研究汽车碰撞中头颈部动态响应的有限元模型的建立和验证
文章编号:1000 2472(2005)02 0006 07
研究汽车碰撞中头颈部动态响应的
有限元模型的建立和验证
杨济匡
1,2
,许 伟1,万鑫铭
1
(1.湖南大学现代车身技术教育部重点实验室,湖南长沙 410082;
2.查尔摩斯大学机械与车辆系统工程系,瑞典)
摘 要:建立并验证了一个基于人体解剖学结构的头颈部三维有限元模型.该模型由颅骨、脑、颈椎骨、椎间盘、肌肉、韧带和小关节组成,总节点数为17758,单元她21803,模型生物材料特性分别用弹性和粘弹性模型描述.整个头颈部模型应用美国海军生物力学实验室前碰撞志愿者实验及查尔摩斯大学后碰撞滑车实验的数据进行了验证.采用该模型计算了头颈部的加速度、角速度等运动曲线及H IC 值.验证结果显示该模型具有较好的生物逼真度,可用于研究在汽车碰撞事故中头颈部损伤生物力学问题和开发损伤防护装置.
关键词:有限元模型;碰撞生物力学;颈部损伤;损伤机理
中图分类号:U461.91 文献标识码:A
Development and Validation of a Head Neck Finite Element Model
for the Study of Neck Dynamic Responses in Car Impacts
YANG Ji kuang 1,2,XU Wei 1,WAN Xin ming
(1.Key L aboratory o f Advanced T echnology for V ehicle Body Design &M anufacture o f the M ini stry of Education in
Hunan U niv,Changsha,Hunan 410082,China;
2.Dept o f M echanical and V ehicle System Engineering ,Chalmers U niv of T echnology,Sw eden)
Abstract:Based on the human head neck anatom ic structure,this paper presented a head neck 3D finite ele ment model,which consisted of skull,brain,cervical vertebra,disks,facet joints,ligaments,and muscles.T he model has 17758nodes and 21803elements.The w hole model w as validated through the volunteer tests in frontal and rear end impact tests.The boundary and loading conditions w ere applied according to the frontal im pact and rear impact.The output parameters used for validation included the acceleration of the head CG.T he head linear acceleration history curve was presented,and the H IC value w as calculated.Simulation results showed that the head neck model had a good biofidelity,w hich w ill contribute to the research on neck injury mechanisms and the development of injury protective devices.
Key words:finite element model;crash biomechanics;neck injury;injury mechanism
颈部损伤在道路交通伤害中一直占有较大的比例.最近的研究报告指出,在道路交通伤害中颈部损伤占50%,并呈现增长趋势[1].由于颈部复杂的解剖学结构及生物力学特性,碰撞事故中的颈部生物
力学响应和损伤机理研究,特别是软组织损伤机理研究一直是公认的难题.在过去几十年中,实验及仿真手段被广泛地运用到颈部损伤研究领域.目前用于颈部碰撞生物力学响应仿真研究的数学模型主要
收稿日期:2004-11-02
基金项目:国家自然科学基金资助项目(10172033/A020210)
作者简介:杨济匡(1948-),男,湖南湘潭人,湖南大学教授,博士生导师E mail:j ikuang.yang@me.chalmers.se
第32卷 第2期2005年4月
湖南大学学报(自然科学版)
Journal of Hunan U niversity (N atural Sciences)Vol.32,No.2Apr 2005
有集中质量模型、多刚体模型和有限元模型.集中质量模型和多刚体模型结构简单,精度有限,生物逼真度差.随着计算机软硬件技术的飞速发展,有限元算法得到了普及.很多已经开发的有限元模型明显具有比集中质量模型和多刚体模型更好的生物逼真度.最近几年来,在碰撞生物力学领域已经开发出一些新的人体有限元模型,比如欧盟第四框架计划项目HUM OS人体有限元模型[2]和丰田汽车研究中心建立的人体有限元模型[3].已开展的研究工作表明人体有限元模型将成为汽车安全研究与开发设计的有效手段,并具有任何其他拟人数学模型和机械模型不可替代的作用.
本文描述了湖南大学头颈部有限元模型的建立及验证过程中第二阶段的开发研究工作.经过验证的模型具有较高的生物逼真度,可用于头颈部的碰撞生物力学响应和损伤机理研究,并可为我国汽车工业界提供一个安全设备开发设计的有力工具.
1 方法和材料
头颈部有限元模型的建立基于人体解剖学结构.模型的几何形状和尺寸基于50百分位成年男性人体的解剖学结构尺寸,原始数据来源于Viewpo int 公司人体数据测量数据库.在本文工作中建立了颅骨和脑的模型,对颅脑模型的有效性采用Nahum的冲击生物力学实验结果进行了验证.然后采用本项目已建立的颈部模型[4]与新建头部模型匹配,并对颈部肌肉模型进行了一定的改进以提高生物逼真度.整个头颈部模型应用美国海军生物力学实验室的前碰撞志愿者实验结果及查尔摩斯大学完成的追尾碰撞滑车实验的数据进行了验证.
1 1 头部建模和材料参数定义
原始的几何模型数据是iges(初始化图形交换规范)文件,使用EDS公司的U G三维造型软件导入后进行相应的几何简化处理.在简化过程中,保留原基本的几何特征.例如在建模中,眼窝对头颅整体形状的影响较小,因此简化眼窝可以减少建模时单元的数量.最后的几何模型由平滑的特征曲线和曲面组成,以便于网格划分.
在建模过程中,首先使用6节点和8节点的实体单元来描述整个脑组织的结构.主要的边界几何特征被用于控制脑的形状和位置.然后通过投影法在脑组织外面生成了一层壳单元用于描述头颅的内表面.头颅的外表面根据外表面的精确几何特征进行了网格划分.然后使用一些壳单元完成了头颅内外表面的连接(图1).头颅的网格由壳单元网格组成,被设置为刚性材料.脑组织定义为粘弹性材料,材料特性均来自相关参考文献[5],并在表1中列出.
表1 颅骨和脑组织的材料参数Tab.1 The properties of skull and brain
杨氏模量/GPa 泊松比
布克模量/
M Pa
短效剪切
模量/kPa
长效剪切
模量/kPa
衰减系数
/(m s-1)
颅骨100000.21
脑 1.1254916.70.145
图1 头颅和脑的网格划分
Fig.1 T he mesh of skull and brain
头部模型总共由4423个壳单元和1762个实体单元组成.头部质量4.4kg,其中脑重1.7kg.在完成了头部的网格划分和材料定义之后,进行了头部模型和颈部模型的匹配工作.根据头部和颈部的相对位置,形成了枕骨关节的下关节面(图2).同时,在枕骨下关节面和C1颈椎上关节面之间生成了一层实体单元描述寰枕关节间的软骨组织.
1 2 头部模型的正面撞击验证
应用头部生物力学实验结果对头部模型的有效性进行了验证.Nahum等人[6]在1977年以未经过防腐处理的人类尸体作为实验样本,进行对头部前方的撞击试验.使用一圆柱体冲锤对额骨部位进行正面撞击,圆柱体重5.6kg,自由发射,初速度为
7
第2期杨济匡等:研究汽车碰撞中头颈部动态响应的有限元模型的建立和验证
6.3m/s.实验测量了碰撞力和头部加速度.
在仿真验证中,由于碰撞接触时间极短(6ms),因此头部的边界条件定义为自由边界条件.将实验中获得的接触力曲线作为载荷条件,作用在额骨正面面积为182mm2的两个壳单元上,图2为仿真示意图
.
图2 刚性圆柱体正面碰撞头部额骨示意图
F ig.2 T he illustration of the head frontal bone s impact w ith a r igid cylinder
1 3 头颈部模型的建立
1 3 1 原始颈部模型
湖南大学于2002年建立的人体颈部模型
(HBM Neck)由椎骨、椎间盘、肌肉、韧带和小关节
组成,整个模型结构如图3所示.这一颈部模型使用
壳单元来描述椎骨结构并将它们定义为刚性材料.
在对应节点上附着了质量单元以确保椎骨的质心位
置正确.椎骨的杨氏模量为10000MPa,泊松比为
0.29.各块椎骨的质量列举在表2中
.
图3 HBM人体颈部模型
F ig.3 HBM neck model
表2 椎骨的质量参数
Tab.2 M ass parameters of vertebrue kg
C1C2C3C4C5C6C7总计
0.1480.1430.1430.1430.1430.1430.228 1.091
人体颈椎从C2到C7共6块椎骨间有5个椎
间盘,椎间盘由髓核(NP)和纤维环(AF)组织构成.
椎间盘髓核和纤维环组织采用实体单元模拟.髓核
定义为粘弹性材料,纤维环组织定义为弹性材料,杨
氏模量为3.4MPa.
