对试验考察指标产生的效应权重也将计算得出，继而依据各因素在各水平下的权重大小，就可以严谨得算出最佳的试验条件并推出影响试验效应的试验因素的主次顺序。2.3本章小结本章重点阐述了汽车碰撞虚拟试验的有限元理论和优化研究。前者内容包括了Lagrange有限元力学思想，时间积分方式，薄壳理论，材料模型及接触碰撞计算。关于优化研究主要讲述了析因试验设计、正交试验设计等试验设计方法，综合平衡法、矩阵型权重优化等优化方案选取方法。其中基于正交试验的矩阵型权重优化方法得益于它的简易严谨在本次研究中给予了重点应用。本章理论为后续章节研究中的仿真与优化奠定了基础。28万方数据 武汉理工大学硕士学位论文第3章基于HyperMesh的MDB-侧碰模型创建对于要进行的汽车侧面碰撞仿真与优化，必须要创建一个比较精确地有限元模型，包括车身有限元模型和移动壁障有限元模型。汽车的侧围部件比较复杂，有很多的过渡曲面及凸台，这些在创建网格的时候都会产生一系列需要处理的问题，所创建的CAE模型直接关系到仿真的可靠性问题与计算效率问题。因此必须掌握一定的经验原则才能顺利地将汽车CAD模型简化创建为CAE模型，这是对车辆结构布置、车辆动力学、材料力学和有限元研究等多层次知识的集成运用和综合体现。HyperMesh软件具有有限元网格前处理功能和后处理功能，且该软件所包含的图形用户界面相对友好，具有可以直接输入的CAD几何模型（UG,Pro/E,CATIA等）接口，当然已有的CAE模型也可以导入。它能够对导入的CAD几何模型进行有效的拓扑修复、改进和优化等几何清理工作，几何修复工作完成后根据各部件相应的要求划分不同大小的CAE网格，然后遵照规定定义各部件的载荷、约束、边界条件和控制参数等，最终输出可供提交给LS-DYNA计算的K文件。其建模流程示意图如图3-1所示。图3-1汽车侧碰有限元模型创建流程图29万方数据 武汉理工大学硕士学位论文3.1车身有限元模型的创建为了使研究具有现实意义，选用国产汽车厂商生产的车型最为合适，而且本文的研究对象是一款常见的三厢轿车的CAD几何尺寸数据，然后依据此数据在CATIA三维设计软件中创建完善的几何实体模型。据了解，对于一个整车CAD模型的有限元网格划分，将会得到至少10万以上的单元数量，对于如此庞大的单元数目进行有限元计算无疑需要相当大的的内存和强有力的CPU，因此在一般的学术研究中是有困难的，个人能力与硬件环境都是一个难题，可不可以有一种可以降低难度系数的方法来达到同样的研究目的。鉴于整车是由很多个部件[15][16]装配而成的，可否将部件单独拆下来研究，国外相关研究表明，将单个部件的独立研究与整体研究进行对比，可以发现同一部件的碰撞性能虽然不是完全相同，但其形变的趋势和能量吸收的趋势等性能还是相一致的，对于研究目的而言是等价的。因此我们有理由为了减少仿真过程中庞大的工作量，从而单独对部件进行碰撞仿真优化研究。1）CAD几何模型的确立有了上述等价思想，本文根据现有条件对几何模型做了大量地精简，仔细阅读本文研究主题侧面碰撞的相关试验条款，发现是可以忽略掉在碰撞过程中变形不大或基本不变形的汽车的前面和后面，这样的话，关于原来模型中的发动机、发动机盖、前后防撞杆、汽车底盘、车轮等部件都是可以不参与仿真研究的。考虑到车身左右两侧具有对称性，而且侧面碰撞仿真试验中也只撞击一侧的情况，那么最后确定只取1/2承载式车身作为重点的研究对象。研究对象包含了门槛、门框、A/B/C柱、车门和车门防撞杆等整个侧围部件，并去除一部分于仿真结果无关紧要的门把手，后视镜等凸出结构，几何模型的雏形基本确立。然后将模型输出转换为IGES格式并导入HyperMesh中，在导入过程中也许会产生一些曲面缺失等小问题，所以需要完成几何清理工作，例如用简单的曲面来修复，简化一些短边和小孔，重新设置共享边和固定点来完成模型的改进和优化。2）网格的划分与质量检查在汽车侧围部件中，大部分为钣金件，少数为长杆件和结构件。对于钣金件选用shell二维网格来进行划分计算效率最高。长杆件通常采用一维单元进30万方数据 武汉理工大学硕士学位论文行简化，如果不能用一维单元简化就采用三维网格划分。结构件大多采用三维实体单元。网格的划分一般从形状比较复杂的小面开始，每划分一个面都要进行网格质量的检查，每种类型的网格都有规定的检查内容，例如最小边、翘曲度、最大或最小角度等要素。如若不达标就要重新进行调整划分，直到达到要求为止。网格划分时要注意避免出现单排网格和单边网格，这样的网格会导致网格计算的失去客观性。通常将对车身侧围部件网格划分的单元尺寸锁定在10毫米左右。这是因为单元应力与网格大小有着密切的联系，网格过密刚度就会越小，表现出来的应力往往也会很大，单元因此而极易导致破坏；如果网格过于稀疏，表现出来的单元应力就被均匀化了，导致仿真失去客观性，往往低于实际应力场的应力，但网格不易遭到破坏。另外网格的单元尺寸决定了积分步长的大小，网格越小，积分步长越小，进而影响了CPU的运算效率。当网格尺寸缩小k倍时，网格密23度与运算时间各自增加k和k倍，即运算时间随着网格密度的1.5次幂呈指数型增长。因此在满足仿真精度的条件下，应当尽量不去选用尺寸过于细小的网格且注意保持网格疏密一致性。但是对于车辆受撞时发生变形的主要部位与其他变形较小的部位网格尺寸是有区别的，变形区域要选用相对较小的网格，这样便于更好地模拟和观察结构形变且计算出的应力更符合实际；小变形区域则选用较稀疏的网格，对仿真精度影响不大还可以提升运算效率。依据上述原则，借鉴相关的有限元建模经验，并检查所有部件的网格模型，检查内容如图3-2所示。图3-3展示了创建完成的车身有限元模型，该CAE模型中包含62045个单元，62982个节点。图3-2网格模型要素检查31万方数据 武汉理工大学硕士学位论文图3-3车身侧围CAE模型3）连接方式定义创建CAE模型时除了要处理网格划分问题，还要处理对各种连接、运动以及其他部件进行简化和建模的问题。焊点接触也是一种连接方式，车身侧围外板以及A柱、B柱和C柱的连接工艺都是采用焊点焊接而成，因此仿真时对于焊点的建模是非常关键的。点焊连接（spotweld）一般用于可变形体之间的连接，对于汽车部件是一种常用的连接方式。可变形体之间的连接可以选用刚性Beam单元来实现属于可变形体的共节点连接；也可以通过增加一个刚性体，选用刚性Rigidbody单元来实现属于刚性体与可变形体的共节点连接。本文对于焊点的模拟是依据CAD图纸数据给出的焊点坐标来确定焊点位置，由spotweld来建立焊点，选用Beam单元，最终创建的焊点数量为871个。4）材料定义在HyperMesh中components、materials、property是整个CAE模型的基础，对模型完成网格划分后还需要为其分配独立的components，并通过该components为这个部件赋予材料和属性，建立和更新这三项内容的菜单可通过图形界面的工具栏中进入。