CN101727518B

CN101727518B - 建立汽车正面碰撞的非线性动力学模型的方法

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Publication number: CN101727518B
Application number: CN200910198973XA
Authority: CN
Inventors: 吴光强; 盛云; 王平; 鞠丽娟
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University
Priority date: 2009-11-18
Filing date: 2009-11-18
Publication date: 2011-06-22
Anticipated expiration: 2029-11-18
Also published as: CN101727518A

Abstract

本发明公开一种建立汽车正面碰撞的非线性动力学模型的方法，是集成了汽车正面一、二次碰撞的集中参数模型IPSIM，用于汽车新车型开发过程中碰撞安全性能的设计，也用于汽车正面碰撞的一次和二次碰撞过程研究。在汽车的概念设计阶段，设计人员采用本发明，将汽车各子系统和结构部件的功能和碰撞性能分解，根据实际要求设计其碰撞性能以及乘员约束系统的特性，根据碰撞安全性相关标准，对整车或某些部件的结构耐撞性以及乘员的安全性进行分析、评价，以指导汽车结构的优化。

Description

建立汽车正面碰撞的非线性动力学模型的方法

技术领域

本发明涉及一种简化的汽车集中参数模型，特别涉及一种汽车正面碰撞的非线性动力学模型，是集成了汽车正面一次和二次碰撞的集中参数模型IPSIM(Integrated Primary and Secondary ImpactModel)，用于新车型的概念设计阶段，设计汽车各结构部件和约束系统的特性，对汽车与刚性壁障的正面碰撞性能和乘员的安全性进行分析评价，并可进一步指导与开展基于安全性的汽车结构优化设计。

背景技术

汽车的正面碰撞包含了两个过程，即“一次碰撞”和“二次碰撞”。一次碰撞指汽车与固定壁障之间发生的碰撞，而二次碰撞指车内乘员与乘坐室内物体之间的碰撞。目前，对汽车碰撞安全性的研究，常采用两种研究模式，即纯二次碰撞安全性研究与整车碰撞安全性研究。纯二次碰撞安全性研究只研究二次碰撞情况下乘员的安全性问题，汽车的运动规律则采用有关标准中假定的减速度曲线代替，或者根据有关标准检验乘坐室部件对人体的保护水平。台车碰撞试验、转向系统碰撞试验及其仿真分析，是纯二次碰撞安全性研究的典型实例。

而整车碰撞安全性研究则以汽车整车为对象，在一次碰撞发生的同时，研究二次碰撞中乘员的安全问题，其研究主要有实车试验和数值仿真两种手段，但由于汽车碰撞试验耗资过大，试验周期过长，而且无法在样机试制出来之前对产品的碰撞性能进行必要的预测与评价。因此，人们力图采用数值仿真方法来解决碰撞模拟问题，当前的汽车碰撞仿真大都基于整车模型开展。但是，在汽车的概念设计阶段，一方面需要建立不同子结构参数库(包含车身结构件的尺寸和刚度、材料特性、连接方式及其相关力学性能等)以便设计工程师进行方案选择，另一方面也缺少用于建立数字化虚拟样车的整车详细的几何模型，因而，无法得到完整的整车数字化模型。

