结构耐撞性设计和碰撞数值模拟

结构耐撞性设计和碰撞数值模拟
第二部分
一、结构耐撞性研究
•结构耐撞性的基本概念
•多层次碰撞：如在车辆碰撞事故中包含有：
车辆外壳的碰撞为第一层次碰撞——汽车结构耐撞性；
乘员同方向盘、仪表板及内饰等的碰撞为第二层次碰撞——乘员约束保护系统；
头颅和内含之间的碰撞为第三次碰撞等——生物力学；
耐撞性并不要求结构在撞击下毫无损伤，而是保证运载人员和重要物品不经受无法接收的加速度和损害，以保护人员、环境和结构中昂贵的部分。

•结构耐撞性研究的主要内容：
碰撞中结构所吸收的总能量；
控制在碰撞过程中的减速度（力）；
准确控制结构的具体破坏模式，各部件的变形量、能量耗散量、甚至零部件的变形的发生时间及先后次序精确到千分之一秒以下。

•耐撞性分析和设计的难点
结构耐撞性的分析基于对碰撞响应的理解，而碰撞响应极其复杂，涉及瞬时大变形、多种破坏模式、变形历史和应变率影响、结构屈曲和后屈曲、变形局部化、缺陷敏感性和零部件之间的相互作用等；
关于多种变形破坏模式：对常见的汽车薄壁构件就有，塑性弯曲、扭转、裂纹扩展和断裂、甚至穿透等；复合材料还包含损伤等更加复杂。

几个名词解释
•变形历史：卸载、再加载、应变强化等
•应变率影响
材料的塑性变形对应变速率敏感——材料的应变率敏感性，也称为粘塑性；
对应变率敏感材料，如常用低碳钢等，动态屈服应力比静态屈服应力
高出许多。

粘塑性本构关系非常复杂，常用的本构关系有
Cowper-Symonds模型：
其中待定常数D和P通过试验给出
•屈曲——结构的不稳定响应（欧拉杆）
•变形局部化——变形向局部集中；
•缺陷敏感性：
材料结构中不可避免的存在缺陷；
缺陷可能对屈曲模式产生决定性影响；
缺陷处的变形局部化会改变结构的变形模式，极端情况——外界输入能量主要消耗于缺陷处。

试验中的变形局部化现象及控制
•结构耐撞性的研究方法
结构耐撞性的研究方法，不同于一般的结构弹塑性动力响应的研究方法：
结构在碰撞事故条件下变形和破坏的模式多种多样，难用常规方法分析计算，即使使用巨型计算机也是一项耗时和昂贵的工作；
碰撞本身具有随机性，如两辆汽车相撞时可能有各种相对位置和相对速度，要穷举各种碰撞工况进行分析计算实际上是不可能的。

两个基本特点决定目前对结构耐撞性的研究只能采用经验分析、模型实验和数值计算相辅相成的综合方法。

•耐撞性设计与常规设计的关系
常规静力和动力设计：
一般按弹性准测设计，不允许出现明显塑性变形、屈曲和断裂破坏等；
耐撞性设计目标有两方面：
正常工作时，满足常规要求，不允许破坏；
碰撞发生后，允许破坏，但严格控制破坏模式和变形。

材料方面：
以常用钢材的试件载荷—变形曲线为例：
结构方面：载荷变形曲线？最理想
结构变形局部化和缺陷敏感性分析举例
掌握变形规律，可保持原有结构，通过调整局部使减速度峰值和变形量同时降低。

不适当的一味增强，会使减速度增加，且变形量有时反增。

•常规经验进行耐撞性设计失效举例
•仅以汽车结构中常见的薄壁管件受压为例：
•结构耐撞性与被动安全性的关系
良好的整车结构耐撞性是被动安全性基础
有效控制主要零部件的变形：使变形指标满足法规要求。