通常一维rigidy、简单焊点对于材料和属性是没有要求的，如果误将此类单元赋予材料和属性参数将会在计算中出错。在materials创建和编辑菜单中根据材料的不同特性可以编辑的材料类型总共有三百多种，这类材料类型在K文件中对应的关键字均以*MAT开头。车辆碰撞CAE仿真模型中使用最多的材料为MAT24和MAT20。表1中列出了几种常用材料。MAT24的本构模型是属于分段线性塑性模型，对于模拟低碳钢薄板有很好的表现32万方数据 武汉理工大学硕士学位论文效果，因此在仿真试验中材料参数的定义为MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY,应变率表征公式选用Cowper-Symonds方式，定义C值为0.04，P值为5。考虑到HyperMesh中无量纲特点，设置材料模型参数时要保持单位一致，密度为3kg/mm，弹性模量与屈服极限单位均为GPa。表1LS-DYNA中几种常用材料关键字3.2移动变形壁障有限元模型(MDB)的创建前面论述的汽车侧面碰撞试验中，与正面碰撞试验的显著区别是必须使用移动变形壁障车，其目的是用来模拟侧方行驶过来的车辆，采用侧面撞击来检查车身侧面碰撞时的结构耐撞性和相关约束系统的匹配情况。因此要准确成功地进行汽车侧面碰撞仿真试验，移动变形壁障的有限元仿真模型（MDB）的创建是非常必要的。本文创建的MDB有限元模型是可以接受《汽车侧面碰撞的乘员保护》（GB20071-2006）的条款来检验的，并对比借鉴了ECER95法规规定来创建的。MDB通常由移动台车和6个吸能块构成，并为了能够很好地模拟汽车侧面碰撞试验，更客观地反映实车碰撞中的力学响应特性，要依据法规要求对MDB有限元模型进行创建及仿真试验验证。3.2.1移动变形壁障车的尺寸要素移动变形壁障车的质量、刚度、质心位置和离地间隙等参数在法规中都给出了明确的说明，特别针对壁障车前端吸能块（通常选用蜂窝铝）的刚度等性能做了具体的要求，吸能块的刚度要能满足社会车辆前端的平均刚度，并且要达到模拟实车的水平壁障车应该设有制动系统，通风系统等以保证试验的可行性，其详细的安装与原理在此不再赘述。这里简单介绍一下变形壁障车的尺寸要素，如图3-4所示。33万方数据 武汉理工大学硕士学位论文图3-4MDB结构尺寸示意图图图3-5吸能块布置示意图变形吸能块一共包括六个，布置形式如上图3-5所示呈上下两层，每一层布置3个。图中展示了吸能块的前视图和左视图，从图中可以看出，底层吸能块布置时前端突出60mm，这样布置的目的是为了模拟保险杠。每个吸能块单元的变形特性都有其各自的载荷-变形曲线，可以用来仿真车辆前部刚度。其变形特性要满足法规给予的相应的带状范围规定，能够真实地反映实车的力学响应。变形吸能块，顾名思义，不仅能够模拟变形刚度，还可以吸收碰撞能量。[17]通常选用蜂窝铝材料，其结构形式有三种：①多层蜂窝铝结构，由多层小块的蜂窝铝累叠挤压而成，前后挤压刚度从前到后依次递增；②渐变结构，选用单块蜂窝铝，但其整体上每一部分的构成及性能是渐变的，大致呈现由弱变强的态势，故命为渐变结构吸能块。常见有AFL型和Darchem型，前者是利用各部分厚度的递增来达到阻力的递增，后者则利用所钻孔的孔径的递减来达到阻力的递增；③异型结构，各蜂窝铝块呈现别样的几何特征。如典型的金字塔型吸能块，能真实地反映车辆的复杂结构，但其横向稳定性比较差。吸能块由于没有唯一的标准规定，只要保证尺寸，质量以及试验时各吸能块的吸能特性，因此研究选材时要有针对性地权衡比较。3.2.2MDB有限元模型的创建本文对移动变形壁障有限元模型的创建包含以下流程：①遵照（GB20071-2006）法规《汽车侧面碰撞的乘员保护》的规定并参考和借鉴ECER95法规及虚拟试验场所提供的模型，在CATIA中创建移动变形壁34万方数据 武汉理工大学硕士学位论文障的CAD实体模型。②将CAD模型转换为IGES格式导入HyperMesh中，借鉴创建车身CAE模型的经验，完成几何修复，网格离散并配置每个结构的材料参数及约束方式。③接着对模型完成配重，约束以及边界条件的设置。MDB有限元模型分为移动台车和吸能块两部分。各参数介绍如下：MDB系统配重951kg（法规规定950±20kg）；质心距吸能块前表面1994.6mm（法规规定200010mm），质心距前轴995.4mm（法规规定100030mm），质心距地面521.2mm（法规规定500±30mm），质心距纵向中垂面0.08mm（法规规定±10mm）；轮距为1500mm（法规规定150010mm）；两轴间距3000.8mm（法规规定300010mm）；吸能块距路面304mm（法规规定300±5mm）。MDB系统包含了两种单元：吸能块、车轮在实际中都是整体结构，选用实体单元；而台架、配重、吸能块支撑板都是由薄钢板冲压而成，选用壳单元。所有部件（不包括吸能块）的连接以车架为载体，采用刚性约束与之连接，以获得一个刚性的MDB整体。最后创建的模型共有70228个单元，37544个节点。如图3-6所示。图3-6移动变形壁障CAE模型错误!未找到引用源。于渐变的结构设计，整个MDB模型可分为三部分：台车、吸能块支撑件和吸能块。每一部分对应一种材料，并采用对应的应力-应变曲线来赋予材料的变形特性，但是国内对于这方面的试验数据非常欠缺，所以本文只能借鉴大量经验相对准确地对它们完成材料的定义。其中台车在碰撞过程中不会与试验车辆发生直接碰撞，因此不会也不希望产生明显变形，所以采用了刚体（MAT_20）材料模型；渐变结构的吸能块则采用关键字为MAT_2635万方数据 武汉理工大学硕士学位论文的材料；关于吸能块的前面、中间及后面支撑件理论上属于分段线性塑性材料，相关定义为MAT_24。3.2.3MDB有限元模型的验证至此，移动变形壁障CAE模型创建基本完成。由于对于吸能块的选材会影响其吸能性能，因此必须对MDB有限元模型进行动态试验验证。据法规要求，试验验证需要考察MDB有限元模型的变形特性和能量耗散情况，每个吸能单元的变形特性和能量耗散情况是否满足法规要求，以验证模型的可靠性。图3-7MDB验证试验说明图具体验证方法也是一种仿真模拟，如图3-7所示。在距离MDB前端10mm处创建一个六面刚性模拟壁障，并装有测力传感器。同时还需创建至少5m长的仿真轨道，即地面。验证模型中有三个接触定义，车轮轨道单向接触，摩擦系数均定义为0；吸能单元测力墙单向接触以及MDB自身接触，这两种接触摩擦系数均定义为0.3。然后对模型加载集中质量，并赋予35km/h的初速度，即9.722mm/ms。使用LS-DYNA求解，仿真时间定义100ms，经由LS-PREPOST查看验证结果，如图3-8所示。图中a、b分别描绘了MDB位移和速度随时间变化的曲线。每个吸能单元的验证结果可由力传感器测得的力-时间曲线转换得到，（图略）。36万方数据 武汉理工大学硕士学位论文图3-8MDB变形特性与能量耗散曲线将验证结果与法规要求相比较，发现MDB最大位移332mm落在330±20mm内，各吸能块的变形特性也满足法规规定的带宽上下限。