含人体模型的车辆正面碰撞计算机模拟分析

摘要

随着车辆朝着高速化、轻量化方向发展，汽车保有量不断增加，交通事故数量及其造成的人员伤亡数量呈上升趋势。为提高汽车被动安全性能，减少乘员伤亡，在汽车开发阶段必须研究汽车结构的耐撞性和在碰撞中对乘员的保护作用。虽然汽车碰撞试验对车型以及被动保护装置的最终认证和鉴定必不可少，但其试验准备工作费用和试验所需费用都十分昂贵，同时受随机因素以及环境和技术手段的影响，试验结果尚存在不够稳定和有些动态数据获取困难的问题，而且可重复性差。国外相关研究表明，对含假人的汽车碰撞过程进行计算机模拟，不仅能预测汽车结构本身的耐撞性能，同时还能较准确的预测碰撞过程中乘员的响应与伤害程度，能实现在车辆开发进程中较好的预测其被动安全性能，利于减少实车碰撞试验次数，节约经济成本，加快新车型开发速度。 本文详细研究了碰撞过程数值模拟计算的相关理论—动态显式非线性有限元法基本原理、思路和实现方法，涉及到的内容包括碰撞过程描述基本方程、结构有限元离散化方程、假人及汽车碰撞模拟相关单元、碰撞模拟中时间积分算法、碰撞过程中的接触算法、假人及汽车碰撞模拟相关材料本构关系等。 计算机仿真研究是现代汽车碰撞研究的重要方法，所使用的碰撞模拟软件众多，本文分析了包括LS-DYNA在内的几种常用汽车碰撞模拟软件及前后处理器，其中对本次碰撞模拟选用的LS-DYNA的功能特点作了较详细阐述。 本文以某车型为对象建立了整车有限元模型，然后在此基础上集成了包括50百分位的HybridⅢ型假人，安全带的乘员约束系统的有限元模型。按国家标准《正面碰撞乘员保护的设计规则》(CMVDR294)规定的试验条件，对整个集成系统进行了正面碰撞的数值模拟和分析，求解出了整车的位移、速度、加速度、能量及人体模型的伤害值，实现了对该车正面碰撞过程及碰撞性能的较全面且较可靠的评价。 通过对含假人有限元模型的整车正面碰撞历程的数值模拟和分析结果，提出了对有限元仿真模拟技术在汽车被动安全领域的应用和所研究车型碰撞性能评价等有关结论。

目录

文摘

英文文摘

独创性声明和学位论文版权使用授权书

第一章绪论

1.1概述

1.2国内外汽车碰撞安全法规

1.3国内外汽车碰撞研究的现状

1.3.1国外整车碰撞模拟分析的情况

1.3.2国外模拟碰撞假人的研究情况

1.3.3国内汽车碰撞模拟分析的情况

1.4本课题研究主要内容

第二章含人体模型的汽车碰撞有限元基本理论和算法

2.1碰撞过程描述基本方程

2.1.1动量、质量、能量守衡方程

2.1.2运动微分方程

2.1.3边界条件

2.2碰撞过程结构有限元离散化方程

2.3假人及汽车碰撞模拟相关单元

2.3.1四节点Hughes-Liu薄壳单元

2.3.2 Belytschko-Lin-Tsay薄壳单元

2.3.3实体单元

2.4碰撞模拟中时间积分算法

2.4.1显式中心差分法

2.4.2中心差分法的稳定性

2.5碰撞过程中的接触算法

2.6假人及汽车碰撞模拟相关材料本构关系

2.6.1线弹性模型(Linear Elastic)

2.6.2弹塑性材料模型(plasticity)

2.6.3非线性弹性材料模型(Non-Linear Elastic)

2.6.4泡沫材料模型(Foam)

2.6.5刚性材料模型(rigid)

第三章碰撞模拟软件的选用及其主要功能

3.1 LS-DYNA的历史及其在汽车碰撞中的应用

3.2 LS-DYNA程序功能

3.2.1单元类型

3.2.2材料类型

3.2.3接触分析功能

3.2.4汽车安全性分析

3.2.5 LS-DYNA文件系统

3.2.6 LS-DYNA通用前后处理器

第四章含人体模型的车辆正面碰撞计算机模拟分析

4.1整车碰撞有限元模型

4.2乘员约束系统有限元模型

4.2.1假人有限元模型

4.2.2安全带模型

4.2.3接触类型的设定

4.3 100％正面碰撞模拟分析与评价

4.3.1整车变形分析

4.3.2整车位移变化

4.3.3整车速度变化

4.3.4整车加速度变化

4.3.5能量结果分析

4.3.6截面力分析

4.3.7人体响应分析

4.3.8人体伤害指标评价

4.4本章小结

第五章结论及展望

5.1结论

5.2展望

参考文献

致谢