发明内容

本发明的技术问题是要提供一种能在概念设计阶段指导汽车碰撞安全性能设计、优化的汽车正面碰撞的非线性动力学模型。

首先考虑以下几点假设：

假设一：在整个碰撞过程中，乘坐室始终保持结构的完整性；

假设二：汽车对其垂直中面对称；

假设三：忽略汽车的俯仰、侧倾和横摆运动；

假设四：对于汽车的前部结构，认为结构零部件在静载荷下的变形模式和动载荷下相同；

假设五：结构零部件的抗撞力是变形和变形率的非线性函数；

假设六：障碍物是垂直、固定不变形的。

基于以上几点假设，本发明提出了一种建立汽车正面碰撞的非线性动力学模型的方法，是集成了汽车正面一次和二次碰撞的集中参数模型IPSIM，其包括以下步骤：

(1)设计工程师对概念设计阶段的汽车结构进行总体设计，确定汽车的主要参数和结构；

(2)根据汽车正面碰撞安全性实际设计问题的需要，确定IPSIM的规模，即模型的自由度数；

(3)对整车系统进行简化，将其抽象为集中参数模型；

(4)将汽车各子系统和结构部件的特性分解，并将整车集中参数模型分解为车身结构部件力学模型、转向系统力学模型和乘员保护系统力学模型；

(5)根据实际设计问题需要，将车身结构部件力学模型分解为传动系统、保险杠、纵梁、车身等部件，并综合考虑各部件的中间连接件的力学模型；

(6)将转向系统的力学模型分解为转向轴、脱开装置等的力学模型；

(7)将乘员保护系统的模型分解为乘员约束系统、安全气囊等的力学模型；

(8)对各子系统及结构部件的动力学参数进行设计，包括其质量、刚度、阻尼；

(9)采用适当的力学原理，如牛顿第二定律、拉格朗日方程等，分别建立纯一次碰撞和纯二次碰撞的动力学模型；

(10)对纯一次碰撞动力学模型进行仿真，判断系统的响应是否满足设计要求，如不满足，则返回至(5)，对车身结构部件力学模型进行修改；

(11)对纯二次碰撞动力学模型进行仿真，判断系统的响应是否满足设计要求，如不满足，则返回至(6)，对转向系统和乘员保护系统的力学模型进行修改，如满足则转至(12)；

(12)乘员通过约束系统、座椅与车身相连，在二次碰撞过程中，乘员通过转向系统与汽车相互作用，考虑乘员与汽车之间的强耦合作用，建立IPSIM的数学模型；

(13)采用数值分析方法求解IPSIM数学模型，得到正面碰撞系统的动力学响应，包括汽车和乘员的响应；

(14)分析车身和乘员的响应是否满足设计要求，如果不满足，则返回至(2)，对IPSIM模型规模、各子系统及结构部件的参数进行修改后，再继续前面的步骤；如果满足，则在此基础上开展汽车结构的详细设计。

本发明基于非线性动力学理论，将汽车整车抽象为集中参数模型，模型的规模根据实际的设计问题灵活调整，设计工程师在新车型开发过程中，将汽车各子系统和结构部件特性分解，设计各部件的非线性特性，分别从纯一次碰撞和纯二次碰撞的仿真判断车身结构部件、转向系统和乘员保护系统的各参数设计是否合理，并通过乘员与车身之间强耦合作用的实现，建立IPSIM的数学模型，通过数值计算方法得到车、人的动力学响应，对设计参数进行分析、判断，从而开展整车的详细设计。

本发明的优越功效在于：

(1)本发明提出的IPSIM，不仅可以用于汽车结构一次碰撞过程分析，也可用于汽车结构和乘员二次碰撞的研究；

(2)本发明能用于汽车概念设计阶段的碰撞安全性设计，设计工程师采用本发明，将汽车各子系统与结构部件的功能和特性分解，分别设计其碰撞性能，从而确定正面壁障碰撞时，汽车结构的碰撞性能和乘员的安全性能；

(3)用于汽车正面壁障碰撞性能的分析与校核，同时，由于充分考虑了乘员与安全气囊、转向系统的二次碰撞，能有效地对乘员响应情况进行分析，能有效地对乘员响应情况进行分析，并可进行乘员保护的评价。

附图说明：

图1为本发明IPSIM实施的流程图；

图2为本发明IPSIM力学模型示例；

图3为本发明IPSIM的应用示例；

具体实施方式：

以下先说明建模原理：

一、汽车正面壁障碰撞过程分析：

在汽车以一定初速度正面碰撞固定壁障的过程中，随着汽车与固定壁障之间发生接触，开始了汽车与壁障之间的一次碰撞。随着乘员与车身之间相对位移的产生，乘员约束系统开始工作，为乘员提供减速的作用力。