至此，MDB有限元模型验证完成，证明模型可靠准确，可用于侧碰仿真试验。3.3侧碰CAE模型的创建与验证侧碰CAE模型是上述两个模型的综合，将MDB有限元模型导入车身侧围模型中，并依据法规对系统模型做仿真前一系列状态的调整和定义。3.3.1侧碰模型的搭建法规（GB20071-2006）《汽车侧面碰撞的乘员保护》中对侧碰模型的位置状态作了细致的规定，本文在1.3.2小节中给出了详细的介绍，两个模型就依照此要求进行对应调整，如图3-9所示。另外虽然法规要求至少0.5m前保证50km/h的速度，但由于计算机仿真中车速的均匀性，本文为了加快计算机求解效率，并考虑到部件之间壳厚度的存在且要保证部件之间无初始穿透，因此在搭建这两个仿真模型时将初始距离定义为0.3m，并赋予移动变形壁障车50km/h，即13.889mm/ms的初始速度。37万方数据 武汉理工大学硕士学位论文图3-9移动变形壁障侧面碰撞有限元模型3.3.2接触定义除了位置搭建之外，还必须创建恰当的接触模型，没有接触就没有碰撞的发生，就不可能进行碰撞的仿真。LS-DYNA程序中提供了多种接触类型，能够对大部分界面的接触进行恰当地模拟，但在实际工程问题中，接触类型的选择和参数的控制仍然是一个棘手的问题。其接触依据接触对象和接触方式常见有如下几类：单向接触、与之对应的双向接触、单面接触、刚体接触和固-连接触。本文涉及到单向接触和单面接触，其中单面接触在碰撞应用中最为广泛。其中单向接触的应用对象有车身与壁障车的接触、壁障车轮胎和路面的接触，并全部定义摩擦系数为0.3。在定义单向接触时要保证主节点不会贯穿从面，因为计算中只有从节点被检查是否贯穿主面。也正是这个原因，单向接触的计算效率相对来说快得多。对于主从面的选择，可由几个准则供参考：定义刚体为主面；定义相对细的网格为主面。不过由于接触分析的复杂性，很难判定接触发生的方向，所以最好采用自动接触。关于车身侧围部件模型的自身接触以及壁障车有限元模型的自身接触全部选用单面接触，摩擦系数均设置为0.3。在壳单元中单面接触的计算对于偏置厚度总是要考虑的，因此要保证没有初始穿透的存在。这种类型的接触算法会对模型所有外表面进行搜索，无须定义主从面，但比起其他的接触类型，运算时间较长。38万方数据 武汉理工大学硕士学位论文3.3.3沙漏控制沙漏现象是由于LS-DYNA程序显式分析中的缩减积分而产生的。通俗地讲就是在进行单元积分时，积分点个数比实际少而造成单元的零能模式，所以沙漏模式也称作零能模式。本文采用了单点积分的BT薄壳单元，积分点在等参元中心，即每个单元在面的中心选取一个积分点，此种单元可以极大地提高计算效率，但由于积分点的不足就会产生沙漏现象。定义表明，沙漏现象是一种数值计算现象，所以是非物理所能表现的。沙漏能量产生过多，就必然会导致仿真模拟的失败，通常工程上规定沙漏能量要小于系统总能量的5%才可以保证仿真稳定进行。所以对系统沙漏进行考查并处理是非常必要的。研究人员已经开发出许多专门处理沙漏的程序，但是会导入人为因素。所以还是物理沙漏控制比较得到认可，例如全积分，网格细化等，但会导致计算时间加长，不是最可行之法，本文主要采用的是LS-DYNA中的粘性阻尼法*CONTROL_HOURGLASS。设置方式如下图3-10：图3-10沙漏控制系数3.3.4时间步长定义LS-DYNA采用显式积分法，其优缺点在第二章已作介绍，其解具有条件稳定性，这个条件是指courant稳定性约束下的时间步长只有足够小才能满足求解精度，但是太小的时间步长肯定会使得CPU求解变得冗长。另外最大时间步长与CAE离散模型的网格有着密切的关系，由该模型的最大固有频率元素来决定，最高频率又由模型的最小网格尺寸来决定。然而在碰撞问题中，由于发生max时间的短暂性和部件的大变形性，如果时间步长选取过大，材料就会失去应力应变关系，因此由于问题的特殊性决定了网格要足够小，即时间步长的选取必须足够小，显式算法的约束点反而正好顺应了碰撞分析的需要，实际应用时，常采用有CAE单元的特征长度除以应力波推进速度c来获得系统的最大时间步39万方数据 武汉理工大学硕士学位论文长。然而单元特征长度会在部件变形过程中会发生不停的改变，这样就增加了时间步长的确定的难度，因此要不断摸索借鉴经验。侧碰模型中采用的多为板壳单元，因此求取其最大的稳定时间步长采用公式2-16来计算，对时间步长进行恰当的取值关系到模型是否能够保持计算稳定性以及高效率地完成计算。试验要求至少0.5m前保证50km/h的速度，本文仿[19]真定义的碰撞前距离为0.3m，这样与车身接触大约需要22ms的时间，文献表明车身部件内侧通常在25ms内与人体发生接触，再加上回弹等时间，本文将仿真时间设为100ms便绰绰有余。由于CAE模型中采用的网格边长通常在10mm左右，故控制参数TSSFAC为0.9，DT2MS为-1.112e-3ms，关键字*CONTROL_TIMESTEP定义界面可参考图3-11。图3-11时间步长参数定义至此MDB-侧碰有限元模型创建完成，用HyperMesh软件输出创建好的侧碰有限元模型的K文件，在LS-DYNA求解器中调用该K文件即可完成求解。3.3.5侧碰模型的可信度分析验证为保证该K文件的求解结果准确可信，必须考察和验证质量增加和能量变化是否在可接受的范围内。图3-12中是系统的能量曲线，包括沙漏能，内能，动能，滑移能量和总能量这五项随时间的变化趋势。可以观察到动能随时间变化逐步转化为了内能，模型总能量基本保持为为92.036KJ，沙漏能（HourglassEnergy）为3.63KJ，只占系统总能量的3.94%，且小于规定范围的5%，保证了求解精度。上述五条曲线应当为光滑过渡，如果某个位置发生突变则代表系统40万方数据 武汉理工大学硕士学位论文图3-12侧碰系统能量变化曲线图3-13质量增加百分比曲线发生了能量变化，t=0ms时，模型系统中MDB开始向车身撞去但未发生接触，此时系统总能量最大等于动能，内能为零。在8ms时，MDB与车身逐渐产生接触，车身由于受到力的作用而发生形变，动能也因此逐渐减小而转化为内能，到达55ms时刻，曲线基本不变系统动能趋于零说明碰撞停止，能量转化不再进行，此时内能最大。由于在计算过程中，系统为保证计算的正常进行，求解器有时会自动增加某些部件质量，如果质量增加过多会导致计算结果的不可信，所以【22】需要查看单元质量增加百分比。图3-13是质量的增加百分比曲线，可以看出随着时间的累积，质量增加百分比也逐渐变大，最终累积量为0.44%，远小于5%的限值。可以判断此计算求解可信度高，可在此系统基础上继续研究。3.5本章小结本章讲述了汽车侧碰仿真试验中使用的有限元模型的创建过程，首先以汽车侧围CAD尺寸模型为基础应用HyperMesh软件完成网格离散、材料定义、焊点定义等来创建本文使用的车身模型；接着完成移动变形壁障模型的创建及验证。