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(CRASH VIＣTIM SIＭULATION）、汽车结构抗撞性模拟（SIM ＵLATＩON OF AUTOMＯBＩＬE'S CＲＡＳHＷOＲＴHI-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年,我国己经制定GＢ1１5５1汽车正碰国家标准。

而事实上,在道路交通事故中,由于侧面碰撞造成的伤亡事故也占有相当比例,约有20％。

在清华大学汽车碰撞试验室和中国汽车技术研究中心碰撞试验室进行了大量的碰撞试验,才最终确定了我国汽车侧碰国家标准(送审稿）的内容,并计划于2006年7月1日起正式实施[14-16]。

1.4 本课题主要内容本课题在介绍国内外汽车碰撞试验台的基础上,提出一种汽车碰撞试验台设计方案，包括小车，导轨，牵引装置,减速缓冲装置等。

重点进行减速缓冲装置的分析与设计，设计出液压式缓冲器，使得小车撞击后减速曲线符合ECER1６标准,并给出模拟碰撞曲线。

2．碰撞试验台结构特点和技术要求2.1 结构特点和技术要求本课题设计的模拟试验台结构特点并不复杂,主要机械结构部分包括导轨、滑车、拖车、释放机构、牵引拉紧装置、拉紧力调节机构、减速器及水泥壁障等，导轨设计要让小车平稳滑行，小车选择稳定性比较好的,拖车、释放机构、牵引拉紧装置、拉力调节机构是一个整体的系统,其主要作用是给小车一定的速度，并在一个稳定的速度释放小车,减速器是让汽车的减速波形满足ECER1６法规的要求。

ＥCEＲl6和ＥCERｌ７波形的模拟是关于安全带动态试验的法规,要求台车试验模拟出来的减速度波形在一定范围内,且停车距离在(４00±20)mm之间。

因此我们的设计难点在减速缓冲装置上面。

而其他的零部件按照一定的要求可以设计出来[17］。

2.2 缓冲过程建模进一步了解缓冲器的实际工作过程（即其动态特性),必须对缓冲过程进行动态分的析，缓冲器的缓冲过程如图2.1所示,冲击载荷为质量M。

的冲击块与转动惯量J1滚珠丝杆的组合（冲击块运动速度与丝杆的角速度呈一定的比例关系)。

冲击块撞击击载荷的质量远大于活塞的质量ｍ（即Km≈0),则撞击时缓冲器活塞头时的速度为V０的能量损失可以忽略。

由于冲击块与活塞头均为钢制件，在实际冲击过程中难免会发生冲击块与活塞头的多次撞击现象，为便于分析，建模时忽略多次撞击的过程,即假设冲击块与活塞第一次撞击后以相同的速度运行。

1．液压缓冲器 2. 冲击块 3. 丝杆图2.1 缓冲过程原理图3. 碰撞试验台的设计和计算３.1 碰撞试验台的总体设计本实验台的主要部件如下图所示:１. 墙体 2.导轨安装板３. 液压缓冲器 4．缓冲块 5. 滑车６. 牵引车 7．导轨 8. 电动机图3.1 试验台总体结构3.2 导轨机构的设计和计算导轨的功能是为滑车和拖车进行导向。

导轨的断面形状为工字形.用钢轨型钢加工而成。

两根导轨的长度各为２5ｍ，彼此平行排列,距离为lm.在导轨的下面有调整垫铁和水泥地基。

这样的话小车可以稳定在导轨上滑行并且比较稳定。

如图3.2所示图3．2 导轨示意图3.３小车的选择和设计及释放机构滑车的长度为1．5m，宽度为1.2m,其上表面铺设钢板。

在钢板上面装有塑料吸能器的钢筒与支承.根据需要还可装座椅及其它试验需要的装置或部件。

滑车后端设有与拖车插销相连接的带孔的零件和两个电磁铁偶件的吸盘。

滑车的下面装有4组与导轨接触并上下左右限位的滚轮，借此与导轨实现滚动摩擦,为减少噪声,在钢滚轮外装有尼龙套。

本系统采用电磁铁吸合、安全插销保险的简易机构。

2个电磁铁的吸力约30kN,安全插销是利用一台小电机驱动的螺杆机构带着上下移动的，从而实现插销和拔销动作,由电控设计保证,在电磁铁吸合和安全插销插入滑车的带孔零件之中后，卷扬机才能往后拉动拖车,并且只有在安全插销从滑车带孔零件中拔出后,才能释放滑车。

如果停电，安全插销便会锁住滑车,避免产生不需要的碰撞,从而达到安全保险的目的。

图３.3 滑车与导轨配合图３．4 墙体的选择为了适应广泛的需要，壁障深入地下1.5m，宽2m,长3m，总质量约３0t，为钢筋混凝土结构，并同导轨的地基浇筑成一体，壁障的碰撞平面装有厚2０mｍ的钢板,并在钢板上装置吸能器偶件之一的橄榄头杆座,根据需要还可装设载荷传感器等部件。

图3.4 碰撞墙体3.5 传动装置拖车的结构与滑车相同,只不过长度仅为Ｏ.５m，上面装有插安全销的部件及其支承以及两个电磁铁吸盘，其后端装有钢丝绳牵引钩环。