由于汽车发生前部碰撞时，乘员极易与转向操纵机构发生二次碰撞，转向操纵机构的碰撞吸能特性可从转向轴、转向轴脱开装置和转向盘的设计考虑。

在本发明中，假设在正面碰撞发生时，安全气囊已经打开。当乘员与车身之间的相对位移大于乘员与安全气囊之间的初始距离时，乘员与安全气囊发生接触，开始了汽车的二次碰撞过程。此时，在安全气囊、转向操纵机构和乘员约束系统的共同作用下，乘员的减速度逐渐达到最大。

此后，由于转向轴脱开装置的作用，上、下转向轴之间出现变形与相对运动，乘员与安全气囊分离。此时，乘员仅受到约束系统的作用，其减速度也随之降低。

如图1所示，本发明提出了一种汽车正面碰撞的非线性动力学模型，是集成了汽车正面一次和二次碰撞的集中参数模型IPSIM，其包括以下步骤：

(3)对整车系统进行简化，将其抽象为集中参数模型；

二、本发明的具体实施方法示例：

以如图2所示四自由度IPSIM为例说明本发明的具体实施方式。

如图2中的各个质量表示如下：

m₁——车身质量，kg；

m₂——前车架横梁质量，kg；

m₃——发动机质量，kg；

m₄——乘员质量，kg。

对于各个质量，仅考虑一个自由度，即纵向移动。相应的位移坐标以x₁、x₂、x₃和x₄表示。

汽车各结构部件的抗撞力特性采用等效弹簧力和阻尼力描述：

FS₁——与车身连接的钣金组件的等效弹簧力，N；

FS₂——车身与前车架横梁中间连接件的等效弹簧力，N；

FS₃——车身与发动机中间连接件的等效弹簧力，N；

FS₄——前车架横梁与刚性壁障间的等效弹簧力，N；

FS₅——发动机与前车架横梁连接的等效弹簧力，N；

FS₆——散热器及其周边结构的等效弹簧力，N；

FD₁——车身与前车架横梁间的等效阻尼力，N；

FD₂——前车架横梁与固定壁障间的等效阻尼力，N。

FS_i＝FS_i(δ_i)，i＝1，2，…，6 (1)

其中，δ_i为各结构部件的变形，m。其特性可采用动态的力-变形关系来描述，具体特性可根据实际情况由设计工程师拟定。

{FD}_{1} (δ_{2}) = c_{1} {\dot{δ}}_{2}

(2)

{FD}_{2} (δ_{4}) = c_{2} {\dot{δ}}_{4}

其中，

为变形率，m/s；c₁、c₂为等效阻尼系数，N·s/m。

乘员质量通过约束系统与车身质量连接，考虑安全气囊、转向柱和脱开装置对乘员的影响，并定义乘员与座椅间的库仑摩擦力F_f，N。δ_w为乘员和转向操纵机构之间的初始距离，m。

在一次碰撞过程中，汽车与固定壁障发生接触，开始减速运动，除了座椅的摩擦力外，乘员还受到约束系统的作用：

FS_oc(δ_oc)＝k_ocδ_oc

(3)

{FD}_{oc} (v_{oc}) = c_{oc} {\dot{δ}}_{oc}

其中，δ_oc为乘员约束系统的变形，m；

为变形率，m/s；k_oc为约束系统的等效弹簧刚度，N/m；c_oc为等效阻尼系数，N·s/m。

因此，一次碰撞的运动微分方程为：

\{\begin{matrix} m_{1} {\overset{. .}{x}}_{1} + {FD}_{1} + {FS}_{1} + {FS}_{2} + {FS}_{3} - {FD}_{oc} - {FS}_{oc} - F_{f} = 0 \\ m_{2} {\overset{. .}{x}}_{2} - {FD}_{1} + {FD}_{2} - {FS}_{2} + {FS}_{4} + {FS}_{5} = 0 \\ m_{3} {\overset{. .}{x}}_{3} - {FS}_{3} - {FS}_{5} + {FS}_{6} = 0 \\ m_{4} {\overset{. .}{x}}_{4} + {FD}_{oc} + {FS}_{oc} + F_{f} = 0 \end{matrix} - - - (4)