在此条件下，依照我国《汽车侧面碰撞的乘员保护》法规创建本文所需的MDB-侧碰有限元系统模型，设置移动壁障的初位置及速度，完成对模型的边界条件定义，模型之间各个接触面的定义，沙漏设置以及仿真时间的定义和时间步长的控制等来完成移动壁障侧碰CAE系统模型的建立。并将有限元模型的输出K文件导入LS-DYNA软件求解器中运算求解，根据运算的结果中的能量曲线和质量增加百分比曲线验证建立的有限元模型的可信度。41万方数据 武汉理工大学硕士学位论文第4章汽车B柱侧碰仿真结果分析K文件提交给LS-DYNA计算后，得到的d3plot文件中包含着模型在不同时刻的外形、应力应变、路径位移等丰富的信息，对该文件进行查看和读取是对计算结果进行分析时所用到的重要的方法。这个步骤是通过HyperView后处理[24]平台进行，具体查看方法不再赘述，可以参考文献。本文研究重点是B柱耐撞性，因此仿真分析内容包括：B柱结构响应模式；B柱侵入量分析；B柱侵入速度分析。4.1B柱变形模式的安全性分析4.1.1安全性分析在车辆侧面碰撞中，B柱是主要的受撞击部件，但由于其没有足够的能量溃缩空间，因此需要有很大的刚度来对抗撞击后的变形，否则B柱由于变形侵入车内占据乘员生存空间而产生对乘员的伤害。但是阻止B柱变形基本是不可能的，不但没有足够刚度的材料，而且不可能将其厚度无限制地增加，因此本文试图在只能适当加大其刚度的条件下，针对B柱变形模式做研究，分析其不同模式下对乘员安全性的影响。由于侧碰发生的紧急性，车辆结构和刚度的区别性，导致了B柱变形模式的多样性。首先要了解B柱变形各部位对应的人体损伤位置以及对生命的威胁程度。如图4-1所示，大多数车型B柱中部对应人体胸部位置，下部分对应人体的骨盆位置，中下部分对应人体的腹部位置。医学常识表明，人体对腹部损伤抵抗力相对比胸部抵抗力强，即对生命构成的威胁程度低。许多学者也做了[26]对B柱变形优劣方式的探索。文献中通过定义B柱不同部位的入侵速度曲线并比较不同组合试验对于假人的损伤值来定位理想变形模式，试验得出，假人胸部伤害值会随着B柱腰线处（对应人体胸部位置）侵入速度的增加而增加，但当设定B柱对应骨盆处侵入速度增加，胸部伤害值反而会减小。因此从乘员安全性保护来说，关于B柱的变形模式多样性大致表现为三大典型模式，如图42万方数据 武汉理工大学硕士学位论文4-2所示：a模式代表对应胸部的B柱中部侵入量最大，上部和下部相对比较小；b模式代表对应腹部位置的B柱中下部分侵入量大，中部以上相对较小；c模式代表变形集中于B柱下部，其他部位通常是由于B柱下部带动而产生微量侵入。并把c模式这样的追求降低B柱在乘员正常坐姿下对应胸部位置的侵入量及侵入速度，称为B柱变形模式的理想变形模式。相对而言a模式在B柱腰线处弯曲较大就是较差的变形模式。图4-1乘员与B柱位置对应关系图4-2三大典型变形模式4.1.2B柱基本结构B柱变形模式是由B柱结构决定的，而且各部分结构部件对其变形模式的影响是不一致的，本文试着通过分析其各结构部件的关键性，调整和分布它们各自的刚度和强度来得到理想的变形模式，从而增强对乘员的的安全性保护。本文选用的车型对象的B柱由外板、内板和4个加强板构成，其中B柱外板与车门外板是一体化的，所以不适合做独立研究，去除外板后所研究的B柱基本结构如图4-3所示。43万方数据 武汉理工大学硕士学位论文图4-3B柱基本结构4.2B柱仿真结果分析1）B柱变形分析B柱是可移动变形壁障汽车侧面碰撞变形情况的关键考察部件。本文提取了碰撞0时刻和55ms时刻，B柱的两种形态云图，见图4-4。可以看出B柱出现了明显的形态变化，且其变形模式与图4-2对比，中部变形趋势突出，最大侵入量达到224.5mm，严重超过本文所选车型B柱内侧与座椅距离140mm，可以判定其变形模式与理想变形模式相差甚远，对于乘员的安全保护性能极低，会严重伤及乘员的胸部，腹部及骨盆。图4-4B柱变形云图2）B柱侵入量分析B柱变形模式的优劣程度单从侵入形态去看是不能完全描述的，没有具体的44万方数据 武汉理工大学硕士学位论文数据对其进行优化也是茫然。B柱上各点的位移变化决定了其形态变化，显然在无数的点中只有选取具有代表性的才是可行之法。依据图4-1中B柱各部位与人体正常姿态下各部位的对应关系来进行取点，通过记录这些点的位移变化可以更好地描述侵入形态的优劣性以及更准确评估侧碰事故仿真中对人体关键部位的伤害值。本文选择B柱部件上的四个关键点（如图4-5），分别对应人体的头部，胸腹部和骨盆位置。查看得到四点的位移变化曲线，即B柱Y方向侵入量，如图4-6。图4-5B柱关键点取值图4-6B柱四点侵入量曲线由图4-6可以看出B柱上四个考察点的侵入位移量的变化趋势，各点位移量先是增大，且在52秒左右达到最大值，随后由于回弹而有一定程度的减小，最后趋于不变。各点峰值大小有明显的区别，下部节点96846侵入量峰值为212.55mm，中部节点96267侵入量峰值次之为190.06mm，中上部节点96557侵入量峰值相对较小为134.81mm，数值表明这三个节点侵入量峰值严重大于或者接近本模型实际B柱内侧与座椅距离140mm，只有上部节点98183侵入量峰值处于相对安全距离范围内为40.703mm。因此该B柱变形模式严重占用乘员生存空间，对乘员安全保护性能很差，会对胸部造成致命的伤害，不符合理想变形模式的目标。3）B柱侵入速度分析B柱产生大小的不同的侵入量因占据了乘员的生存空间而造成乘员伤害，但其伴随着的在每个点不同的侵入速度，对乘员的伤害更是关键性的。侵入速度过高造成的冲击动能是人体所不能承受的。许多研究认为乘员胸部伤害程度与B[26]柱腰线处对假人的冲击速度成正比。文献中张维刚、邹正宽等人研究提供了[40]假人损伤值与B柱侵入速度的重要关系。文献则明确给出了侵入速度的危险值，若侧围部件侵入速度高于8m/s，乘员遭受AIS4+的概率会高于40%；若低于45万方数据 武汉理工大学硕士学位论文6m/s，乘员遭受AIS4+的概率则低于20%。因此本文也提取了B柱各关键点的侵入速度曲线（如图4-6）来考察B柱的侧碰安全性能。图4-7B柱四点侵入速度曲线由图4-7可以看出，B柱上四个考察点的侵入速度值在碰撞初始迅速攀升，随着变形发生碰撞能量得到转移，侵入速度达到峰值后开始减小，当变形回弹时侵入速度呈现负值，并随着回弹力的减小最后趋于零值。下节点96846的侵入速度峰值为8.8197m/s,会严重超过规定限值的42mm，使乘员极易遭受AIS4+的致命伤害；中节点96267的侵入速度峰值为7.5047m/s，低于8m/s但高于6m/s，同样不能避免乘员遭受AIS4+的致命概率，且此位置正对乘员胸部，即使是AIS3+，也是非常严重的伤害；中上节点96557的考察值为6.3233m/s，也同样不理想；只有上节点98183的侵入速度峰值相对较低为2.4289m/s，此位置接触人体头部，因此不会对人的头部造成严重伤害。