颈椎部韧带使用弹性弹簧单元建模,这些弹簧
单元仅承受轴向拉力.C1椎骨上的横韧带使用4节
点的膜单元进行模拟并定义为弹性材料.同时定义
了横韧带和C2椎骨齿突间的接触规则以限制C1
椎骨和C2齿突间的相对运动.
小关节面的关节囊由梁单元韧带和一层实体单
元组成.这些实体单元附着在下方椎骨小关节的上
关节面,并与上方椎骨的小关节的下关节面相配合
定义为滑动接触界面.
在前期模型中,颈部肌肉组织使用梁单元模拟,
并仅定义几条主要的肌肉组织.按照混 假人(Hy
brid )头部机械模型的几何尺寸建立了一个简化
的刚性头部模型来模拟头颈部整体动力学响应.在
本工作中,新建的基于解剖学结构的头部有限元模
型用来取代简化的头部模型,并对原颈部模型的肌
肉位置进行了调整改进.
1 3
2 头颈部模型的匹配及部分结构的改进
依据头、颈部相对解剖位置关系,建立了头部枕
骨下关节面,完成了寰枕关节连接并重新定义了肌
肉的新头颈部有限元模型如图4所示.颈部肌肉群
按照位置分为前部肌肉群、后部肌肉群和侧面肌肉
群.被描述的肌肉名称在表3中列出.所有肌肉组织
8 湖南大学学报(自然科学版)2005年
都用梁单元建模.梁单元的端点均按照肌肉的解剖学附着位置定义在对应的节点上.所有的梁单元均只能承受轴向张力并定义为粘弹性材料.布克模量
为0.2M Pa,短效剪切模量为0.115M Pa,长效剪切模量0.086M
Pa.
图4 新头颈部有限元模型Fig.4 T he new head neck FE model
在新的模型中同样对韧带的位置进行了调整.
主要的改进围绕寰枕关节进行.比如原始模型中十字韧带的附着位置错误,在新模型中得到纠正.
表3 颈部肌肉组织Tab.3 List of cervical muscles
位置肌肉名称
前部头长肌、颈长肌、头前直肌、头外侧直肌、胸锁乳突肌、颈阔肌后部斜方肌、肩胛提肌、夹肌、深层肌肉群侧面
前斜角肌、中斜角肌、后斜角肌
1 4 头颈部模型验证
应用志愿者实验数据对头颈部有限元模型进行了前碰撞和后碰撞的仿真验证.仿真计算了在前、后
碰撞过程中的头部加速度、位移和HIC 值.1 4 1 前碰撞验证
1978年,Ew ing 等人在美国海军生物力学实验室进行了志愿者滑车实验[7,8].实验中刚性座椅被固定在滑车上,志愿者坐在座椅上,胸部由双肩皮带约束.在不同的加速度载荷条件下进行了前碰撞、侧碰撞和斜碰撞实验,测试记录了碰撞过程中头部相对于T1胸椎的动力学响应参数.图5所示为在15g 前碰撞加速度条件下记录的T1胸椎的x 方向速度曲线.在仿真模拟前碰撞时将T1胸椎的速度曲线作为输入载荷条件施加于C7颈椎底部.头颈部模型定义在常规重力场中.C7颈椎及肌肉的下端沿x ,y 和z 方向的转动自由度均施加了约束边界条件.仿真时间历程为400
ms.
图5 在15g 前碰撞中,T 1胸椎在x 方向的速度曲线Fig.5 T he mean T 1x velocity curv e for the 15g
frontal impact condit ion
1 4
2 追尾碰撞验证
Davidsson 等人[9]
为了建立追尾碰撞中人体颈部正常响应的运动区间,曾经进行了志愿者后碰撞实验以研究颈部的生物力学响应.该实验的速度变化率为7km /h.实验记录了碰撞过程中T1胸椎的运动响应,包括水平向前的和竖直方向上的位移曲线及T1的角位移曲线.实验的数据被用于头颈部模型的追尾碰撞验证.采用了水平方向和竖直方向的位移曲线作为C7颈椎的输入条件.志愿者实验的记录曲线如图6所示.
2 结果
2 1 头部模型验证结果
仿真了头部的加速度曲线和应力分布情况.图7(a)所示为头部质心位置加速度曲线,该曲线与
9
第2期杨济匡等:研究汽车碰撞中头颈部动态响应的有限元模型的建立和验证
Nahum 的尸体实验曲线吻合较好,只是加速度峰值有些偏低.内部脑组织的压强分布呈典型的碰撞/对侧伤分布模式,在前部碰撞区域,压强为正,呈压缩模式,最大压强为0.45MPa,在碰撞位置对侧的枕骨区域,压强为负,呈拉伸模式,最大负压为-0.78MPa.
头部的Von Mises 应力分布如图7(b)所示,最大的Von Mises 应力出现在后部脑干部位和前部碰撞点.这一点与Ruan 的模型验证结果相似.实验和模型仿真的力、加速度和H IC 值在表4中列出
.
图6 志愿者后碰撞实验运动曲线
Fig.6 Kinematics of Davidsson s rear impact experiments
表4 实验及仿真结果数据对比
T ab.4 C om pa re of the experim ent and simulation results
碰撞部位
加载条件
碰撞力/N 头部加速度/(m s -2)
HIC 值Nahum 实验额骨刚性圆柱体恒定速度碰撞
69001980744模型仿真
额骨
压力曲线
6900
1503
492
图7 头部损伤相关物理量
F ig.7 Physical parameters relate to head injur y
2 2 前碰撞验证结果
图8显示了头部质心在x 方向(水平向前方向)的加速度 时间曲线和头部相对于C7颈椎在z 方向(竖直方向)上的位移 时间曲线图,图中对比标
出了志愿者实验的曲线区间和头颈部有限元模型的仿真曲线.从加速度曲线图可以看出,大部分时间段内仿真曲线一直在实验曲线区间内变动,只有少数的点偏离到区间外,而且也是围绕区间上下波动.从z 方向的相对位移曲线图上可以看出,仿真曲线有
10
湖南大学学报(自然科学版)2005年
着与志愿者实验区间非常相似的波形,但是由于颈部模型刚度较高,导致了位移峰值很小
.
图8 15g 加速度下前碰撞仿真的验证曲线
F ig.8 T he v alidation curve of fro nt impact in 15g acceleration
2 3 后碰撞验证结果
图9显示了追尾碰撞的x 方向的加速度 时间曲线和在z 方向上头部相对于C7颈椎的位移 时间曲线.从图中可以看出,加速度仿真曲线大部分的采
样点都落在志愿者实验区间内.从z 方向的位移 时间曲线图可以看到,仿真曲线在前150ms 内与志愿者实验曲线区吻合较好.但是颈部响应的回弹过程开始得相对过早
.
图9 追尾碰撞仿真验证曲线
Fig.9 T he validation curve o f r ear impact
3 讨 论
头部建模过程中脑组织的正确描述非常重要,同时头颅 脑之间连接方式的描述对模型的质量和计算时间有很大的影响,在Claessens 关于头部模型的参数研究[10]中,总结了3种主要的颅 脑界面的建模方法:
1)使用一组共享的节点来描述颅骨的内表面和脑的外边界的连接;
2)使用一薄层低剪切模量的厚壳单元来描述位
于颅骨和脑之间的脑脊液(CSF);
3)使用接触规则定义颅与脑之间的连接方式.以上3种方法各有特色.但是后两种方法建立的模型往往只能够用于简单载荷情况下的模型计算,对于复杂的载荷情况,要求对建模软件和算法进行大量的参数控制工作,才能确保计算较顺利地进行,而第一种方法即使在复杂的载荷条件下也能够保证计算的顺利进行,并且节省计算时间.建立的初步模型已可达到用于颈部损伤研究的目的,因此采
11
第2期杨济匡等:研究汽车碰撞中头颈部动态响应的有限元模型的建立和验证
用第一种方法来完成本课题头部模型的建模工作.
从表4仿真结果可以看出相对于实验而言, Nahum模型仿真的加速度峰值和H IC值都偏低,可能是由模拟条件与实验碰撞设置的偏差造成的.从仿真应力应变分析可以看出,颅脑模型能够较好地模拟实验碰撞中头部动力学与运动学响应的情况,较合理地反映了脑部应力应变的分布,可以用于人体头颈部生物力学响应的研究.
从图8和图9的验证曲线可以看出头颈部有限元模型仿真位移曲线的偏差,可能有以下原因:
1)在实验中,头部的相对运动都是相对于T1胸椎而言的.模型没有包括T1胸椎,所有的计算都是相对于C7颈椎而言的,这将影响到颈部的响应.这个替代过程将会减少约10%的相对运动.
2)边界条件的定义.与志愿者实验相比,在模型仿真中,仅仅将T1胸椎的线速度和线位移作为边界条件加载,没有考虑角速度和角位移.
