汽車正面碰撞複雜系統快速概念設計力學模型研究

《汽車正面碰撞複雜系統快速概念設計力學模型研究》是依託吉林大學，由張君媛擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：汽車正面碰撞複雜系統快速概念設計力學模型研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：張君媛
• 依託單位：吉林大學

項目摘要

汽車碰撞安全性的概念設計階段應實現總體目標制定和子系統目標分解，而通過汽車、乘員和乘員約束系統之間的力學關係，建立起乘員回響與整車（包括約束系統）設計參數之間的快速求解是實現子系統性能目標分解的必要手段。現階段的車體和乘員簡化力學模型在複雜車身結構和約束系統新功能的概念設計中表現出一定的局限性，因此本項目擬開展以下兩項研究：一，提取乘員約束子系統（安全帶，座椅，安全氣囊，護膝板，轉向系統）自身及其與乘員相互作用的動力學特徵參數，基於經典力學理論建立複雜二維汽車碰撞乘員約束系統快速概念設計分析力學模型，支持概念設計階段乘員約束系統特徵參數的快速設計。二，建立從拓撲結構和主要性能上反映整車碰撞特性的汽車前碰撞車體結構有限元簡化參數化模型，支持乘用車正面碰撞安全性概念設計階段的子結構特徵參數設計。概念模型與詳細有限元和計算流體力學模型相比計算時間減少80%左右，碰撞回響參數一致性達到80%以上。

結題摘要

汽車碰撞安全性概念設計階段的重要任務是實現總體目標制定和子系統目標分解，而通過汽車、乘員和乘員約束系統之間的力學關係建立起乘員回響與整車（包括約束系統）設計參數之間的快速求解是實現子系統性能目標分解的必要手段。本項目圍繞汽車車體結構抗撞性和乘員約束系統兩個重要方面，通過對車體碰撞力學和乘員力學回響過程的研究，建立了若干相應的簡化力學模型。本項目在“車輛-乘員-約束系統”單自由度模型的基礎上對該模型進行了改進研究，並建立了安全氣囊解析模型，將原單自由度模型中的等效彈簧剛度拆分成兩個部分：安全帶等效剛度和安全氣囊等效剛度。安全帶等效剛度和安全帶織帶剛度、限力值、預緊量相關；安全氣囊等效剛度和安全氣囊體積、充氣量、泄氣孔直徑相關。改進後的單自由度模型顯化了安全帶和安全氣囊參數與乘員加速度回響之間的關係，通過疊代計算，能夠快速提供任意輸入下參數的初始範圍，實現對系統整體保護效能控制情況下的乘員約束系統參數正向設計，提高了該模型在實際工程套用中的價值。為了進一步細化約束系統參數表達，本項目還建立了雙自由度二維“車輛-乘員-約束系統”模型，其中的安全帶系統簡化模型能夠表達織帶剛度、卷收器預緊量及其作用時間、安全帶限力水平及其作用時間；而安全氣囊和吸能式轉向機構以及座椅系統均簡化為時間相關的作用力形式。項目還利用拉格朗日力學中的多質點系統運動學建立了雙自由度系統力學回響方程，同時，為了獲得任意輸入下的乘員回響，提出了離散激勵輸入和疊代求解的方法。此外，項目還研究了汽車正面碰撞過程中結構變形特點和敏感構件，以結構的剛度特性和慣性特性一致為目標，利用子結構有限元法，分別建立了乘用車和商用車正面抗撞性簡化參數化模型，提出了簡化模型建立的方法和原則，研究了簡化模型建立的關鍵技術。通過與原詳細有限元模型的關鍵回響量對比，證明了簡化模型的準確性和有效性。本項目的參數化模型是一種用簡化單元建立的參數化模型，它定義了主要結構的拓撲關係，接頭、梁和板殼在拓撲定義的節點處連線，並採用簡化力學特性表示其性能。在概念設計階段，通過參數的調整獲得所需的性能，再針對最後確定的滿足性能要求的特性參數，進行詳細的結構設計，並保證設計目標基本不變。由於簡化的參數化模型單元數量很少，模型簡單，所以適合在概念設計階段進行快速的方案對比與性能最佳化。