4.3本章小结本章首先对B柱在不同变形模式下的安全性进行了分析，指出了B柱变形中的三大典型形态。然后对LS-DYNA971计算得到的试验结果进行考查并与三大典型模式做对比，指出本模型B柱变形模式安全系数低，展示了其侵入形态的前后对比图，并对侵入量和侵入速度两个重要指标做了详细的数据曲线分析。46万方数据 武汉理工大学硕士学位论文第5章汽车B柱优化设计研究仿真研究结果表明，当前状态下的B柱发生的变形模式并非理想型。因此应该减小B柱腰线处（对应人体胸部位置）的侵入量和侵入速度，以此为优化目标寻求理想变形模式来完成对B柱的优化设计研究。B柱侵入形态的优劣与B柱结构中不同部件的强度有关，同时也受B柱不同部位的侵入速度影响。所以优化设计研究对象包括B柱内板及4个加强板（B柱外板由于与车身一体化，对其优化是一个很大的工程问题，所以不予考虑）。目前汽车产品设计已经趋于成熟，如果对B柱的结构形式进行优化，可行性暂且不说，这样的做法所导致的一系列工艺问题将会增加很大的成本。因此我们只能从材料和尺寸两方面考虑，单纯地增加B柱部件厚度或者替换加强型材料虽然会提高其耐撞性但是会引起车身轻量化问题，加剧了燃油消耗。本文试图寻找一种合适的方法对B柱部件的尺寸厚度及材料运用做到物尽其用，尝试通过正交设计试验来研究五个部件的材料和厚度对B柱侵入形态、侵入量和侵入速度的影响。依据本文第2章正交试验理论，我们将B柱腰线处侵入量和侵入速度作为试验考察指标，显然B柱内板和B柱加强板1、2、3、4这五个部件的厚度和材料强度均为试验影响因素，正交试验中若直接考虑10个试验因素的影响，无论是综合平衡法还是矩阵型权重优化法，都是不明智的，前者带来的人为不确定性几率将会更大，后者的矩阵计算将是很大的工程。因此我们需要对这10个试验影响因素做显著性分析。5.1试验因素的显著性分析显著性分析是指在试验中分析试验因素对试验效应的影响程度，依据显著性程度就可以判断出试验因素的主次顺序。从而就可以更为合理的控制试验因素的影响效应，提出更为接近优化目标的方案。本文将正交试验应用于碰撞指标影响因素的显著性分析。试验定义B柱腰线处峰值侵入量和侵入速度为试验考察指标，上述10个影响因素作为试验因素，并用H1，H2，H3，H4，H5和M1，M2，M3，M4，M5分别表示B柱加强板1,2,3,4和B柱内板的厚度和材料强47万方数据 武汉理工大学硕士学位论文度，每个因素厚度1水平和2水平为1.0mm和1.5mm，每个因素材料强度1水平和2水平为0.182GPa和0.413GPa，这些水平一个较低，一个适中，这样更有利10于区分程度。查验正交表构造正交试验，十因素两水平试验选用L2正交试12[41]验表确定试验样本，查表5-1。对应表中的样本试验对考察模型进行再定义修改，用LS-DYNA971对系统模型完成仿真求解，然后使用HyperGraph查看nodout文件，得到考察点的试验指标结果，并将表5-1对应补充完整。10表5-1L2显著性正交试验设计表12样本试验因素（腰线处）试验指标试验H1H2H3H4H5M1M2M3M4M5侵入量（mm）侵入速度（m/s）11111111111204.428.71921111122222171.887.149931122211122187.878.2741212212211170.897.227351221221212162.836.682361222122121198.058.954472122112212161.326.858982121222111182.97.57792112221221194.258.8886102221111221183.627.7261112212121112185.448.1103122211212122168.117.02525.1.1显著性正交试验峰值侵入量分析对于显著性正交试验试验结果的处理方法，本文应用第2章的讲述的直观分析法即极差比大小法。此法直接明了，方便速度，具体使用原则如下：首先计算试验指标在各因素各水平下的所有值的平均值，用Ki代表。接着计算极差，用R表示，计算表达式为R=max{K1,K2}-min{K1,K2},算术意义指用Ki的最大值减去其最小值。从表达式可以推出，极差越大，代表因素水平变动引起试验指标效应的波动越显著，即该因素对于试验指标越重要且极差大小次序也就代表了因素主次顺序。对于该试验，包含十因素两水平，因此影响峰值侵入量的每个因素有两个48万方数据 武汉理工大学硕士学位论文水平平均值，1水平平均值K1和2水平平均值K2。试验中各因素水平对峰值侵入量影响的极差分析情况如表5-2所列。表5-2峰值侵入量极差分析表峰试验因素H1H2H3H4H5M1M2M3M4M5值均值K1182.7183.8182.5179.0184.2179.4186.5187.8178.0189.1侵均值K2179.3178.2179.5183.0177.9182.6175.6174.2184.0173.0入极差R3.45.634.06.33.210.913.6616.1量主次顺序86107493251由表5-2可以清晰地观察到极差的大小次序，因此可以得到影响B柱腰线处峰值侵入量的各因素的主次顺序为M5>M3>M2>H5>M4>H2>H4>H1>M1>H3。其中B柱内板5的材料，加强板3的材料和加强板2的材料的极差都特别大，即对B柱腰线处峰值侵入量影响颇为显著。其次B柱内板厚度的影响次之，并且发现没有极差为0的因素，可以说B柱所有构成因素对MDB侧碰中腰线处侵入量这一指标均产生一定影响。5.1.2显著性正交试验侵入速度分析依据表5-1试验指标中侵入速度的数据，完成与上小节侵入量分析相类似的计算，可以得出影响B柱腰线处侵入速度的各个因素在两水平下的平均值K1，K2和极差R，如5-3所列。表5-3侵入速度极差分析表试验因素H1H2H3H4H5M1M2M3M4M5侵均值K17.8347.9117.8547.4807.9207.6388.0668.1107.5308.182入均值K27.6987.6217,6798.0527.6127.8947.4667.4238.0037.350速极差R0.1360.290.1750.5720.3080.2560.60.6870.4730.832度主次顺序10794683251由表5-3可以清晰地观察到极差的大小次序，因此可以得到影响B柱腰线处侵入速度的各因素的主次顺序为M5>M3>M2>H4>M4>H5>H2>M1>H3>H1。同上述分析一样B柱内板5的材料，加强板3的材料和加强板2的材料的极差都特别大，且显著性程度与侵入量分析一致，表明这三个因素是侧碰中影响指标的关键性因素，关于加强板4的材料和厚度以及B柱内板5的厚度以及影响程度相对较小的其他因素在两个指标的考察中存在一定的分歧，本文采用综合平衡法来处49万方数据 武汉理工大学硕士学位论文理。