3)模型材料的选择和材料参数的定义.研究表明,人体的韧带、肌肉软组织具有复杂的力学性能.它们具有较高的非线性、各向异性和粘弹性等性质,肌肉还能够主动做功.而本模型建立过程中使用的材料参数均参考相关文献,使用的多为各向同性、线弹性材料,因此对模型颈部生物力学响应有一定的影响.
4 结束语
新的头颈部有限元模型在前碰撞和追尾碰撞的仿真验证中的运动学响应与志愿者实验的曲线区间吻合得较好,因此该模型可以用于颈部生物力学响应研究的计算机仿真,对我国深入开展颈部损伤研究工作有重要的意义.
模型还需要进一步验证,包括进行侧向碰撞和斜碰撞验证,从而提高模型的生物逼真度,使该模型适用于各种碰撞条件下的仿真,从而得到更为有效和广泛的应用.
参考文献
[1] KULLGREN A,KRAFFT M,YDENIU S A,et al.Develop
ments i n car safety w ith respect to disability inj ury distributions for car occupants in cars from the80 s an d90 s[A].Interna tional Research Coun cil on the Bi omechanics of Im pact[C].
Birmingham,2002.145-154.
[2] ROBIN S.HUM OS:Human model for s afety-A joint effort to
w ards the development of refined human-like car occupant mod els[A].Proc of the17th Internati onal T echnical Conference on the ESV(Enhanced Safety of Vehicles)[C].Amsterdam,2001.
1-9.
[3] YANG K H,ZHU F C,LUAN F,et al.Developm ent of a finite
element model of the human neck[A].Proceedings of the42nd S TAPP car crash conference[C].T empe,1998.195-205. [4] 杨济匡,姚剑峰.人体颈部动力学响应分析有限元模型的建立
和验证[J].湖南大学学报,2003,30(4):40-46.
[5] KANG H S,W ILL INGER R,DIAW B M,et al.Validati on of
a3D anatomic human head model and replication of head i m pact in motorcycle accident by fi n i te element modeli ng[A].Proceed ings of the41st STAPP car crash conference[C].Florida,1997.
3849-3858.
[6] NAHUM A M,SM ITH R WARD.Intracranial pressure dynamic
during head impact[A].Proceedings of the21st STAPP car crash conference[C].New York,1977.339-366.
[7] EW ING C,THOM AS D,LUS TICK L,et al.The effect of du
ration,rate of onset,and peak sled acceleration on the dynamic response of the human head and neck[A].Proceedings of the 20th STAPP car crash conference[C].M i chigan,1976.3-41.
[8] EWING C,THOM AS D,LUSTICK L,et al.Effect of initial
position on the human head and neck response to+Y impact ac celeration[A].Proceedings of the22nd STAPP car crash confer en ce[C].New York,1978.103-138.
[9] DAVIDSS ON J,DEUTSCHER C,HELL W,et al.Human
volunteer kinematics in rear end s led collisions[A].International Research Council on the Biom echanics of Impact[C].G teborg,
1998.289-301.
[10]CLAESSENS M,SAUREN F,WISM ANS J.M odelling of the
human head under i mpact condi tions:A parametric study[A].
Proceedings of the41st ST APP car crash conference[C].Flori da,1997.3829-3848.
12 湖南大学学报(自然科学版)2005年
浅谈汽车碰撞安全研究
汽车碰撞与安全研究 车辆工程陈国强 摘要：汽车的碰撞安全性问题是当今世界汽车工业亟需解决的一大难题，提高汽车碰撞性能的最基本的途径是发展汽车碰撞安全性设计与改进技术。文中主要介绍了汽车碰撞技术的发展现状，国内外相关的法规，并对汽车碰撞安全性的设计方法，如经验法、解析法、多刚体动力学法、试验法以及有限元方法进行了归类和总结。 关键词：汽车碰撞；安全；现状与发展 Abstract: Vehicle passive safety issue is a big and urgent problem for world-wide automobile industry to solve as soon as possible. The basic approach of protecting people from being hurt or killed in an accident is to improve crashworthiness of vehicles. This paper starts with discussing theories and methods for vehicle passive safety design, which included experiential methods, analytic methods, multi-body dynamics methods, crash test methods and the finite element method. Key words: Auto collision; safety; current conditions and development 0 引言 科学技术的发展，汽车己经成为人们生活中必不可少的交通工具。而在汽车交通事故中每年的死伤人数，常常超过世界的局部战争，交通事故已经成为人类社会的重大公害之一。从全世界的统计数字来看，每年因道路交通事故而死亡的人数已高达50多万人[1]。与世界其他各国相比，我国的汽车总拥有量只占5%，而交通事故死亡人数却占100%[2]，并且碰撞事故中的死亡率也大大高于欧美、日本等工业发达国家，其中除了人为的因索外，车辆本身的碰撞安全性达不到要求是一个重要因素。因此，汽车的碰撞安全性问题，已成为近十多年来汽车工业的主要研究问题和攻关方向，世界各发达国家都对汽车碰撞安全性做出强制性要求，并建立了各自的法规。 1 汽车碰撞国内外法规 最早的汽车碰撞安全性法规诞生于60年代中期的美国[3]，在此之前，世界上并没有任何对车辆的碰撞安全性能进行要求限制的法规，一些有关汽车碰撞安全性问题的研究主要是依赖于汽车生产厂家的自觉性及对公众的责任感。1965年，美国汽车工业部门拨款一千万美元给密西根大学建立公路交通安全研究所[4]。1966年，设立了运输部，并颁布了公路安全法规和国家交通与汽车安全法规，其中的汽车安全法规即著名的FMVSS系列法规[5]，它提
汽车碰撞传感器原理
