汽车被动安全性研究中的几个问题及对策_雷正保

　第26卷　第1期湖　南　大　学　学　报　(自然科学版)Vo1.26,No.1　1999年2月Jo ur nal o f Hunan U niv ersit y(Nat ur al Sciences Editio n)Feb.1999

汽车被动安全性研究中的几个问题及对策X

雷正保　钟志华

(湖南大学机械与汽车工程学院,中国长沙,410082)

摘　要　从汽车被动安全性研究的实际出发,提出了影响研究进展及

研究结果可靠性的一系列核心问题,并探讨了相关对策.

关键词　汽车,被动安全性,仿真

分类号　T H113

Problems and Solution M easures in Automobile

Passive Safety

Lei Zhengbao　Zhong Zhihua

(Colleg e of M echanical and A utomo tiv e Engineer ing,Hunan U niv,410082,Changsha,P R China)

Abstract　According to the practical co nditions in the r esearch of auto mobile pas-sive safety,a ser ies of key problems w hich im pair the reliability of research results and the progr ess of research w ork seriously are described,m eanw hile,relevant measures to slo ve these pr oblem s ar e also developed.

Key words　autom obile,passiv e safety,em ulation

汽车安全性有主动与被动安全性之分.前者是指汽车防止或难于发生事故的性能,后者是指事故发生时汽车本身对乘员及行人提供安全保护的性能.大量事故的研究表明,汽车的主动安全性能再好,也只能避免5%的事故.因此,从60年代末开始,汽车的被动安全性就一直是人们研究的热点[1～8].进入80年代中期后,随着仿真技术的完善,再一次掀起了汽车被动安全性研究的新高潮,人们已着手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,新安全车身研究也已纳入人们的攻坚计划.然而,还存在着一系列问题制约着研究工作的深入开展,因此,如何克服或绕过这些问题,对汽车被动安全性研究不仅意义重大,而且势在必行.

1　问题与对策

1.1　建立精确的计算模型

目前,用仿真方法研究汽车的碰撞问题,只要计算模型是实际模型的真实写照,就能

X机械工业技术发展基金资助项目

收稿日期:1998-09-11.第一作者雷正保,男,34岁,博士生

34 湖南大学学报(自然科学版) 1999年

将仿真结果与试验值间的误差控制在小于15%的水平上,可以说,仿真技术本身的可靠性已相当高了,这样,模型误差就成为唯一的难以控制的对仿真结果具有致命影响的因素.

在汽车车身设计中,控制其自重是首要任务.为此,大量采用了弯折的薄板结构,使车身任意部位的截面几何形状都具有复杂多样的特性,同时,变截面曲梁的广泛应用,以及梁与薄壳之间较为复杂的连接,使载荷传递路径的确定很困难.所有这些构造细节,都大大增加了建模工作的难度,以致不得不在建模时做些特殊考虑.其中最典型的是所谓的“局部柔性”问题,即当采用薄板连接方法连接薄壁梁与薄壳类结构时,因连接区刚性不匹配而产生的较“软”的结构区域.研究表明,考虑汽车车身结构连接点的局部柔性是很重要的,因为当假定连接为刚性时,仿真分析得到的构件位移将仅为实测结果的一半.

对于“局部柔性”的处理,可以在有限元模型中自动考虑.大量实践表明,在汽车车体结构中,凡是局部变形会对总体结构响应构成重要影响的地方,只要将人们习惯于使用的梁单元取消而代之以详细的壳体单元,无需其它新的措施,就能够精确模拟“局部柔性”的作用,这种以计算成本换取仿真结果可靠性的做法已日益为人们所接受,这也就是为什么在汽车碰撞仿真模型中少有梁单元的原因.

此外,汽车车身及门盖总成等中的点焊模拟则是又一难点.因点焊影响着汽车的力学特性.在建模时将点焊点之间的间隔区域划分为细密的单元网格,点焊本身先以点约束代替,随后改成短梁来模拟是对策之一.对点焊的最新处理对策,是采用一种特殊的复合单元;当单元内部受力超过点焊的实际承载能力时,单元自动分解为两部分,且分解后可自动进入接触处理系统.

还有一个难点在于车顶内镶板与外壁板粘接而成的一种夹层结构的处理.实践表明,尽管夹层结构中存在粘接涂抹不均匀及在不同粘结点处粘接剂的机械性能可能不同等因素,但将内外车顶板的粘接点作为刚性连接处理也能够得到十分满意的结果.

1.2　人体模型模拟及人体的耐冲击阈值

人体是交通事故的最大受害者.在我国,人车混行现象的普遍性及机动车辆数量增长速度远大于公路里程增速的事实,进一步恶化了交通安全水平.因此,要提高汽车的被动安全性能,首先必须充分认识人体在交通事故中的响应,只有根据人体的响应情况来开展安全保护研究,才能使所采取的保护措施发挥应有的作用.为此,除了不断进行各种试验研究外,早在60年代末期,人们就已着手理论研究,用多刚体系统动力学方法实现了人体冲击响应的粗线条模拟是这种理论研究的典型成果.为了提高模拟精度,又发展了详细的人体有限元模型[4],然而,由于该人体模型过于精细,致使汽车碰撞系统中有限单元的数目骤然陡增,这又给汽车被动安全性的仿真分析带来了新的难题仿真运算所必须的CPU时间大大增加了.这一点又恰恰是有限元仿真方法中难以克服的固有缺陷.

对此,我们认为,根据研究的特点,混合使用人体模拟的两种模型,可以达到扬长避短的目的.即如果只需对人体的碰撞响应有个大致的认识,可以采用多刚体系统模型;如果需要详细了解人体的响应,则可以先用多刚体系统模型与汽车整车模型配套运算,然后将分析结果作为已知参数,再调用人体有限元模型,通过这种人工干预,可以充分发挥不同模型的优点,从而使所需CPU时间大大缩短.