其初始条件为：

\{\begin{matrix} x_{1} (0) = x_{2} (0) = x_{3} (0) = x_{4} (0) = 0 \\ {\dot{x}}_{1} (0) = {\dot{x}}_{2} (0) = {\dot{x}}_{3} (0) = {\dot{x}}_{4} (0) = v_{0} \end{matrix} - - - (5)

其中，v₀为汽车正面碰撞的初速度，m/s。

安全气囊的等效弹簧力和阻尼力为：

{FS}_{ab} = [\begin{matrix} k_{ab} (x_{4} - x_{1} - δ_{w} - x_{41}), & t_{P} \leq t \leq t_{s} \\ 0, & t > t_{s} \end{matrix}]

(6)

{FD}_{ab} = \{\begin{matrix} c_{ab} ({\dot{x}}_{4} - {\dot{x}}_{1} - {\dot{x}}_{41}), & t_{P} \leq t \leq t_{s} \\ 0, & t > t_{s} \end{matrix}

其中，k_ab为安全气囊的等效刚度，N/m；c_ab为等效阻尼系数，N·s/m；t_P为一次碰撞结束的时刻，s；t_s为二次碰撞过程中，由于转向轴脱开装置的作用，上、下转向轴之间出现相对运动和变形，其等效力元不再对乘员起作用，乘员仅在约束系统作用下回弹的时刻。

转向轴的等效弹簧力采用分段线性函数描述，即：

{FS}_{w} = \{\begin{matrix} k_{w} (x_{41} - x_{42}), & t_{P} \leq t \leq t_{s} \\ 0, & t > t_{s} \end{matrix} - - - (7)

其中，k_w为上、下转向轴的等效刚度，N/m。

转向轴脱开装置的等效弹簧力和阻尼力为：

{FS}_{c} = \{\begin{matrix} k_{c} (x_{42} - x_{1}), & t_{P} \leq t \leq t_{s} \\ 0, & t > t_{s} \end{matrix}

(8)

{FD}_{c} = \{\begin{matrix} c_{c} ({\dot{x}}_{42} - {\dot{x}}_{1}), & t_{P} \leq t \leq t_{s} \\ 0, & t > t_{s} \end{matrix}

其中，k_c为脱开装置的等效刚度，N/m，c_c为等效阻尼系数，N·s/m。

在二次碰撞的第一阶段，即t_P≤t≤t_s1，乘员的受力包括约束系统等效弹簧力和阻尼力，安全气囊等效弹簧力、转向轴的等效弹簧力以及脱开装置的等效弹簧力和阻尼力。系统的运动微分方程为：