控制减速度峰值，降低乘员伤害。

为降低乘员约束系统配置的成本提供了可能。

耐撞性设计良好的结构，只有配置了合理的乘员安全约束系统，并有效发挥作用时，才能使碰撞对乘员的伤害降到最低限度。

二、能量吸收装置简介
为了提高结构的耐撞性，使碰撞能量的耗散尽可能以一种有控制的方式进行，有时需要设置一些特殊的结构元件作为能量吸收装置，或叫能量耗散装置。

对于这类装置的具体要求往往因碰撞工况和安装部位不同而异，但一般说来有以下几点共同要求：
•对能量吸收装置的一般要求
•碰撞动能应尽可能不可逆转地转化为变形能，既应该以塑性变形而不是弹性变形来储存这种能量；
•在碰撞条件下，能量吸收装置的变形模式应当稳定，具有可重复性和可靠性；•在吸收能量的过程中，应控制碰撞力和减速度。

以保护人员和主要结构，因此良好的能量吸收装置在大变形下应具有接近定常的承载能力；
•为吸收更多的动能，它应能提供足够长的变形行程，且在变形后不占据过大的变形空间或造成次生破坏；
•汽车上的能量吸收装置应该自重轻，具有良好的“比耗能”，即单位自重所能吸收的能量值要高；
•由于能量吸收装置一般是一次使用结构，应该成本低廉，易于制造和更换。

•简单的吸能装置
•复杂的能量吸收装置主要由具有良好能量吸收性能的结构元件组成。

•即使简单的结构吸能元件，也必须注意一些经常出现的复杂因素，如几何大变形的影响；材料的强化；应变率效应；不同变形模式的转变和交互作用等。

•典型的能量吸收结构元件
拉伸和弯曲元件：简单可靠但效率低。

金属丝、板条和圆管的拉伸，简单但颈缩行程短；
W型、Z型等弯曲元件，在折角处形成塑性铰而吸能，波纹板等结构的承载机理也与之类似。

受横向压力的圆环和圆管：
成本低、可靠、用途广；尤其是圆管系统。

利用金属成型原理的能量吸收装置，以适当模具同圆管相配合，模具可以使圆管直径胀大，或使圆管直径缩小，或使圆管的截面由圆变方。

根据金属切削原理，安排相对运动耗散能量，并产生一接近恒定的力等。

•薄壁管受冲击载荷下的响应特性
箱形薄壁结构具有非常良好的碰撞特性，且汽车碰撞中的主要吸能构件多以箱型薄壁梁为主。

基本特性
薄壁梁在碰撞过程中载荷——变形曲线
OA段为弹性压缩；
BC段为渐进屈曲；
▪变形阻力相对稳定
▪塑性变形吸能
CD段变形到底后。

•方管轴向压皱力
为了解薄壁管的碰撞响应，这里分析一种典型薄壁管——方管的轴向
压皱行为；
方管的压皱行为非常复杂，Wierzbicki等对均宽为C，壁厚为t 的准静态受压方管用近似方法得到：
其中P m为平均准静态轴向压皱力；
和
方管的轴向动压皱
其中V0为撞击的初始速度
•不同截面形式对承载能力的影响
令
其中表示结构的有效利用率；
表示结构的相对密度。

根据实验资料：
圆管在轴压下近似满足；
轴压下的方管近似有；
在相对密度相同的情况下，方管的承载能力只有圆管的2/3左右。

由此可见结构形式对承载能力有显著影响。

•影响薄壁管碰撞响应的主要因素
•结构耐撞性的评价指标
吸收的总能量E
变形过程中的平均载荷
变形过程中的最大载荷
单位重量吸收能量
其它如：单位体积的吸收能量；载荷的变化量、变形率等。

三、模拟计算
早期主要是试验的方法，汽车结构耐撞性和各种安全约束保护系统性能的检测几乎都依靠试验手段和研究人员的经验来实现，需要经历很
长的周期和花费大量的资金。