5.1.3综合平衡分析通过以上两小节对两个试验指标的独立分析，得出各个试验指标的十个影响因素的主次顺序是不一致的，如何得到试验因素的最优组合方案，这里应用了综合平衡分析法中的原则，次服从主，少服从多。发现十个因素经过两个指标均衡后的主次顺序为M5>M3>M2>H5=M4>H4>H2>M1>H1>H3。其中B柱内板厚度H5和加强板4材料M4虽然在两个指标均衡下处于显著性程度一致状态，但H5相比于M4更侧重于对侵入量的影响。本文追求一种理想的变形模式，侵入量的减小是关键，因此选取其中B柱内板5的材料，加强板3的材料，加强板2的材料和B柱内板5的厚度作为优化因子，依次作为影响最为显著的四个因素。5.2B柱参数优化设计B柱参数的优化设计可依据上述十个因素的显著性分析，这样便少了一些盲目性，若十个因素全部进行控制，不仅平衡是很难完成，也会造成舍本逐末的结果。因此本文试图通过优化最为显著的前四个参数找到最优水平组合来寻求最优的侵入形态。确定了优化因素之后，要选择合适的因素水平，包括B柱内板、加强板3和加强板2的材料水平以及B柱内板5的厚度水平。5.2.1因素水平的选择通过四个因素的确定发现，三个因素全为材料强度，因此B柱材料强度的选择非常关键。高强度的车身材料能在轻量化的前提下满足汽车安全性要求。目前许多汽车厂商都在寻求二者兼优的材料，譬如铝合金，单位密度的能量吸收率约为合金钢的2.7倍。但对提升B柱耐撞安全性而言，对刚度的需求相比吸能率来说更高。含硼钢便是应运而生的一种，既具有高强度又可以满足高成型度，已经在许多车型进行了运用，但在许多理论和应用上还存在争议。马氏体相位刚（MS）防撞性能好，短行程吸能性好，相变诱发塑性（TRIP）钢也具有相类似的性能。其他汽车常用钢材还有双相钢（DP）,这种材料吸能性较强，加工成形工艺较为严格，被应用在汽车内外板上。多相位钢（CP）因具有高刚50万方数据 武汉理工大学硕士学位论文度和高吸能性适应于要求良好的抗冲击件，如汽车车轮、保险杠等安全部件中使用较多。据实际性车型设计，B柱部件的厚度都比较小，因此厚度水平的选取要具有客观性，不能盲目增加厚度也不能随意减小厚度。通过以上调研，本文选择三种代表性材料TRIP700，CP800,DP780作为材料的三个水平。三种材料的基本属性见表5-4。关于B柱内板的厚度水平选取为1.5mm，1.8mm，2mm，最大值和最小值差为0.5mm，如果差距过大，则试验水平则不具有可比性，关于材料选择也如此。表5-5列出了本次试验的所有因素和水平取值表。表5-4三种材料基本属性基本属性材料密度弹性模量泊松比屈服强度-3/(kg.mm)/(Gpa)/(Gpa)TRIP7007.85E-062100.30.550CP8007.85E-062100.30.8DP7807.83E-062100.30.755表5-5因素水平取值表试验因素1水平2水平3水平AB柱内板材料TRIP700CP800DP780B加强板3材料TRIP700CP800DP780C加强板2材料TRIP700CP800DP780DB柱内板厚度1.5mm1.8mm2mm5.2.2正交试验设计表5-5表明本次优化实验共涉及4个因素，每个因素包含3个水平，选用4[41]L9（3）正交表来确定样本空间，见表5-6。并依据样本试验参数对考察模型各部件进行再定义修改，用LS-DYNA971对系统模型完成仿真求解，然后使用HyperGraph查看nodout文件，并依次将考察点的试验指标求解结果填入表5-6。51万方数据 武汉理工大学硕士学位论文表5-6B柱参数的优化正交试验表样本影响因素（腰线处）试验指标试验ABCD侵入量（mm）侵入速度（m/s）11111139.325.62321222129.275.261231333127.025.16142123126.195.150452231128.55.163362312125.495.018173132130.165.281883213124.025.088693321130.045.23085.2.3优化方案的选取对比显著性分析中优化结果的选取，相类似地先采用单指标的独立直观分析法再使用综合平衡分析法从而获得理想侵入形态的最优因素水平组合。试验中各指标的4因素3水平极差分析情况如表5-7所列以及四因素的各水平均值如图5-1。表5-7B柱参数的优化极差分析表考察指标B柱内板材料A加强板3材料B加强板2材料CB柱内板厚度D（腰均值K1131.87131.89129.61132.62线处）均值K2126.73127.27128.5128.31峰值均值K3128.08127.52128.56125.75侵入极差R5.144.621.116.87量主次顺序2341（腰均值K15.34845.35185.24335.3391线处）均值K25.11065.17115.21425.1871峰值均值K35.20045.13675.20215.1334侵入极差R0.23780.21510.04120.2057速度主次顺序124352万方数据 武汉理工大学硕士学位论文图5-1各指标下的因素水平影响趋势图参照表5-7中峰值侵入量极差的大小以及图5-1中各水平值间距得到影响B柱腰线处峰值侵入量的各因素的主次顺序为D>A>B>C，相应的最优因素水平为图5-1左图中的最低点D3，A2，B2，C2；同样由表5-7中峰值侵入速度极差的大小以及图5-1中各水平值间距得到影响B柱腰线处峰值侵入速度的各因素的主次顺序为A>B>D>C,对应的最优因素水平为图5-1右图中的最低点A2，B3，D3，C3。经比较发现，两个考察指标的最佳试验条件是不一致的，B和C两因素的水平选择均不一致，且即使使用综合平衡分析法也无法完成对试验条件的最优决策，因此关于B因素和C因素的水平选择，本文尝试使用矩阵型权重优化法来确定而获得最优方案。本文第2章对矩阵型权重优化方法作了具体的阐述，考察正交试验的数据结构并由此构造权重矩阵因子，由于两个试验指标均追求越小越好，因此取K=1k。以下是两个指标的六个矩阵因子：P侵入量，P侵入速度；L侵入量，L侵入速度；ijijR侵入量，R侵入速度。P侵入量和P侵入速度：53万方数据 武汉理工大学硕士学位论文110000005.3484131.8711000000126.735.1106110000005.2004128.0811000000131.895.351811000000127.275.171111000000P侵入量=127.52P侵入速度=5.136710010000129.615.243311000000128.55.214211000000128.565.202111000000132.625.339111000000128.315.187111000000125.755.1334L侵入量和L侵入速度：42.95231000042.9529400L侵入量=0042.96266000042.943791.7393200001.7393900L侵入速度=001.7399400001.73948R侵入量，R侵入速度：0.289740.339810.260430.30737R侵入量=R侵入速度=0.062570.058870.387260.2939454万方数据 武汉理工大学硕士学位论文依据权重矩阵计算公式，得到两个考察指标的因素水平权重矩阵侵入量和侵入速度，侵入量=P侵入量L侵入量R侵入量；侵入速度=P侵入速度L侵入速度R侵入速度。