面向事故再现的轿车有限元模型及碰撞仿真研究

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1、哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第1章绪论1.1课题来源及研究目的和意义1.1.1课题来源本课题来源于2007年立项的国家863计划项目“道路交通运行安全仿真评价与事故再现分析系统”。1.1.2课题研究的目的和意义自从汽车诞生以来，汽车的安全问题就随之产生了。现在，汽车已经成为人们学习、工作和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。我国道路交通系统在社会经济和人们日常生活中发挥着前所未有的作用，同时，道路交通需求与供给的紧张关系也日益突出。由于交通参与者交通安全意识淡薄、安全管理手段与技术落后等长期存在的安全隐患始终没有

2、得到明显的减少或消除，加之近年来机动车及机动车驾驶员的数量又呈几何增长势头，我国道路交通安全形势日趋严峻。为了有效地解决这一社会重大安全问题，除了需要社会各界广泛关注、积极参与交通安全教育和管理之外，迫切需要从系统和微观的角度进行交通安全实用技术的研究与开发工作[1,2,3]。总课题的目的是要研究和开发具有自主知识产权的包括宏观管理与微观分 析两个层面的道路交通安全评价与分析系统，即：研发一个能够全面反映系统 分析和有效改善道路交通系统安全状况的多功能、可视化、信息化的宏观路网 交通安全评价与管理技术平台和工具，其服务对象为交通安全管理部门

3、和广大 用户；研发一个能够深入分析、客观再现单起交通事故过程、时空关系及影响 因素作用的仿真技术工具，供从事交通事故分析与处理、事故赔偿、事故研究 和安全改善等技术工作的部门和人员使用的具有技术数据支持和可视化显示功 能的微观仿真分析工具。同时，作为技术支撑，将系统地梳理和继承国内外现 有的交通事故分析、评价模型与方法，并开展相应的理论方法与模型研究工作。 应用计算机技术建立数字化车辆仿真模型，利用仿真模型进行各种车辆试 验，如车辆的静态特性分析、动态特性分析、碰撞安全性仿真分析等，为改善 车辆运行状况提供理论依据，从而规避汽车工业不断的向

4、有利于人身安全方向 发展。本硕士论文研究主要工作是为前者提供轿车碰撞有限元模型，是总课题 研究的基础与核心内容之一，具有重要的理论意义和实用价值。-1-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文预期课题研究成果将对我国道路交通事故分析与再现、道路交通系统安全评价与管理、交通安全信息公开服务等方面产生深远影响，对提高我国道路交通安全研究技术水平发挥重要作用。1.1国内外综述尽管我国道路交通状况不断地在改善，但汽车保有量却成倍地增加，交通事故总量和所造成的人员伤亡与财产损失近年来呈上升趋势。因此，车辆的运行安全性正日益受到关注。如何建立有效的车辆数字化模型

5、，如何提高汽车在碰撞过程中的被动安全性能，最大限度地避免或减轻乘员在汽车碰撞中的伤亡将成为我国汽车被动安全性研究的重要课题[4]。1.1.1国外研究现状计算机模拟研究汽车碰撞过程中车身、车架变形及动态响应的重要前提是建立正确的汽车结构数学模型。根据研究对象的不同，建立的数学模型可以是整车模型，也可以是汽车的某一部分如汽车的尾部模型，但从目前国内外的研究情况来看，建模工作仍要以大量的试验为基础，因为建立汽车数学模型涉及到一些主要参数的确定，如汽车的刚度系数必须通过试验确定。此外根据研究的对象和建立的数学模型的不同，需确定的结构参数也不同[5]

6、。WalkerBrian运用ANSYS，DYNA3D建立了轿车的整车有限元数学模型，进行多种条件下的碰撞模拟。其中除车身外，还主要包括了减震器、散热器及散热器架、风扇、发动机、变速器、蓄电池、ABS总成、空气滤清器、悬架系统及车轮等。但由于整车数学模型涉及的部件较多，因此如何建立这些部件的数学模型和确定相应的结构参数，从而使模型的碰撞特性与实车碰撞结果相吻合不但十分复杂，而且工作量很大[6]。LowTahChuan和PrasadPriya在模拟轿车碰撞研究中指出，纵梁应设计成具有轴向收缩模式而不是折叠模式。然而在实际车辆上要达到理想的收缩模

7、式是比较困难的。此试验建立了具有18000个单元的整车数学模型。为了减少建模的时间和人力，将轿车结构划分为几个部分。将每一部分分别模型化，最后合成为集成块。此外，各部分的材料和滑动表面均被输入到计算机程序中。这些改进在很大程度上减少了建模时间[7]。美国的AllenPryor和TerryD-Day于1999年对于传统的有限元法在车辆碰撞事故仿真分析中的应用进行了改进，大大缩短了对车辆模型进行网格划分与计算所需要的时间，从而提高了工作效率。该改进算法将车辆材料的力学性质，-2-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文车辆碰撞变形形状与深度作为输入量，能

8、够准确地计算出车辆在碰撞前，碰撞中和碰撞后的作用力以及车辆的行驶速度[8]。但是，该方法对于一种主要变形为剪切变形的碰撞事故（如：小汽车钻入大货车底部）还需要进一步验证。Mill