模拟计算不仅重复性好、信息量大，可沿任意截面剖开观察其内部部件的变形情况和应力应变分布状况；方便地实现不同方案地比较。

但最终产品只有通过试验认证，且模型中的参数要根据相关试验获得，模型的正确性还要由试验来验证。

因此试验与模拟计算的关系是相辅相成的。

•模拟计算的主要方法
碰撞分析的方法主要：多刚体动力学法和动态大变形非线性有限元法。

多刚体动力学法采用刚体和无质量的弹簧、阻尼以及各种动态铰来描述系统的动态响应。

优点是建模方便且计算速度快，缺点不能对结构进行详细的变形分析。

可用于研究人体和车辆各个部分在碰撞过程中的动态响应，事故的分析和再现。

动态大变形非线性有限元法可分析结构的几何和材料非线性，及大变形和非线性接触问题。

它将连续的空间系统进行离散化，将实际结构通过节点联系在一起，可以用于人体和车辆的详细建模，能够得到各个部件中的变形情况，速度和加速度分布。

•多刚体动力学法
在模拟碰撞法规试验中多采用多刚体假人模型，一方面是由于有限元假人模型的单元数目过大，计算时间长；另外在试验中只需要假人头部、胸部和大腿等部位的总体响应和受力，假人多刚体模型能够满足要求。

只有在研究人体损伤或需要加速度分布等时，才需要假人有限元模型。

多体动力学是近20年来在经典刚体力学、分析力学和计算机技术基础上发展出来的力学分支。

它以多刚体为研究对象，建立所研究系统的数值模型，对它们进行运动分析和动力分析。

常用多刚体动力学软件
60－70年代开始出现了多刚体乘员碰撞模拟软件。

其中被广泛使用的有三套：MVMA2D、CAL3D和MADYMO。

M ADYMO目前已发展到5.3版，并成功地将有限元与多体系统耦合，成为了一个多体与有限元结合的数学模拟软件。

其有限元模块采用的计算方法与后面介绍的非线性有限元软件LS－DYNA3D所采用的计算方法基本一致。

实际上许多有限元软件包括LS－DYNA3D和PAM-CRASH都有MADYMO的接口，以方便多刚体方法和有限元的混合计算分析。

真实行人事故
多刚体行人事故模拟
乘员约束系统模拟
乘员膝部保护模拟
•在汽车碰撞研究中常用的有限元软件
汽车碰撞方面有许多软件，但实际常用的有限元软件有
LS-DYNA3D、PAM-CRASH和MSC/DYTRAN。

上述软件的核心都是以美国Lawrence Livermore 国家试验室在七十年代开发出的DYNA公开版本的理论为基础。

LS-DYNA3D
L S-DYNA3D软件早期主要用于模拟较重物体的低速冲击过程；
1989年由LSTC公司专门开发，汽车安全性的研究成为其主要研究对象之一。

现已经包括了一百多种材料的模型，90版后增加了安全带和气囊的模型；
1986年首次成功地模拟了整车的碰撞过程；
1991年计算了气袋与人体的接触过程，其中人体是采用多刚体的模型。

1995与FTSS和Arup在联合建立了Hybrid III 假人的模型并通过了试验的验证。

PAM-CRASH、PAM-SAFE
MSC/DYTRAN
M SC/DYTRAN软件也是由DYNA的基本理论发展起来的，其拥有的用户不如LS-DYNA和PAM-CRASH多。

在安全气袋的模拟方面有其独特之处，当气体进入到气袋中时，可以建立其可分离的有限元模型，与气袋膜单元之间相互作用，这样可较好地模拟气体快速充入到气袋内的惯性特性。

某吉普车碰撞响应
微型客车的乘员约束系统
转向管柱的数值模拟
有限元模拟乘员约束系统
四、汽车结构耐撞性设计
实车改进举例
•吉普车改进实例，说明控制变形模式的重要性。