该正交试验的总权矩阵为两个指标独立权矩阵的算术平均值：总=(侵入量+侵入速度)/2三个矩阵如下所示：9.44E-021.11E-010.10244A19.82E-021.16E-010.10693A29.72E-021.14E-010.10541A38.48E-029.99E-020.09236B18.79E-021.03E-010.09564B28.77E-021.04E-010.09590B3侵入量=侵入速度=总==2.07E-021.95E-020.02014C12.09E-021.96E-020.02028C22.09E-021.97E-020.02030C31.25E-019.58E-020.11058D11.30E-019.86E-020.11409D21.32E-019.96E-020.11593D3由总权重矩阵可以得到各个因素水平的权重值，值越大代表该因素该水平对于指标优化越好。通过其大小比较可得到上述影响B柱腰线处侧碰指标的四个因素的主次顺序为：D>A>B>C，且相对应的权重最大的水平为D3，A2，B3，C3。因此最后确定的最佳方案是A2，B3，C3，D3，即B柱内板5的材料A为CP800；加强板3的材料B为DP780；加强板2的材料C为DP780；B柱内板5的厚度D为2mm。下一节将对最初创建的模型依照优化方案进行定义修改，然后进行仿真计算来验证优化成果。5.3优化方案的验证将修改过后的K文件导入LS-DYNA中计算求解，得到的仿真结果与4.2节相结合从三个方面来对比解析优化方案的效果，从而验证优化后各指标安全性是否得到改善。1）B柱变形模式对比图5-2是优化后B柱在55ms时刻的侵入模式云图，与图4-4同时刻云图相55万方数据 武汉理工大学硕士学位论文图5-2B柱优化后侵入模式云图比较，B柱上的峰值侵入量由224.5mm降到189.4mm，减小了15.635%，且发生位置（红色部分）也明显下移，中部侵入量126.2mm也明显小于140mm，与理想变形模式基本吻合，驾乘员安全性得到了很大程度的保护，此指标下表明方案效果明显，优化成功。2）B柱侵入量对比图5-3是4.2节中确定的B柱四个关键点的侵入量优化前后对比曲线，所有粗线代表原系统模型的指标值走势，相应的细线代表优化后模型的指标值走势。下节点96846峰值侵入量由212.55mm降到186.03mm，减小了12.477%；上节点98183峰值侵入量由40.703mm降到20.259mm，减小了50.227%；中部节点96267峰值侵入量由190.06mm降到122.31mm，减小了35.647%，且明显小于140mm；中上部节点96557峰值侵入量由134.81mm降到70.029mm，减小了48.054%；所有峰值侵入量都位于安全值内，该指标数值同样表明此优化方案成功。56万方数据 武汉理工大学硕士学位论文图5-3B柱关键点侵入量优化前后对比曲线3）B柱侵入速度对比图5-4B柱关键点侵入速度优化前后对比曲线图5-4是4.2节中确定的B柱四个关键点的侵入速度优化前后对比曲线，57万方数据 武汉理工大学硕士学位论文所有粗线代表原系统模型的指标值走势，相应的细线代表优化后模型的指标值走势。下节点96846峰值侵入速度由8.8197m/s降到7.55005m/s，减小了14.396%；上节点98183峰值侵入速度由2.4289m/s降到1.4762m/s，减小了39.224%；中部节点96267峰值侵入速度由7.5047m/s降到4.8746m/s，减小了35.046%；中上部节点96557峰值侵入速度由6.3233m/s降到3.2679m/s，减小了48.32%；B柱腰线处对应胸部位置，速度明显小于6m/s，遭受致命伤害的概率极低，且基于侵入量的研究发现很有可能不会接触人体，至此表明此优化方案在本文所有指标下全部验证成功。5.4本章小结本章较为合理的设计了正交优化试验，首先依据仿真结果确定了达到理想变形模式的试验指标，其次对全部指标影响因素做了显著性分析筛选，进而确定了优化因子，接着根据调查实际应用的优劣性确定了因素的水平值，至此设计了四因素三水平的正交优化试验，并对最终优化方案的确定应用了矩阵型权重优化方法，使得优化方案的确定程序更加合理。在最后的方案验证中得到B柱腰线处侵入量减少35.647%，同位置侵入速度减小35.046%，表明优化结果比较满意，并在研究过程中可以总结出以下几点结论：（1）在B柱结构已经足够成熟，因此不再做结构改变的前提下，B柱各个结构部件的材料和厚度参数之间的匹配也对B柱的侧碰安全指标有明显地影响，研究表明，B柱内板、加强板3和加强板2的材料水平以及B柱内板5的厚度水平对MDB侧碰的安全指标变形模式、侵入量和侵入速度的影响相对其他因素更加显著。（2）将矩阵型权重优化方法应用于本次研究中，使得最佳方案因素水平的确定相比综合平衡分析法来说更加合理，更加具有数据说服性，进而使得研究结果可参考价值进一步提升。（3）本文研究成果是基于B柱的独立结构，虽然结果存在一定的不真实性，但其趋势是一致的，关于这个问题前面章节已经论述过，因此研究成果中B柱的材料和厚度相互匹配性以及所应用的方法对于B柱的设计以及其他车身部件的设计都有一定的参考度。58万方数据 武汉理工大学硕士学位论文第6章全文总结及展望6.1研究工作与成果本文基于HyperMesh和LS-DYNA的有限元离散思想，对某款三厢轿车的侧围CAD几何简化模型完成网格划分，以及一系列的模型计算定义，完成了对有限元思想很好地阐释和应用，并依据LS-DYNA对模型K文件的求解结果详细分析了B柱侧碰过程中的侵入响应模态，B柱关键点侵入量以及B柱关键点侵入速度，分析表明原模型的B柱结构碰撞安全性能系数比较低。在此基础上通过正交试验显著性分析来确定B柱优化参数，对需要优化的因素水平设计正交试验，并对试验结果做矩阵型权重优化分析，确定最优的B柱碰撞安全性方案并验证。通过上述的研究，本文提供了一种有利于乘员安全的B柱优化方案：B柱内板5的材料A为CP800；加强板3的材料B为DP780；加强板2的材料C为DP780；B柱内板5的厚度D为2mm。这样的优化结果使得B柱腰线处侵入量减小到122.31mm，比原来降低35.647%，并且小于本文车型的B柱内侧与座椅距离140mm；腰线处侵入速度降到4.8746m/s，减小了35.046%，并且在安全速度值6m/s以内。