安全气囊系统传感器的结构原理 1碰撞传感器 碰撞传感器是安全气囊系统和座椅安全带收紧系统必不可少的传感器，其工作状态取决于汽车碰撞时的减速度大小。因此碰撞传感器实际上是一种减速度传感器，其公用是收紧电控单元（ECU），以便ECU确定是否引爆气囊点火器和安全带收紧点火器。 1.1碰撞传感器的分类 碰撞传感器种类繁多、形式各异，常用的碰撞传感器可按用途与结构进行分类。 ⑴按碰撞传感器的用途分类 按传感器用途不同，碰撞传感器可分为碰撞信号传感器和碰撞防护传感器两种类型。 碰撞信号传感器又称为碰撞烈度（激烈程度）传感器，安装在汽车左前与右前翼子板内侧，两侧前照灯支架下面，发动机散热器支架左、右两侧，左右仪表台下面等。 碰撞防护传感器又称为安全传感器或保险传感器，简称防护传感器，一般都安装在SRS ECU内部。防护传感器和碰撞信号传感器的结构原理完全相同。换句话说，一只碰撞传感器即可用作碰撞信号传感器，也可用作碰撞防护传感器，但是必须重新设定其减速度阈值。设定减速度阈值的原则是碰撞防护传感器的减速度阈值比碰撞信号传感器的减速度阈值稍小。当汽车以40km/h左右的速度撞到一辆静止或同样大小的汽车上或以20km/h左右的速度迎面撞到一个不可变形的障碍物上时，减速度就会达到碰撞信号传感器设定的阈值，传感器就会动作。 ⑵按碰撞传感器的结构类型分 按传感器结构不同，碰撞传感器可分为机电结合式、水银开关式和电子式三种类型。 机电结合式是一种利用机械机构运动（滚动或转动）来控制电器触电运动，再由触电断开与闭合来控制气囊点火器电路接通与切断的传感元件。目前常用的有滚球式碰撞传感器、滚轴式碰撞传感器和偏心锤式碰撞传感器。 水银开关式碰撞传感器是利用水银导电良好的特性来控制气囊点火器电路接通与切断，一般用作防护传感器。 电子式碰撞传感器没有电器触点，常用的有压阻效应式和压电效应式两种，一般用 一
汽车碰撞分析与估损样题
《汽车碰撞分析与估损》复习题 1.以下有关风险的说法哪个是不正确的？ A．风险是肯定能发生的客观存在； B. 风险具有可预见性； C．风险必然会造成物质损失或人身伤害； D．风险发生的时间和造成的损失大小具有不确定性。 2．甲乙两人在讨论保险的概念，甲说：保险的法律关系是一种有一定代价的权利义务关系，与一般的损害赔偿的法律关系不同；乙说：被保险人以支付保险费来换取风险保障的权利，所以保险费的支付是取得风险保障的代价。谁正确？ A．只有甲正确； B．只有乙正确； C．两人都正确； D．两人都不正确。 3．机动车辆损失险属于以下哪一类保险？ A．商业保险； B．政策保险； C．社会保险； D．强制保险。 4．对于机动车交通事故责任强制保险条例中的有关概念，甲说：第三者是指被保险机动车发生道路交通事故的受害人，包括被保险机动车本车人员和被保险人。乙说：被保险人是指投保人，其他驾驶人不能视为被保险人。谁正确？ A．只有甲正确； B．只有乙正确； C．两人都正确； D．两人都不正确。 5．一辆汽车在交通事故责任强制保险有效期内发生事故，交警检测发现驾驶员属醉酒驾车，保险公司的以下哪种处置方式最得当？ A．不予赔偿； B．仅在强制保险责任限额范围内对被保险车辆的损失进行赔偿； C．仅在强制保险责任限额范围内对受伤的人员进行赔偿； D．先在强制保险责任限额范围内垫付抢救费用，然后向被保险人追偿。 6．在对事故车进行勘查定损时，如果发现事故车已超过几年未经车管部门检验即视为报废汽车？ A．半年； B．一年； C．二年； D．三年。
7．在汽车与障碍物碰撞的单方事故中，以下哪种碰撞事故最为少见？ A．尾部碰撞； B．前角碰撞； C．后角碰撞； D．侧面碰撞。 8．甲说：在汽车碰撞事故中，如果撞击力指向汽车的质心，对车辆造成的损坏要比偏离质心的撞击力造成的损坏更大一些；乙说：在正面碰撞事故中，如果驾驶员在碰撞前急踩制动，汽车在障碍物上的碰撞点一般比不踩制动时的碰撞点低。谁正确？ A．只有甲正确； B．只有乙正确； C．两人都正确； D．两人都不正确。 9．甲说：如果事故车在碰撞中受损十分严重，可能会造成全损；乙说：全损是指估算出来的事故车维修费比购置一辆新车还贵。谁正确？ A．只有甲正确； B．只有乙正确； C．两人都正确； D．两人都不正确。 10. 事故车修理厂在对事故车进行修理时一般参照以下哪种单据？ A. 修理任务单； B. 估损单； C. 报价单； D. 数据表。 11. 甲说：事故车在开始修理前没必要一定进行清洗；乙说：清洗事故车的目的是将泥浆、污垢、蜡质及水溶性污染物清除掉，以确保喷漆质量。谁正确？ A．只有甲正确； B．只有乙正确； C．两人都正确； D．两人都不正确。 12. 甲说：对事故车的测量可用来确定车辆损坏的程度；乙说：对事故车的测量可用来确定车辆损坏的方位。谁正确？ A．只有甲正确； B．只有乙正确； C．两人都正确； D．两人都不正确。 13. 在碰撞事故中，车身焊点将撞击力传递给整车构件，因此它们是整车结构的（）。A．刚性连接点； B．柔性连接点；
外文翻译：轿车车身的碰撞有限元模型分析
附录1 汽车的碰撞安全性越来越得到人们的重视,不论是对轿车、小客车或其它类型的车辆。由于进行碰撞试验往往需要许多时间与金钱,计算机仿真就是一条较好的方法。而且,汽车被动安全性研究的有限元方法的发展,非线性动力显式有限元方法的进步,使得利用计算机仿真来进行汽车安全性评价与改进成为可能。目前,各大汽车公司与研究机构已着手研究从仿真分析的结果中推演出进一步的修改方案,达到在汽车重量与碰撞特性等方面最优的研究。本文以提高汽车耐撞性为目标,以某型七座小客车的初步设计方案为基础,建立了用于正面碰撞仿真的前部碰撞有限元模型,并进行了计算机碰撞模拟,提出了改进方案,提高了汽车的被动安全性设计水平,从而提高了新车型满足碰撞全法规的成功率。 在对汽车进行碰撞性能有限元分析时,汽车整车的建模工作量巨大。本文中的整车有限元模型中的各个零件均由各零件的U G或CATIA 格式的几何模型转入HYPERME2SH 有限元建模软件并进行网格划分,再进行装配而成。碰撞分析的有限元模型的节点数和单元数都超过了14 万,规模较大。有限元分析软件采用LS2DYNA ,它是当前在汽车碰撞有限元仿真中应用较多的一个非线性动力显式有限元软件,它的主要算法采用Lagrangian 描述增量法,利用显示中心差分法离散时间域,积分时间步长大小受Courant 稳定性准则制约。 整车结构由100 多个元件装配而成。建模时,连接的刚度和强度根据实际情况确定。模型中的板壳单元以Be2lytschko - Tsay 四边形壳单元为主。而节点也分为常规节点和模拟部分焊点情况的带失效的固连。发动机和变速器在整车碰撞中的变形不予以考虑,其材料定义为刚性材料。车门和车体的连接是通过铰链和门锁固定的,在数值仿真中,通过约束对应节点的位移自由度建立球铰模型来模拟。 考虑到研究中仿真的碰撞方式是最为典型的正面碰撞,在正面碰撞过程中,A 柱前部的车身结构是变形吸能的主要器件,其变形的模式极为复杂,而中柱之后在碰撞过程中几乎不发生变形。为节省计算时间,将车身的前部单元划分较密,中柱之后则较稀。计算中采用弹性刚度沙漏控制。 按照CMVDR294 碰撞法规的要求,小客车以50km/ h的速度正面撞击刚性墙。设置的初始边界条件与实车实验的初始条件相同,模拟该车以50km/ h 的初速度正面撞击刚体墙。在有限元计算后进行后处理,并对模拟计算的结果进
汽车碰撞理论4
浅谈汽车碰撞理论与仿真方法 摘要：本文主要介绍了汽车碰撞理论基本内容以及仿真方法。首先，概述了汽车碰撞理论的特点、基本原理，着重阐述了汽车碰撞的基本形式，对其中包括汽车对刚体的碰撞、汽车对汽车的正面碰撞、汽车对汽车的追尾碰撞，汽车对汽车的侧面碰撞等内容，对如何鉴别区分这几种碰撞形式做了简单的方法分析。特别对刚体碰撞、正面碰撞、追尾碰撞等做了详细的介绍，重点在于阐明了碰撞速度的基本计算方法。其次，片面的描述了汽车碰撞仿真方法，以汽车正面碰撞有限元仿真模拟、汽车侧面碰撞仿真方法为例，简单介绍了它们的语运用步骤。 关键词：碰撞原理；碰撞形式；碰撞速度；碰撞模拟 1.引言：汽车结构安全设计和交通事故的科学分析都要求掌握汽车肇事特征与碰撞的基本规律。问题的难点在于，在碰撞过程中，汽车在瞬态力的作用下车身结构产生快速的非线性大变形，单单从刚体运动学、动力学来推断碰撞前的车速是不可能的，必须深入研究在碰撞过程中汽车结构的弹塑性性能及相关的变形、能量、速度、加速度及撞击力的变化规律，从而确定这些特征参量与碰撞速度的非线性关系。研究汽车碰撞过程中碰撞速度与结构变形的关系是汽车改型、开发及设计中十分重要的基础性研究，它对于现代道路交通事故鉴定分析的重要性逐渐引起人们的关注。美国国家道路安全局从！台汽车碰撞试验中给出汽车的刚度系数及其变形计算方法，日本著名的汽车交通事故鉴定专家林洋先生多次指明：“汽车车身作为碰撞物体的特性至关重要，这是因为必须根据汽车车身的损坏状态反推出碰撞事故的产生过程。”在他的著作中给出了汽车典型碰撞过程的汽车变形与碰撞速度的经验公式。美、日汽车试验研究成果中给出低速下汽车碰撞速度与汽车车身变形的线性关系。它的重要价值不仅指出几个典型碰撞下车速判别定量依据，更重要的指明了汽车碰撞速度与结构变形的深入研究方向的重要意义，这也是本课题系统研究的指导原则。 2.汽车碰撞理论基本概述 2.1汽车碰撞的特点 碰撞是瞬间物理过程,碰撞时间极短,它携带碰撞体的很多信息[]1。严格的讲，汽车碰 撞具有以下特点： 1）是车辆之间相互交换运动能量的现象； 2）是相互挤压、通过车身的损坏和固定物的损坏来消耗一部分运动能量； 3）是部分相互损坏而另一部分相互推斥的现象； 4）不仅有运动能量的交换，有时还伴有将部分运动能量转换成角运动的现象； 5）车辆与乘员之间有剧烈的相对运动，这就是乘员的二次碰撞，即乘员受伤害的原因之一； 6）碰撞过程及其短，一般在0.1-0.2s时间内发生。 乘员的运动，以摩擦功的形式消耗掉。碰撞后的运动时间一般为数秒。碰撞与碰撞后的运动是人力根本无法左右的纯物理现象，碰撞与碰撞后的运动结果，将造成车辆损失、
