基于多刚体和有限元耦合建模的汽车翻滚仿真研究

发布时间：2020-10-31 17:29

　　 交通事故统计表明,汽车翻滚碰撞事故发生概率较低,但具有较高的死亡率,并且经常造成重大的人员伤亡和财产损失。为降低翻滚碰撞事故中的乘员损伤,须加强对翻滚事故机理及车内乘员防护方面的研究。翻滚碰撞过程中车辆的运动过程复杂,在现有条件下进行翻滚试验成本较大,目前国内还没有统一的翻滚试验方法,而运用LS-DYNA、MADYMO等软件进行翻滚事故的仿真是目前主流的研究手段。前者可以较好的模拟翻滚过程中车体的变形但运算速度较慢,而基于后者建立的翻滚模型计算效率高,但不能模拟翻滚过程中的局部变形。因此采用多刚体和有限元耦合建模的方法进行汽车翻滚仿真,是研究车辆翻滚中乘员损伤的一种有效的方法。本文基于MADYMO仿真平台,开展耦合建模方法的研究,并对不同翻滚碰撞工况进行多刚体有限元耦合建模仿真分析。首先对某翻滚事故进行事故分析,建立了车体的多刚体与有限元耦合模型(包含乘员约束系统子模型),并参照事故场景搭建道路壁障模型。随后开展该事故的再现仿真,从车辆的运动轨迹和变形模式两个方面来验证模型的真实性。其次是基于乔丹翻滚试验工况,建成了适用于乔丹翻滚的车体耦合模型,并开展试验的对标分析,从车辆的动态响应和数据信息对比来验证仿真模型的有效性。基于上述两个对标后不同翻滚工况的耦合模型,开展约束系统分析与优化工作。约束系统的仿真分析主要围绕翻滚工况中侧面气帘、安全带等子系统对乘员运动及伤害指标的影响。研究结果表明:所建立的耦合模型在车辆动态响应和变形模式方面与事故场景基本一致,表明了该耦合建模方法的可行性和高效性。在翻滚事故再现模型中,驾驶员侧安全气囊的使用使头部的HIC值下降了28%。乔丹翻滚试验耦合仿真结果显示,车顶与移动平台接触的过程中出现了大的变形,瞬间的冲击力是导致乘员后期损伤的主要原因,该工况中采用三点式安全带能有效降低乘员被抛出车外的风险,并有助于降低乘员与车辆内饰的接触力,安全带的引入使得头部合成加速度降低了216 m/s~2。此外,该试验仿真工况中,采用合适的侧面安全气帘能约束乘员头部的运动并降低了头部的冲击。本文研究确立的耦合建模方法对同类型长时域的汽车翻滚仿真有较好的适用性和较高的计算效率,但针对多次碰撞、复杂变形工况下的适用性有待进一步研究介绍了利用耦合方法进行汽车翻滚仿真建模分析的流程,为以后的进一步研究提供了参考,为汽车翻滚仿真研究提供了科学的分析方法,同时本文的研究具有交通安全教育意义。
【学位单位】：重庆理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：U467.14
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
    1.1 论文选题背景及研究意义
    1.2 汽车翻滚碰撞国内外研究现状
        1.2.1 国外汽车翻滚碰撞研究现状
        1.2.2 国内汽车翻滚碰撞研究现状
    1.3 本文研究内容
    1.4 本章小结
2 翻滚碰撞仿真的理论基础
    2.1 有限元法和刚体系统的描述
    2.2 CAE分析软件介绍
        2.2.1 MADYMO软件简介
        2.2.2 Hyperworks软件介绍
    2.3 多刚体仿真基本理论
        2.3.1 刚体动力学
        2.3.2 MADYMO的接触算法
        2.3.3 多刚体系统铰链及其约束刚度的定义
    2.4 本章小结
3 汽车翻滚耦合模型的搭建
    3.1 耦合模型建模思路
    3.2 事故再现耦合模型的搭建
        3.2.1 有限元轮胎的建模及径向刚度的验证
        3.2.2 悬架模型的建模与验证
        3.2.3 乘员约束系统的建立
        3.2.4 HybridⅢ50th多刚体假人的调用
        3.2.5 模型的接触设置
    3.3 乔丹翻滚试验耦合模型的建立
        3.3.1 车体模型的建立
        3.3.2 初始状态的确定
        3.3.3 移动地面模型的建立
        3.3.4 乔丹翻滚试验台架模型的建立
        3.3.5 耦合翻滚模型的搭建
        3.3.6 边界条件的加载及模型的设置
    3.4 本章小结
4 耦合翻滚模型验证
    4.1 事故再现翻滚耦合模型的验证
        4.1.1 边界条件的加载
        4.1.2 车辆翻滚轨迹的对比
        4.1.3 车辆变形模式对比
    4.2 乔丹翻滚耦合模型的验证
        4.2.1 运动响应的对比
        4.2.2 试验数据的对比
    4.3 本章小结
5 乘员损伤和保护的研究
    5.1 人体损伤的研究及其损伤评价
        5.1.1 人体损伤生物力学的基本介绍
        5.1.2 乘员损伤评价准则
    5.2 基于事故再现的乘员损伤分析
        5.2.1 安全气囊的建模
        5.2.2 安全气囊保护效果分析
    5.3 基于乔丹翻滚试验的乘员损伤分析
        5.3.1 安全带对乘员保护的影响
        5.3.2 侧面安全气帘对乘员的保护的研究
    5.4 本章小结
6 总结与展望
    6.1 全文总结
    6.2 展望
致谢
参考文献
个人简历、在学期间发表的学术论文及取得的研究成果

【参考文献】

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本文编号：2864268