6.2建议与展望本文阐述了着重研究改善B柱侵入形态的汽车侧碰安全性能，通过对B柱关键部件的结构及刚度进行不同程度的水平正交试验以得到更有利于乘员安全的变形模式，所涉及到的详细的优化方法对进一步改善汽车侧碰安全性提供了的借鉴价值，不过本文的研究中涉及到的建模，分析和验证都存在一定程度的局限性，这几方面具体为如下叙述，希望在以后条件更为成熟的研究中逐渐改进。（1）在建模的时候只考虑了MDB侧碰情况，比较单一，如果能够添加柱碰撞模型，研究将更具有实际意义。而且关于模型的验证也只关系到仿真的可信59万方数据 武汉理工大学硕士学位论文度，如果能够对标实车试验数据，仿真将更为有效。（2）在分析时单纯考虑了B柱独立部件，缺乏整体性，这样分析结果存在一定的误差，且优化时试验指标如果能够添加柱碰撞安全指标值，优化结果将更具有可行性，优化中定义的影响因素比较简单，如果能够添加车身中其他相连部件的影响，确定的最佳方案将更为恰当。（3）车身轻量化是一个崭新趋势，本文优化方案的厚度水平为2mm，在汽车设计中已经是非常厚的指标了。在优化设计中若添加车身轻量化因素将更符合现代车设计潮流，研究成果也将更具有参考意义。（4）本文研究是单纯基于侧碰指标的数据，如果能够结合假人模型，将假人在不同方案下损伤等级也作为优化因素，并验证假人模型在MDB侧碰和柱侧碰的伤害等级或者在MADYMO中验证，研究结果将更具有现实意义。60万方数据 武汉理工大学硕士学位论文参考文献[1]中华人民共和国道路交通事故统计年报(2011年度).[2]朱西产.汽车碰撞安全性评价体系的现状及发展趋势[R].同济大学汽车学院,2006.[3]谭耀武.轿车侧面碰撞中B柱的耐撞性优化设计研究[D].湖南大学,2010.[4]LaiLeeLeung,ChristinaHuber,HaoJieMao.ReviewofthoracicInjuryCriteria.BME7120,2006,21(5):1-11[5]龙海靖,吕恒绪,张晓龙.B柱对侧面碰撞影响的试验研究[J].交通标准化,2009,12:160-163.[6]谭耀武，杨济匡，王四文.轿车B柱耐撞性与轻量化优化设计研究[J].中国机械工程，2010,12:2887-2892.[7]钟志华.汽车碰撞安全技术[M].北京:机械工业出版社,2008.[8]中国新车安全评价规程（C-NCAP）官方网站.http://www.c-ncap.org.[9]P.O.Marklund,L.Nilsson.Optimizationofacarbodycomponentsubjectedtosideimpact[J].StructureandMultidisciplinaryOptimization,July2001Volume21,Issue5,pp383-392.[10]J.S.Ruan,T.Khalil,A.I.King.DynamicResponseoftheHumanHeadtoImpactbyThree-DimensionalFiniteElementAnalysis[J].JournalofBiomechanicalEngineering,116(1),44-50,Feb01,1994.[11]B.D.Youn,K.K.Choi,R.-J.Yang,L.Gu.Reliability-baseddesignoptimizationforcrashworthinessofvehiclesideimpact[J].StructureandMultidisciplinaryOptimization,February2004Volume26,Issue3-4,pp272-283.[12]李发宗.汽车侧面碰撞虚拟试验技术的研究[D].武汉理工大学，2005[13]中国汽车技术研究中心编《汽车侧面碰撞的乘员保护》.(GB20071-2006）.天津.2006.[14]周玉珠.正交试验设计的矩阵分析方法[J].数学的实践与认识,2009.01:202-207.[15]KeithSeyer.InternationalHarmonisedResearchActivities.SideImpactWorkingGroupStatusReport.In:The17thInternationalTechnicalConferenceontheEnhancedSafetyofVehicles(ESV).Netherlands,2001,PaperNo.151.[16]GWANGHUNGim,PARVIZENikravesh.AnAnalyticalModelofPneumaticTyresforVehicleDynamicSimulations[J].Part1:PureSlips,InternationalJournalofVehicleDesign,1990,11(6).[17]陈晓东,苏清祖,程勇,等.汽车侧碰移动变形壁障有限元模型的开发[J].汽车工程,2003,25(3):260-263.[18]程阔,万鑫铭,李阳.B柱与假人损伤关系及结构改进研究[J].交通标准化,2010(009):202-206.61万方数据 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武汉理工大学硕士学位论文附录本人在攻读硕士学位生涯中发表的论文：[1]QiaoWeigao,ShiWenyan.SimulationandOptimizationofB-PillarCrashworthinessBasedonVirtualTest.AppliedMechanicsandMaterials,v505-506,p380-383,2014,AdvancesinTransportation.65万方数据 武汉理工大学硕士学位论文致谢从论文开题以来，我就在脑海里不断地思考，无论从理论上还是动手实践中都做了很大地努力，终于到了本论文结题之日，心里充满了无限兴奋与充实感，此时我真的要郑重地说声感谢，感谢我的导师乔维高教授，我的导师长期从事汽车安全方面的研究，引导了我对本课题的认识，培养了我对此浓厚的兴趣，并且给予了我悉心指导，同时在我论文发表中也给予了很大的帮助，如此种种使得我在论文创作期间得心应手，也没有后顾之忧；感谢这短暂的三年研究生生涯，让我的人生历程更加丰富多彩，让我的知识更加精湛，让我的人生目标得以确立；乔老师严谨的学术态度、渊博的理论知识和和蔼的教导方式将是我永远的学习榜样。特此，谨向我敬爱的导师献上由衷的感谢和深深的敬意！此外，还有和我同窗共处的师门兄弟姐妹们张芳芳、李鼎、饶紫微、李章宏、温龙轩、汤超群同学，是他们的帮助，我的论文才得以顺利完成，和他们的道别是那么的不舍与留恋，和他们的回忆将是我人生永远珍贵的财富，在此，就算有万分不舍，也要祝他们扬帆四海去实现自己心中的梦想。还要感谢我的爸爸妈妈，是他们无私地给予我全部的力量，给予我永远的鼓励，使我安心完成学业。我会永远记住父母的恩情与期待，拿出最优秀的表现回报父母。最后感谢所有评审、所有听审我答辩的老师！66万方数据