有限元法在汽车行业中的应用
有限元法在汽车行业中的应用 【摘要】：汽车车身结构主要是由薄板冲压的覆盖件、承载骨架和各种加强件组成的。在有限元分析中可将它看成是由许多单元所组成的整体, 或起承载作用, 或承受、传递外部载荷, 以保证整个汽车的正常工作。 【关键词】：汽车；技术；应用 在当前的工程技术领域中有越来越多的复杂结构，包括复杂的几何形状、复杂的载荷作用和复杂的支撑约束等。当对这些复杂问题进行静、动态力学性能分析时, 往往可以很方便地写出基本方程和边界条件, 但却求不出解析解。这是因为大量的工程实际问题非常复杂, 有些构件的形状甚至不可能用简单的数学表达式表达, 所以就更谈不上解析解了。 对于这类工程实际问题, 通常有两种分析和研究途径: 一是对复杂问题进行简化, 提出种种假设, 最终简化为一个能够处理的问题。这种方法由于太多的假设和简化, 将导致不准确乃至错误的答案。另一种方法是尽可能保留问题的各种实际工况, 寻求近似的数值解。在众多的近似分析方法中, 有限元法是最为成功和运用最广的方法。 1. 汽车结构有限元分析 汽车车身结构主要是由薄板冲压的覆盖件、承载骨架和各种加强件组成的。在有限元分析中可将它看成是由许多单元所组成的整体, 或起承载作用, 或承受、传递外部载荷, 以保证整个汽车的正常工作。由于要完成各自独特的功能, 它们的结构各不相同, 并且都比较复杂。一些结构件的工作条件比较恶劣, 长期在振动和冲击载荷下工作。寻求有关这些结构件正确而可靠的设计和计算方法, 是提高汽车的工作性能及可靠性的主要途径之一。 在汽车结构分析中, 有限元法由于其能够解决结构形状和边界条件都非常任意的力学问题的独特优点而被广泛使用。各种汽车结构件都可应用有限元法进行静态分析、固有特性分析和动态分析; 并且从原来对工程实际问题的静态分析为主转化为要求以模态分析和动态分析为主。也可根据工程实际结构的特点要求进行非线性分析。具体地说, 汽车结构有限元分析的应用体现于: 一是在汽车设计中对所有的结构件、主要机械零部件的刚度、强度、稳定性分析; 二是在汽车的计算机辅助设计和优化设计中, 用有限元法作为结构分析的工具; 三是在汽车结构分析中普遍采用有限元法来进行各构件的模态分析，同时在计算机屏幕上直观形象地再现各构件的振动模态, 进一步计算出各构件的动态响应, 较真实地描绘出动态过程, 为结构的动态设计提供方便有效的工具。 有限元法分析汽车结构的一般过程如下:
GARTEUR 有限元模型修正与确认研究
收稿日期:2003207207;修订日期:2004203225 基金项目:教育部博士学科点专项基金(20010227012)资助项目 文章编号:100026893(2004)0420372204 GARTEUR 有限元模型修正与确认研究 费庆国,张令弥,郭勤涛 (南京航空航天大学振动工程研究所,江苏南京 210016) Case Study of FE Model Updating and Validation via an Air craft Model Structur e FEI Qing 2guo,Z HANG Ling 2mi,G UO Qin 2tao (Institu te o f Vi brati on Engi neering,Nanjing University of Aeronau tics and Astro nautics,Nanjing 210016,China)摘 要:待修正参数的选择以及修正后模型的质量评估是有限元模型修正的两个重要问题。以欧洲学术界广泛采用的GA RTEUR 飞机模型为例,利用基于灵敏度分析的模型修正方法,通过仿真算例研究参数选择对模型修正质量的影响,并以试验数据为目标值对有限元模型进行修正与确认。为全面评估模型的修正质量,引入三级标准对修正后有限元模型进行确认。 关键词:固体力学;模型确认;有限元法;模型修正;参数选择中图分类号:O 248121 文献标识码:A Abstr act:Parameter selection and quali ty validation are of g reat i mpo rtance in fini te element model updating.This paper presents so me results which demonstrate the relationship betw een parameter selection and updated model .s quality throu gh si mulation cases.Three q uali ty levels w ith corresponding validation criteria are emplo yed with an emphasis o n updated mod 2el .s predictio n ability.Results of updating based on exper i mental modal test data are sho w n as an application example.A n aircraft test structure,GA RTEUR,which is g enerally utilized in Europe,is employed in bo th the si mulation case and the exper i mental case.Sensi tivity 2based model updating appro ach is applied. Key wor ds:solid mechanics;model validation;finite element method;model updating;parameter selection 在航空工程中,准确的有限元模型对于动态响应预测以及动态设计至关重要。建模过程中的不确定因素,如离散化误差、材料物理参数的不确定性、边界条件的近似等,导致有限元模型必然存在误差。设计规范规定,有限元模型必须通过振动模态试验或者地面共振试验来检验[1]。 近30年来,有限元模型修正技术得到了长足的发展[2~6]。根据修正对象的不同可将修正方法分为矩阵型方法和设计参数型方法。后者物理意义明确,更具工程应用价值。本文采用基于灵敏度分析的设计参数型修正方法。 基于灵敏度分析的设计参数型修正方法主要包括待修正设计参数选择,灵敏度分析,参数修正以及模型确认等环节。 待修正设计参数的选择是模型修正的起始环节。通常,候选参数是有限元模型存在不确定性因素的参数。近20年虽然发展了很多种参数选择或者误差定位的策略与算法,工程应用中仍然难以准确无遗漏地确定误差参数。因此,有必要讨论参数选择对模型修正质量的影响。 模型确认是模型修正的检验环节。在当前的研究及工程应用中,通常只要求修正后模型的计算结果能够复现修正过程中利用的试验数据。事实上,为全面评估模型的质量,模型的复现能力与预测能力应予以同等重视[7]。本研究引入了三级质量标准对修正后的有限元模型进行确认。 本文采用G ARTE UR 飞机模型为研究对象,通过仿真算例来研究参数选择对模型修正质量的影响,并给出了利用振动模态测试结果对G AR 2TEUR 飞机模型的有限元模型进行修正与确认的结果。 1 模型修正方法与模型确认准则 (1)模型修正方法 模型修正可归结为以下的优化问题[8] Min p +R(p )+2 2,R(p )=f E -f A (p )s.t V L [p [V U (1) 其中:p 代表设计参数;f E ,f A 是结构动态特性试验与分析结果;R 代表残差;V L ,V U 是设计参数的下、上限。 令设计参数的初始值为p 0,动态特性f 是设计参数的隐函数,其泰勒展开式为 第25卷 第4期航 空 学 报 Vol 125N o 14 2004年 7月ACT A AERO NA U TICA E T AS TRO NA U TICA SINICA July 2004
