【精品】汽车碰撞模拟实验台设计

1绪论

1。1课题来源与国内外现状

随着科技的进步、经济的发展、人民生活水平的不断提高，汽车己经成为人们学习、工作、生活中不可缺少的代步工具,对人们的生活、生产产生了深刻的影响。作为一种便捷的现代化交通工具，汽车在给人们带来极大便利的同时，也因其造成的交通事故给人类的生命和财产安全带来了严重威胁.随着全球汽车保有量的不断增加，交通事故也随之增加，交通事故己经成为全球范围内的一大社会问题。

这是一组让人膛目结舌的数字.美国的汽车保有量为1。3亿辆，每年道路交通死亡4万人左右；日本的汽车保有量近8000万辆，每年道路交通死亡1。1万人，去年降到8000人。中国的汽车保有量是3000万辆,每年道路交通死亡近11万人，单车事故率相当于美国的近13倍，日本的近40倍。除去交通状况等客观因素，一个不可回避的原因就是中国汽车安全系数低，我国交通事故的严重程度由此可想而知。随着我国道路交通状况的不断改善，我国汽车的保有量不断增加，车速也逐渐提高,交通事故总量和所造成的人员伤亡与财产损失近年来也呈上升趋势。加强道路交通系统和汽车安全的研究，预防交通事故，是需要全社会共同关注和迫切改善的重要课题［1—2］。

汽车安全性问题与汽车的各种性能等直接或间接有关,对其研究最初是与提高汽车的整车性能的研究交织在一起的.随着二战后汽车工业的持续发展，到60年代中期，西方发达国家中汽车的保有量和汽车的动力性能有了明显的提高，公路上的车流密度和车流速度己达到了一个空前高的水平，汽车事故发生率空前高涨，汽车安全性受到了公众和政府部门的高度重视。从这一时期开始,各国相继制定或修订了安全法规，

如美国的汽车安全标准FMVSS等［3］.在这些法规的制约下，以及为了提高汽车产品的竞争力,各大汽车制造商和一些研究机构开展了汽车安全性的专门研究.汽车安全性研究逐渐从汽车技术研究的其他领域分离出来形成了一个独立的分支。

1.2汽车安全性的种类

汽车安全性可划分为主动安全性和被动安全性[4-5]。被动安全性是指汽车发生不可避免的交通事故后，能够对车内乘员或车外行人进行保护，以免发生伤害或使伤害减低到最低程度的性能。目前，汽车被动安全性研究内容包括车身结构抗撞性研究、碰撞生物力学研究以及乘员约束系统及安全驾驶室内饰组件的开发研究这三个方面。

汽车被动安全性研究方法包括试验研究和计算机仿真研究两种［6]

.汽车被动安全性的研究最早通过实验进行，内容包括台架冲击试验、台车碰撞模拟试验和实车碰撞试验。实车碰撞试验主要用来对己开发出的成品车型进行按法规(如美国FMVSS汽车安全标准）要求的试验，以鉴定其是否达到法规要求。涉及整车结构的相关FMVSS安全标准都要求进行时速为48km/h的实车与固定障壁的前碰实验.前面固定障碍物的冲击代表最严重的汽车碰撞类型.适合于该碰撞试验的固定障碍物通常由至少3m宽、1.5m高、0。6m厚的钢筋混凝土制成。在障碍物后面堆有大约90吨夯实的砂土或其等价物。障碍物平面垂直于汽车最后趋近路线,且表面铺有19mm厚的层压板.采用道轨来控制试验汽车的方向，整个车辆的加速度可借安置于车地板或大梁或靠近车门中柱的车身门槛处的加速度仪来测量。我国的碰撞试验使用的是刚性的水泥墙，其上覆盖的20cm的木板并不存在变形吸能的作用，只是为了保护仪器，反而是欧洲的重叠碰撞试验中测试车辆并不是直接撞向刚性墙壁，而是与一个蜂窝结构的吸能块发生重叠碰撞，用这个吸能块来模仿对面来车。

汽车主动安全对策主要涉及汽车的制动性、动力性、操纵稳定性、驾驶舒适性、信息性等方面。包括防抱死制动系统（ABS)、驱动防滑系统（ASR）、横摆控制系统、车距报警系统、驾驶辅助预警系统、安全导航系统后视镜、高位制动灯等汽车主动安全装置［7-8]。

1。3汽车模拟碰撞的研究

（1）国外汽车碰撞模拟研究与发展状况

对汽车碰撞的研究，国外起步较早。较早开展汽车碰撞研究的是美国。早期汽车碰撞研究主要是进行各种条件下的碰撞试验，包括实车试验和模拟试验，如前所述。

国外汽车碰撞模拟最早出现在60年代末期，由于当时受计算机硬件水平的限制，一辆车仅包含几十个节点,单元类型也局限于梁单元,当时的碰撞模拟主要是对实车碰撞实验的预测.80年代由于Cray等巨型机的出现和显式积分理论的成熟,人们开始研究对整车的耐撞有限元分析，汽车单元数量发展到几千个,同时开发出了与汽车结构相对应的薄壁单元。进入90年代以来，由于汽车碰撞的商业化软件不断完善,单元数量也扩大到几万个甚至几十万个，汽车碰撞模拟结果越来越接近于实际.由于计算机开始广泛采用了并行技术，使得运算时间大大减少，甚至现在普通的个人计算机也可以进行碰撞仿真分析。目前在汽车发达国家汽车碰撞模拟研究已经达到相当成熟的地步，开发出了许多成熟的用于碰撞模拟的成熟商业软件包，已经部分取代实验室的工作。

(2)国外开展汽车碰撞模拟研究的方向

国外开展的汽车碰撞计算机模拟研究主要包括事故再(ACCIDENTRECONSTRUCTION）,碰撞受害者模拟（CRASHVICTIMSIMULATION）、汽车结构抗撞性模拟(SIMULATIONOFAUTOMOBILE'SCRASHWORTHI—NESS)三个方向［9—12］.事故再现研究的内容是，在汽车事故发生后，由汽车的最终位置开始，运用按经验建立的运动学和动力学模型往回推算，即反向经由碰撞后阶段一碰撞阶段一碰撞前阶段，使事故的情况在时间和空间上得以重现。汽车碰撞受害者模拟的研究工作开始于60年代中期,使用的动力学分析模型是多刚体系统模型和生物力学分析模型，分别用来模拟人体整体动力学响应和人体局部结构伤害程度。汽车结构抗撞性模拟的动力学分析模型是非线性大变形有限元模型。有限元模型的优点在于能真实地描述结构变形,适用于建立汽车结构模型及人体局部结构的生物力学分析模型。

(3）国内汽车碰撞模拟研究状况

我国对汽车被动安全性进行系统研究是从上个世纪80年代后期开始的，汽车碰撞研究工作也开始于这一时期，取得了可喜的成绩。1989年，吉林工业大学和西安公路交通大学分别建立了“刚体+弹塑性弹簧”数学东北大学硕士学位论文第一章绪论模型和“刚体+弹簧阻尼”数学模型[13]。后者还做了模型碰撞试验，验证其理论模型。次年，吉林工业大学李卓森教授和李洪国教授就计算机模拟中所需的汽车碰撞刚度和汽车正面碰撞方程式等方面进行了探讨。1996年清华大学的黄世霖、王春雨等人应用DYNA3D研究了车架结构的耐撞性能并在此研究基础上对车架结构提出了改进措施.从2000年开始,我国一直实施汽车正面碰撞法规，即是100％正面全接触碰撞试验。2003