\{\begin{matrix} {\dot{x}}_{41} = \frac{1}{k_{ab} k_{c} + k_{ab} k_{w} + k_{w} k_{c}} {(k_{w} + k_{c}) [k_{ab} ({\dot{x}}_{4} - {\dot{x}}_{1}) + c_{ab} ({\overset{. .}{x}}_{4} - {\overset{. .}{x}}_{1} - {\overset{. .}{x}}_{41})] + \\ k_{w} [k_{c} {\dot{x}}_{1} - c_{c} ({\overset{. .}{x}}_{42} - {\overset{. .}{x}}_{1})]} \\ {\overset{. .}{x}}_{41} = \frac{1}{c_{ab}} [m_{4} {\overset{. . .}{x}}_{4} + c_{oc} ({\overset{. .}{x}}_{4} - {\overset{. .}{x}}_{1}) + k_{oc} ({\dot{x}}_{4} - {\dot{x}}_{1}) + k_{ab} ({\dot{x}}_{4} - {\dot{x}}_{1} - {\dot{x}}_{41})] + {\overset{. .}{x}}_{4} - {\overset{. .}{x}}_{1} \\ {\dot{x}}_{42} = - \frac{1}{c_{c}} [m_{4} {\overset{. .}{x}}_{4} + c_{oc} ({\dot{x}}_{4} - {\dot{x}}_{1}) + k_{oc} (x_{4} - x_{1}) + F_{f} + k_{c} (x_{42} - x_{1})] + {\dot{x}}_{1} \\ {\overset{. .}{x}}_{42} = - \frac{1}{c_{c}} [m_{4} {\overset{. . .}{x}}_{4} + c_{oc} ({\overset{. .}{x}}_{4} - {\overset{. .}{x}}_{1}) + k_{oc} ({\dot{x}}_{4} - {\dot{x}}_{1}) + k_{c} ({\dot{x}}_{42} - {\dot{x}}_{1})] + {\overset{. .}{x}}_{1} \\ {\overset{. . .}{x}}_{4} = - \frac{1}{m_{4}} [c_{oc} ({\overset{. .}{x}}_{4} - {\dot{x}}_{1}) + k_{oc} ({\dot{x}}_{4} - {\dot{x}}_{1}) + k_{w} ({\dot{x}}_{41} - {\dot{x}}_{42})] \\ m_{1} {\overset{. .}{x}}_{1} + {FD}_{1} + {FS}_{1} + {FS}_{2} + {FS}_{3} + m_{4} {\overset{. .}{x}}_{4} = 0 \\ m_{2} {\overset{. .}{x}}_{2} - {FD}_{1} + {FD}_{2} - {FS}_{2} + {FS}_{4} + {FS}_{5} = 0 \\ m_{3} {\overset{. .}{x}}_{3} - {FS}_{3} - {FS}_{5} + {FS}_{6} = 0 \end{matrix}

其初始条件为一次碰撞过程(4)终了时刻的响应。

在二次碰撞的第二阶段，即t＞t_s，乘员的受力包括约束系统等效弹簧力和阻尼力以及座椅提供的库伦摩擦力，而由于脱开装置的作用，转向操纵机构和安全气囊不再对乘员起作用。此时，系统的运动微分方程为：

\{\begin{matrix} m_{1} {\overset{. .}{x}}_{1} + {FD}_{1} + {FS}_{1} + {FS}_{2} + {FS}_{3} - {FD}_{oc} - {FS}_{oc} - F_{f} = 0 \\ m_{2} {\overset{. .}{x}}_{2} - {FD}_{1} + {FD}_{2} - {FS}_{2} + {FS}_{4} + {FS}_{5} = 0 \\ m_{3} {\overset{. .}{x}}_{3} - {FS}_{3} - {FS}_{5} + {FS}_{6} = 0 \\ m_{4} {\overset{. .}{x}}_{4} + {FD}_{oc} + {FS}_{oc} + F_{f} = 0 \end{matrix} - - - (10)

其初始条件为二次碰撞第一阶段终了时刻的响应。

如图3是采用IPSIM对某商务车正面碰撞安全性设计的分析结果与实验结果的对比。从图中可以看出IPSIM结果虽然在数值上与实验结果存在一定的偏差，但整体变化规律较为接近。因此，IPSIM对概念设计阶段的汽车正面碰撞性能设计具有指导价值。

Claims

1.一种建立汽车正面碰撞的非线性动力学模型的方法，其特征在于：该非线性动力学模型是集成了汽车正面一次和二次碰撞的集中参数模型IPSIM(Integrated Primary and Secondary Impact Model)，不仅用于分析汽车与固定壁障的一次碰撞过程，也用于分析乘员与汽车的二次碰撞过程；建立IPSIM包括以下步骤：

(3)对整车系统进行简化，将其抽象为集中参数模型；

(5)根据实际设计问题需要，将车身结构部件力学模型分解为传动系统、保险杠、纵梁、车身部件，并综合考虑各部件的中间连接件的力学模型；

(6)将转向系统的力学模型分解为转向轴、脱开装置的力学模型；

(7)将乘员保护系统力学模型分解为乘员约束系统、安全气囊的力学模型；

(9)采用力学原理，建立纯一次碰撞和纯二次碰撞的动力学模型；

(10)对纯一次碰撞动力学模型进行仿真，判断系统的响应是否满足设计要求，如不满足，则返回至(5)，对车身结构部件力学模型进行修改；如满足则转至(11)；