汽车碰撞理论阐述及碰撞事故再现
汽车碰撞理论阐述及碰撞事故再现 摘要：受出行车辆与日俱增、交通环境日益复杂以及驾驶人员道德素质和驾车水平等诸多因素的影响，交通事故越来越多，因而需要对汽车碰撞事故进行再现，以为安全评价对其作一个公平而科学的鉴定。对此，本文从汽车碰撞理论出发，就碰撞事故进行再现。 关键词：汽车碰撞；理论阐述；事故再现 我国每年因汽车碰撞引发的交通事故不仅数量惊人，损失严重，而且屡禁不止，居高不下，这无疑对交通安全构成了威胁。而通过汽车碰撞事故再现，可明确事故责任归属，对事故加以科学鉴定，同时基于对车辆和人员的安全评价，既利于车辆设计的优化，也可为交通安全管理提供重要依据，足以见得，再现汽车碰撞事故的意义重大。 1. 汽车碰撞的理论阐述 1.1.塑性碰撞理论分析 若发生汽车碰撞后，车辆之间并不存在相对运动可被视为塑性碰撞，且经试验证明，当汽车碰撞速度相对较高时属于塑性碰撞，此时会涉及能量损失，遵循能量守恒定律，从而汽车碰撞过程符合和，又因汽车发生塑性碰撞后速度相同，发现汽车碰撞的严重程度与车辆的相对速度为正比关系，与车辆质量为反比关系，与碰撞前汽车速度没有关系，
但塑性碰撞下的能量损失与两车碰撞前相对速度的平方为正比关系，与碰撞汽车自身质量为反比关系[1]。 1.2.刚体碰撞理论分析 若汽车发生碰撞后，大部分车体基本完好，且能量损失较小并局限于变形位置，故可将其视为刚体碰撞，如汽车交通事故中的正面碰撞便属于刚体碰撞，因能量和动量守恒，故有，而在碰撞后有，由于人体伤害度主要取决于减速度，所以根据上式可以发现，汽车碰撞作用下的伤害度与两车碰撞的相对速度为正比关系，与其质量为反比关系，而与撞前速度没有关系，进而得知质量较小的汽车在碰撞事故中受伤较重。 1.3.弹塑性碰撞理论分析 若汽车在碰撞过程中既发生了弹性变形，也发生了塑性变形，需要同时将两者纳入考虑范围较为合理[2]。为便于汽车碰撞性质的区分，在此提出了这一恢复系数，且当=0时代表塑性碰撞，当 =1时代表刚体碰撞，当0< <1时代表弹塑性碰撞，同时其能量损失满足条件，可见其与汽车质量、碰撞性质、撞前汽车的相对速度有关。 2.汽车碰撞事故再现及安全评价分析 2.1.获取汽车碰撞参数的一般步骤和方法 汽车碰撞参数的获取是事故再现的基础条件和重要参考，所以掌握参数获取的步骤和方法尤为关键。具体包括
用高中物理知识分析汽车碰撞理论
汽车碰撞地理论分析，具有高中物理知识地就可以看懂！ 当前汽车地碰撞实验地一个陷阱就是：不同车型都是对着质量和强度都是无限大地被撞物冲击.然后以此作为证据，来证明自己汽车地安全性其实是差不多地，这是极端错误地. 个人收集整理勿做商业用途 举个例子：拿鸡蛋对着锅台碰，你可以发现所有地鸡蛋碎了，而且都碎得差不多，于是可以得出鸡蛋地安全性都差不多.可是你拿两个鸡蛋对碰呢，结果是一边损坏一半吗？个人收集整理勿做商业用途 错！你会发现，一定只有一个鸡蛋碎了，同时另一个完好无损！ 问题出现了：为什么对着锅台碰都差不多，但是鸡蛋之间对碰却永远只有一个碎了？这个实验结果与汽车碰撞有关系吗？个人收集整理勿做商业用途 原因就在于：当结构开始溃败时，刚度会急剧降低.让我们仔细看一下鸡蛋碰撞地过程吧！，两个鸡蛋开始碰撞一瞬间，结构都是完好地，刚性都是最大；，随着碰撞地继续，力量越来越大，于是其中一个刚性较弱地结构开始溃败；，不幸发生了，开始溃败地结构刚度急剧降低，于是，开始溃败就意味着它永远溃败，于是所有地能量都被先溃败地一只鸡蛋吸走了. 个人收集整理勿做商业用途 我们在看看汽车之间地碰撞吧（撞锅台，大家地结果当然都一样！）.，开始，两车地结构都是完好地，都在以刚性对刚性；，随着碰撞地继续，力量越来越大，于是刚性较弱地车地结构开始溃败，大家熟知地碰撞吸能区开始工作；，不幸再次发生，因为结构变形，车地结构刚度反而更急剧降低，于是开始不停地"变形、吸能"；，在车地吸能区溃缩到刚性地驾驶仓结构之前，另一车地主要结构保持刚性，吸能区不工作.个人收集整理勿做商业用途结论：两车对碰，其中一个刚度较低地，吸能区结构将先溃败并导致刚度降 低，最终将承受所有形变，并吸收绝大部分地碰撞能量. 个人收集整理勿做商业用途这就是为什么你总可以看到，两车碰撞时，往往一车地结构几乎完好无损，另一车已经是稀哩哗啦拖去大修！ 回到最近一个一直很热地话题：钢板地厚度对安全性有影响吗？答案不仅是肯定地，而且大得超出你地想象：钢板薄％不是意味着安全性下降％或者损失增大％，而是意味着你地吸能区将先对手而工作，并将持续工作到被更硬地东西顶住（可能是你地驾驶舱），并承担几乎全部地碰撞形变损失！个人收集整理勿做商业用途 总结：在车与车地碰撞中，输家通吃.所以一个拿汽车地刚度开玩笑地车厂，它根本不在乎你地生命. 你永远不能在碰撞实验中看到，不同车型之间地碰撞.因为哪怕就弱那么一 点，结果就是零和一地区别！太惨了！看到就没人买了！个人收集整理勿做商业用途附：一些特殊例子地解释： 一，轻微碰撞，两车地车灯都碎了.解释：强度高地车灯先碰碎了强度低地车灯，但是在继续地过程中，被后面强度更高地金属杠撞碎.所以在碰撞地瞬间，还是只有一个破碎！个人收集整理勿做商业用途 二，中等碰撞，车防撞杠有轻微痕迹，车严重变形.解释：塑胶防撞杠弹性大，所以实际上两车地吸能区地前杠直接隔着杠相抵.强度高地那个吸能区不变形，强度低地那个吸能区变形后，导致较严重地严重损坏. 个人收集整理勿做商业用途 三，猛烈碰撞，两车地吸能区都溃败了.解释：，刚度低地车吸能区先溃败退缩，一直到被刚性很强地驾驶舱结构抵住.，如果还有能量，车车头吸能区不敌车驾驶舱，也开始溃败吸能.，最后如果还有能量，两车驾驶仓结构直接碰撞.聪明地你应该可以看出，刚度高地车驾驶员在缓冲两次后才发生驾驶舱地直接碰撞，你希望是在那个车里面！个人收集整理勿做商业用途
汽车结构有限元分析
汽车结构的常规有限元分析 本文介绍了与产品研发同步的5个有限元分析阶段，阐述了有限元模型建立过程中应注意的问题，简单介绍了汽车产品的4种常规分析方法，建立汽车设计标准的方法，以及3个强度分析范例。范例1说明了有限元分析应注意的内容，范例2和3介绍了“应力幅值法”在解决汽车车轮轮辐开裂和汽车发动机汽缸体水套底板开裂问题的应用。 汽车是艺术和技术的结合。一辆好车的主要特点是造型美观、有时代感、结构设计合理、轻量化、材料利用率高，车辆性能先进并且满足国家法规、标准和环保的要求，质量可靠、保养方便、低成本、用户满意、满足市场需求等。在竞争日益激烈的汽车市场，汽车性价比已经成为市场竞争的焦点。采用有限元的常规分析技术，用计算机辅助设计代替经验设计，预测结构性能、实现结构优化，提高产品研发水平、降低产品成本，加快新产品上市。 1. 与产品研发同步的5个有限元分析阶段 在汽车产品研发流程中，一般有如下5个同步的有限元分析阶段： 第0阶段：对样车进行试验和分析； 第1阶段：概念设计阶段的分析； 第2阶段：详细设计阶段的分析； 第3阶段：确认设计阶段的分析； 第4阶段：产品批量生产后改进设计的分析。 有限元分析在产品研发的不同阶段有不同的分析目的和分析内容。有限元分析和试验分析是互相结合和验证的。在详细设计阶段，有些汽车公司对白车身和成品车车身都进行有限元分析，有些汽车公司只对白车身进行有限元分析。 2. 有限元分析的关键环节――建立合理的有限元模型 有限元模型的建立是有限元分析的关键环节。通过力学分析，把实际工程问题简化为有限元分析的问题，提出建立有限元模型的具体意见和方法，确定载荷和位移边界条件，使得有限元分析有较好的模拟（仿真）效果。 前处理自动生成的网格可能存在问题。建立有限元模型的好坏直接影响计算结果的误差和分析结论的正确性。在结构的几何图形上，划分有限元网格是建立有限元模型的主要内容之一。在用有限元分析的前处理自动生成网格时，特别是用常应变单元自动生成有限元网格时要非常注意，有可能存在问题，应引起注意，必要时加以改进。要想用有限元分析前处理自动生成出好的有限元网格也要付出辛勤地劳动。即使在方案比较的情况下，应力和变形的分布规律也不能离谱，计算结果的误差也应在给定的范围之内，建立好的有限元模型与分析经验有关。 在没有有限元分析指南的情况下，用力学分析和试验结果对有限元模型的确认和对计算结
ABAQUS汽车安全气囊碰撞传感器有限元分析(中英对照)