有限元分析老车架变形
有限元分析改进后车架的变形
改进后的实车碰撞
改进前后的减速度曲线和纵向变形量对比
•微型客车的耐撞性改进设计
汽车结构耐撞性改进的主要问题
保证基本的许可变形量；
有效利用允许变形空间；
充分研究薄壁构件的吸能特性；
严格控制主要吸能部件的变形方式。

汽车结构耐撞性改进设计步骤1
在外形设计和总体结构设计之初，要考虑为汽车高速碰撞安全预留出足够的可变形空间，这是保证汽车结构耐撞性的前提。

依据汽车的允许变形量、平均减速度期望值、车重等因素估算主要吸能构件的吸能能力，初步确定主要吸能构件的结构形式、材料和几何尺寸等。

利用简化的边界条件进行有限元分析，制作试件并进行试验。

同时为进一步的整车分析积累基本数据。

汽车结构耐撞性改进设计步骤2
整车碰撞有限元初步分析。

观察主要吸能构件在整车实际约束情况下的变形模式，并对主要结构元件变形刚度和吸能能力做出评价。

同时调整相互干涉的结构元件。

汽车结构耐撞性改进设计步骤3
主要结构元件包括吸能构件的优化设计。

根据整车计算结果进一步优化吸能构件的设计。

同时调整主要受力零部件刚度，确保主要吸能构件的变形模式和能量吸收能力满足设计要求。

汽车结构耐撞性改进设计步骤4
汽车主体结构确定以后，其碰撞时的破坏方式、破坏涉及到的零部件和减速度曲线基本确定。

在此基础上进行包括方向盘移动量、挡风玻璃的破坏程度、座椅和假人伤害指标等的数值分析。

汽车结构耐撞性改进设计步骤5
在整车数值分析对乘员的冲击基本符合法规要求的前提下，试制整车并进行实车碰撞试验。

若试验基本满足法规要求，根据试验结果进一步完善有限元计算模型，优化局部结构等，再进行试验，最后确定具体结构的设计方案。

如果试验结果不符合乘员的安全要求，以上的分析步骤必须重复进行。

•改进设计方案的选择：
直接的考虑：
增加车身A柱前长度，如增加全长、后移A柱等；
增加整车结构变形刚度、或只加强变形部分。

分析后提出：
保持原外形和主要结构不变，以降低改进代价；
将整车变形刚度尽一切可能降低，以降低对乘员伤害的可能，并降低乘员约束系统的成本。

！不动外形行吗？
改进方案选择的依据
为满足正碰法规，A柱前塑性变形应吸收大部分能量，假定变形阻力保持不变，则允许变形量与减速度关系满足：
试验验证：
台车质量753kg、速度48km/h、变形量为200mm
•改进设计依据的原则
以满足正面碰撞法规为基础，追求最大限度的降低对乘员的可能伤害。

在不影响其他功能的前提下，兼顾生产成本和改进成本。

尽
量减少附加结构。

给出满足耐撞性要求的结构设计范围，而不是一个确定数值。

4 、薄壁管的准静态和动态冲击试验
有限元分析的许多参数，如材料变形曲线、应变率效应、焊点破坏模式等只能通过试验获得。

检验有限元模型，并实际考察各种因素的影响。

为分析受压和压弯薄壁构件碰撞特性，在考虑不同参数影响数百次数值分析的基础上，进行了几十个包括拉伸试验、准静态压缩和台车试验。

同时为建立有效的有限元模型，积累了可靠资料。

材料试验
薄壁管件冲击试验录像
薄壁管件冲击试验高速录像
乘员约束系统试验
有限元分析中变形局部化等带来的危害
下图为在设计实践中遇到的两种典型的非理想变形模式。

改进前后车架的变形
原车数值模拟计算结果
改进后LS－DYAN计算结果
改进后PAM－CRASH模拟
结构耐撞性改进效果预测
•通过微型客车的耐撞性改进：在保持外形不变、重量变化不到1％的前提下，模拟结果显示改进后汽车保持了较低加速度峰值，压缩变形量降低一半以上。

其它指标也得到了有效控制。

新车试验。