汽车安全气囊系统撞击传感器的 有限单元分析 摘要 汽车弹簧碰撞传感器可以利用有限单元分析软件进行设计，这样可以大大减少设计时间。该传感器包括一个球和一个有弹簧在内的塑料套管的外壳。传感器设计的重要因素是碰撞中的两个传感器的力位移响应和传感器的弹簧压力。以前传感器的设计、制作和测试需要满足力位移原型硬件的要求。弹簧必须远低于材料的弹性极限而设计。利用有限元分析，传感器可以被设计为满足力位移的水平压力。本文的讨论说明利用有限单元分析进行设计可以节省很多时间。 MSC/ABAQUS已经被用于分析和设计安全气囊碰撞传感器。弹簧的大挠度和球与弹簧之间的接触用几何非线性分析。贝塞尔三维刚性球表面元素和惯性基准系统刚性表面界面元素被用于塑料球与弹簧接触面的分析。滑动轨道分析被用于弹簧与弹簧接触的平行界面间。有限元传感器的力位移响应分析结果与实验结果非常一致。 引言 汽车安全气囊系统的重要组成部分是碰撞传感器。包括机械、电子传感器在内的碰撞传感器主要用于各类安全气囊系统。本文研究的是由一个球和一个塑料套管和两个弹簧组成的机电传感器（见图1）。当传感器遇到严重的撞击脉冲，球被推入完成电路连接然后两个弹簧接触到消防安全气囊。这两个弹簧的力位移设计关键是要满足不同的加速度对传感器的输入要求。传感器的弹簧强度必须保持低于弹簧材料屈服强度，防止弹簧塑性变形。有限元分析，可以作为预测工具，以优化工程所需的力和位移反应，同时保持在弹簧压力可接受的水平。 过去传感器的设计需要不断地进行制作和测试，直到力位移原型硬件得到满足需要的条件。利用有限元分析，制作和测试原型的数量大大减少，这大大降低了传感器设计的时间。本文讨论的内容可以表明有限单元分析软件能够节省原型
安全气囊系统原理及结构分析
安全气囊系统原理及结构分析 自上世纪80年代开始逐步在民用车辆上采用之后，安全气囊时下已经成为了非常重要的汽车被动安全设备，安全气囊的数量已经成为衡量车辆安全性的参照之一，安全气囊的结构和原理到底怎样?安全气囊需要什么条件才能打开?它有哪些缺点?在使用的过程中需要注意什么?下面就为大家一一解说。 安全气囊的原理及结构 安全气囊是“辅助约束系统”(SRS)的一部分，主要是为了防止汽车碰撞时车内乘员和车内部件间发生碰撞而造成的伤害，它通常是作为安全带的辅助安全装置出现，二者共同作用。安全气囊的保护原理是：当汽车遭受一定碰撞力量以后，气囊系统就会引发某种类似微量炸药爆炸的化学反应，隐藏在车内的安全气囊就在瞬间充气弹出，在乘员的身体与车内零部件碰撞之前能及时到位，在人体接触到安全气囊时，安全气囊通过气囊表面的气孔开始排气，从而起到铺垫作用，减轻身体所受冲击力，最终达到减轻乘员伤害的效果。 通常车型的安全气囊系统结构示意图 常用的汽车安全气囊系统由碰撞传感器、控制模块(ECU)、气体发生器及气囊等组成，下面逐一为大家介绍这几个主要组成部分。
安全气囊系统传感器 安全气囊传感器一般也称碰撞传感器，按照用途的不同，碰撞传感器分为触发碰撞传感器和防护碰撞传感器。触发碰撞传感器也称为碰撞强度传感器，用于检测碰撞时的加速度变化，并将碰撞信号传给气囊电脑，作为气囊电脑的触发信号;防护碰撞传感器也称为安全碰撞传感器，它与触发碰撞传感器串联，用于防止气囊误爆。 按照结构的不同，碰撞传感器还可分为机电式碰撞传感器、电子式碰撞传感器以及机械式碰撞传感器。防护碰撞传感器一般采用电子式结构，触发碰撞传感器一般采用机电结合式结构或机械式结构。机电结合式碰撞传感器是利用机械的运动(滚动或转动)来控制电气触点动作，再由触点断开和闭合来控制气囊电路的接通和切断，常见的有滚球式和偏心锤式碰撞传感器。电子式碰撞传感器没有电气触点，目前常用的有电阻应变式和压电效应式两种。机械式碰撞传感器常见的有水银开关式，它是利用水银导电的特性来控制气囊电路的接通和切断。 安装在发动机舱前纵梁上面的气囊碰撞传感器，以机电式居多 控制模块(ECU) 对于早期的汽车，一般设有多个触发碰撞传感器，安装位置一般在车身的前部和中部，例如车身两侧的翼子板内侧、前照灯支架下面以及发动机散热器支架两侧等部位。随着碰撞传感器制造技术的发展，有些汽车将触发碰撞传感器安装在气囊系统ECU内。防护碰撞传感器一般都与气囊系统ECU组装在一起，多数安装在驾驶舱内中央控制台下面。ECU是气囊系统的核心部件，大多安装在驾驶舱内中央控制台下面。大多数气囊控制模块(ECU)都安装在车身中部靠近挡把的位置
汽车结构有限元分析--第六讲_汽车结构有限元分析实例
版权所有，仅限于学习交流之用 第六讲汽车结构有限元分析实例 合肥工业大学机械与汽车学院车辆工程系 谭继锦编写 2010年3 月
----------------------汽车结构分析实例 ?1、汽车结构设计准则与目标 ?2、汽车结构有限元模型 ?3、汽车结构强度分析 ?4、汽车结构刚度分析 ?5、汽车结构动态分析 ?6、汽车结构疲劳分析 ?7、汽车结构碰撞分析 ?8、汽车结构有限元优化设计
1、汽车结构设计准则与目标 ?有限元分析方法是汽车数字化设计的一项核心技术； ?在产品设计阶段对汽车结构及性能做出预先评估； ?有限元分析能够提供大量的仿真试验数据和技术参数， 进而可以替代部分试验，有利于设计经验的积累和设计技术的提高。 ------汽车结构分析的目的主要是解决汽车结构的可靠性、安全性、经济性和舒适性等问题，其分析内容十分广泛，而且相互关联，主要涉及以下内容： ?可靠性：研究汽车结构强度、刚度和动态特性，以及疲 劳寿命等； ?安全性：研究结构耐撞性与乘员安全性等； ?经济性：研究结构优化及轻量化等； ?舒适性：进行结构振动噪声分析等。
汽车结构设计准则与目标 ?结构分析可以划分成几个阶段，各阶段有不同的设计 目标。 ?◇概念设计阶段建立相应的设计目标； ?◇详细设计阶段达到相应的设计目标； ?◇样车制作阶段验证整车的性能并且分析设计中存在 问题； ?◇产品制造阶段验证设计和改进产品。 ------以下概略汇总了汽车结构分析中在概念设计阶 段和详细设计阶段汽车结构部分分析内容及设计目标，这些内容与目标是动态发展的，需要结合工程实际不断调整并发展。
用高中物理知识分析汽车碰撞理论
从吸能说起看汽车碰撞理论分析 汽车碰撞的理论分析，具有高中物理知识的就可以看懂！ 当前汽车的碰撞实验的一个陷阱就是：不同车型都是对着质量和强度都是无限大的被撞物冲击。然后以此作为证据，来证明自己汽车的安全性其实是差不多的，这是极端错误的。 举个例子：拿鸡蛋对着锅台碰，你可以发现所有的鸡蛋碎了，而且都碎得差不多，于是可以得出鸡蛋的安全性都差不多。可是你拿两个鸡蛋对碰呢，结果是一边损坏一半吗？ 错！你会发现，一定只有一个鸡蛋碎了，同时另一个完好无损！ 问题出现了：为什么对着锅台碰都差不多，但是鸡蛋之间对碰却永远只有一个碎了？这个实验结果与汽车碰撞有关系吗？ 原因就在于：当结构开始溃败时，刚度会急剧降低。让我们仔细看一下鸡蛋碰撞的过程吧！1，两个鸡蛋开始碰撞一瞬间，结构都是完好的，刚性都是最大；2，随着碰撞的继续，力量越来越大，于是其中一个刚性较弱的结构开始溃败；3，不幸发生了，开始溃败的结构刚度急剧降低，于是，开始溃败就意味着它永远溃败，于是所有的能量都被先溃败的一只鸡蛋吸走了。 我们在看看汽车之间的碰撞吧（撞锅台，大家的结果当然都一样！）。1，开始，两车的结构都是完好的，都在以刚性对刚性；2，随着碰撞的继续，力量越来越大，于是刚性较弱的A车的结构开始溃败，大家熟知的碰撞吸能区开始工作；3，不幸再次发生，因为结构变形，A车的结构刚度反而更急剧降低，于是开始不停的"变形、吸能"；4，在A车的吸能区溃缩到刚性的驾驶仓结构之前，另一车的主要结构保持刚性，吸能区不工作。 结论：两车对碰，其中一个刚度较低的，吸能区结构将先溃败并导致刚度降低，最终将承受所有形变，并吸收绝大部分的碰撞能量。 这就是为什么你总可以看到，两车碰撞时，往往一车的结构几乎完好无损，另一车已经是稀哩哗啦拖去大修！ 回到最近一个一直很热的话题：钢板的厚度对安全性有影响吗？答案不仅是肯定的，而且大得超出你的想象：钢板薄20％不是意味着安全性下降20％或者损失增大20％，而是意味着你的吸能区将先对手而工作，并将持续工作到被更硬的东西顶住（可能是你的驾驶舱），并承担几乎全部的碰撞形变损失！ 总结：在车与车的碰撞中，输家通吃。所以一个拿汽车的刚度开玩笑的车厂，它根本不在乎你的生命。 你永远不能在碰撞实验中看到，不同车型之间的碰撞。因为哪怕就弱那么一点，结果就是零和一的区别！太惨了！看到就没人买了！ 附：一些特殊例子的解释： 一，轻微碰撞，两车的车灯都碎了。解释：强度高的车灯先碰碎了强度低的车灯，但是在继续的过程中，被后面强度更高的金属杠撞碎。所以在碰撞的瞬间，还是只有一个破碎！ 二，中等碰撞，B车防撞杠有轻微痕迹，A车严重变形。解释：塑胶防撞杠弹性大，所以实际上两车的吸能区的前杠直接隔着杠相抵。强度高的那个吸能区不变形，强度低的那个吸能区变形后，导致较严重的严重损坏。 三，猛烈碰撞，两车的吸能区都溃败了。解释：1，刚度低的A车吸能区先溃败退缩，一直到被刚性很强的驾驶舱结构抵住。2，如果还有能量，B车车头
汽车保险杠碰撞有限元分析
汽车保险杠碰撞有限元分析 摘要：本文基于Hypermesh和LS-DYNA软件对保险杠的正面碰撞进行了仿真模拟分析，分析了保险杠的耐撞性，并以计算结果为依据, 对保险杠的结构进行了改进,优化其吸能能力，对深入研究整车正面碰撞的模拟仿真具有重要的参考价值 关键词：保险杠碰撞优化 Abstract: this paper, analyzed from the positive impact bumpers on the simulation ofthe Hypermesh and LS-DYNA software , this paper analyzes the bumper crashworthiness, and put the structure of bumper improved, optimize the absorption ability, and further study the collision of the vehicle positive simulation for important reference value. Keywords: bumper; collision; optimization 随着轿车的大规模生产和使用, 也由于车速的不断提高, 汽车交通事故的发生率已经大大的增加了。在汽车交通安全事故中, 出现几率最高的是汽车碰撞, 其中正面碰撞最普遍。据资料显示,汽车发生正面碰撞的概率在40%左右。因此, 研究正面碰撞特性, 对降低乘员的伤害非常重要[1]。而汽车结构中的保险杠是正面碰撞时主要的承载和吸能构件,提高保险杠的吸能能力,可以降低整车碰撞中的加速度,对乘员起保护作用[2]。因此, 对保险杠吸能特性的研究有着重要的意义。 汽车碰撞是指汽车在极短的时间内发生剧烈碰撞,是一个瞬态的复杂物理过程,它包含结构以大位移、大转动和大应变为特征的几何非线性和各种材料发生大应变时所表现的物理非线性(材料非线性)。本文针对汽车碰撞中的复杂性,运用数值模拟分析方法将有限元理论和显式动力学理论相结合以研究汽车保险杠的碰撞特性,同时按照乘用车保险杠系统低速碰撞实验规程———SAEJ2319的要求,对某国产汽车的保险杠进行刚性墙的正面碰撞仿真模拟分析,为以后保险杠改进设计以及整车碰撞仿真提供良好的基础。 1.碰撞模型低速碰撞计算方法 由于低速碰撞分析属于非线性动态接触变形问题，在此采用显式有限元中心差分法来做多步代入求解计算，有限元方程描述如下[3]：
汽车碰撞安全性研究现状及趋势
汽车碰撞安全性研究现状及趋势 发表时间：2019-01-14T16:17:21.703Z 来源：《防护工程》2018年第31期作者：章辉 [导读] 汽车碰撞的安全关系到车体的安全和乘员的安全。 安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心安徽省合肥市 230000 摘要：自从汽车诞生以来，汽车的安全性就有了提高。如今，汽车已成为人们学习、工作和生活不可或缺的工具，对人们的生活和生产产生了深远的影响。汽车作为一种便捷的现代交通工具，给人们带来了极大的便利，但也因为汽车所造成的交通事故给人们的生命和财产安全带来了严重的威胁。 关键词：汽车；碰撞；模拟；抗撞性 引言 汽车碰撞的安全关系到车体的安全和乘员的安全。这在我国汽车研究领域还没有深入到这一领域，技术的研究和发展需要很长的时间，尤其是在车身碰撞的情况下。如何提高车体的防撞能力，减少伤害事故，车体结构的改进已经比较完善，车体结构技术的进一步改进相当困难。 1汽车碰撞安全性研究现状 1.1车辆建模技术与数值模拟计算 车辆建模技术是汽车主动避撞系统开发及评价的关键技术之一，目前已经运用混合建模技术将理论分析模型和车辆实验数据结合，充分利用各动力总成现有的标准数据，建立模拟汽车主动避擅系统中车辆行驶复杂工况的纵向动力学模型，并实现了基于通用软件的仿真，现有的建模技术基本可以满足汽车主动避撞系统的要求。比较简洁的模型如清华大学汽车安全与节能国家重点实验室建立的应用于汽车主动避撞系统、可模拟车辆运行全过程的车辆纵向动力学模型，它分别实现了车辆纵向动力学模型的建立及简化、发动机模型简化、液力耦合器及自动变速器模型和车辆驱动系模型。各单元模型按照图1所示动力传递路线组合，就能得到适用于汽车主动避撞系统的纵向车辆模型。基于Matalab软件实现整个模型，再利用汽车主动避撞系统实车实验平台进行实车实验验证。数值模拟计算对汽车的碰撞研究具有重要意义。碰撞过程中，汽车结构经历复杂的变形，具有物理非线性、几何非线性和材料非线性的特点。随着计算机软、硬件的飞速发展，商品化有限元软件结合并行有限元方法和并行计算技术开始利用多个CPU并行处理，以求解大规模动态非线性复杂问题。它们都是基于区域分解的并行有限元法，例如并行版的LS—DYNA 3D的RCB方法，该类方法适用于任意复杂的模型，同时也尽量减少处于内部的分区边界，将分区之间的影响减到最小。 1.2仿真实验 汽车与行人碰撞安全性的实验评价方法通常有两种：一种是利用实际车与实验用碰撞假人进行碰撞实验，另一种是利用模拟假人的部件对实际车或汽车部件进行冲击实验。实验过程中，假人的运动特性与实际事故中行人表现出来的特性差别较大，因而常利用模拟假人的部件对实际车或汽车部件进行冲击实验。目前欧洲和日本正在开发完善生物拟合性能较好的假人，如本田公司开发的POLARII——DUMMY。美国UN ECE工作组正在根据现有的研究成果开发行人碰撞GTR(Global Tech—nicalRegulation)，而且根据JARI(日本汽车研究所)和日本MLlT(国土基础设施交通厅)的工作，制定了头部冲击实验程序，他们下一步将制定下肢与保险杠冲击的实验方法。目前已经开发出具有较好生物拟合特性的行人仿真计算机模型，利用该模型进行行人在碰撞过程中的运动学特性计算机仿真的结果与实际碰撞实验结果吻合较好，尤其是头部与汽车的冲击部位，其平均准确率可达到91．9％。因此，采用计算机仿真与实验相结合的混合实验方法在汽车与行人碰撞性能评价方面具有较好的应用前景。 1.3实际科研开发 从事汽车安全的科研机构分别从主动安全和被动安全两方面着手研究，主动安全方面的研究项目有辅助制动装置、电子行人发射器和接受器、自动弹出式发动机罩、汽车前保险杠安全气囊和前风窗安全气囊，以及一些科学的安全管理措施；被动安全方面的研究项目有改变保险杠结构和性能、改变发动机罩结构和性能、改变翼子板支撑结构和性能、改变汽车前端造型。目前在成员防护系统方面的研究异常活跃。一些汽车制造厂商也采取措施来提高汽车碰撞的安全性。著名的钢铁公司正致力于研究制造高安全性能的轻型钢材料。通用汽车内侧板和前后梁采用激光焊接技术，从而减少总重和焊接数量。底盘总成的各零部件采用逆向淬火双相钢，提高刚度和抗撞击特性。F一150皮卡车架液压成型制造，车身采用最优化抗碰撞特性设计，在撞击传到客仓之前吸收能量，前梁呈折叠式坍塌，消耗撞击能量。美国汽车商正在优化汽车前端结构件几何形状匹配，加大结构件吸收撞击力的能力。 2汽车碰撞研究 2.1直接碰撞过程 直接碰撞过程是指汽车和汽车从开始接触瞬间到脱离接触的瞬间所经历的时问。一般情况下，碰撞作用阶段经历的时间在70—120ms 以内，在碰撞前期及变形阶段汽车的横摆角速度、横摆角等参数都几乎不会有变化。而在后期及恢复阶段这些参数会发生变化，因此，在研究碰撞变形有关的内容时，以碰撞接触后恢复阶段作为研究阶段。 2.2碰撞后过程 汽车与汽车脱离接触瞬间到车辆停止的时间，当脱离接触后和可能会发生二次碰撞的问题，也可能在脱离接触后汽车与周边固定物再次发生碰撞的问题，这也是汽车安全性能研究的问题。 2.3碰撞研究的方法 汽车碰撞安全性的研究方法主要有：撞试验研究和虚拟试验研究两种方法。汽车实车碰撞试验主要通过实车碰撞试验，根据碰撞试验结果做分析研究。随着计算机仿真技术的发展，采用虚拟仿真模拟碰撞试验取得了突破性的进展，现在作为碰撞试验的主要手段。 3解决汽车碰撞安全性问题的发展趋势 车辆建模技术水平直接关系着安全性研究，更贴近实际运行工况的混合建模技术是车辆建模的发展方向，优化数值模拟计算从而提高仿真运算速度是汽车碰撞仿真技术发展的核心。先进的计算机技术的不断发展，将来可以利用商品化有限元软件结合并行有限元方法和并