汽车正面碰撞复杂系统快速概念设计力学模型研究

汽车碰撞安全性的概念设计阶段应实现总体目标制定和子系统目标分解，而通过汽车、乘员和乘员约束系统之间的力学关系，建立起乘员响应与整车（包括约束系统）设计参数之间的快速求解是实现子系统性能目标分解的必要手段。现阶段的车体和乘员简化力学模型在复杂车身结构和约束系统新功能的概念设计中表现出一定的局限性，因此本项目拟开展以下两项研究：一，提取乘员约束子系统（安全带，座椅，安全气囊，护膝板，转向系统）自身及其与乘员相互作用的动力学特征参数，基于经典力学理论建立复杂二维汽车碰撞乘员约束系统快速概念设计分析力学模型，支持概念设计阶段乘员约束系统特征参数的快速设计。二，建立从拓扑结构和主要性能上反映整车碰撞特性的汽车前碰撞车体结构有限元简化参数化模型，支持乘用车正面碰撞安全性概念设计阶段的子结构特征参数设计。概念模型与详细有限元和计算流体力学模型相比计算时间减少80%左右，碰撞响应参数一致性达到80%以上。

汽车碰撞安全性概念设计阶段的重要任务是实现总体目标制定和子系统目标分解，而通过汽车、乘员和乘员约束系统之间的力学关系建立起乘员响应与整车（包括约束系统）设计参数之间的快速求解是实现子系统性能目标分解的必要手段。本项目围绕汽车车体结构抗撞性和乘员约束系统两个重要方面，通过对车体碰撞力学和乘员力学响应过程的研究，建立了若干相应的简化力学模型。. 本项目在“车辆-乘员-约束系统”单自由度模型的基础上对该模型进行了改进研究，并建立了安全气囊解析模型，将原单自由度模型中的等效弹簧刚度拆分成两个部分：安全带等效刚度和安全气囊等效刚度。安全带等效刚度和安全带织带刚度、限力值、预紧量相关；安全气囊等效刚度和安全气囊体积、充气量、泄气孔直径相关。改进后的单自由度模型显化了安全带和安全气囊参数与乘员加速度响应之间的关系，通过迭代计算，能够快速提供任意输入下参数的初始范围，实现对系统整体保护效能控制情况下的乘员约束系统参数正向设计，提高了该模型在实际工程应用中的价值。. 为了进一步细化约束系统参数表达，本项目还建立了双自由度二维“车辆-乘员-约束系统”模型，其中的安全带系统简化模型能够表达织带刚度、卷收器预紧量及其作用时间、安全带限力水平及其作用时间；而安全气囊和吸能式转向机构以及座椅系统均简化为时间相关的作用力形式。项目还利用拉格朗日力学中的多质点系统运动学建立了双自由度系统力学响应方程，同时，为了获得任意输入下的乘员响应，提出了离散激励输入和迭代求解的方法。. 此外，项目还研究了汽车正面碰撞过程中结构变形特点和敏感构件，以结构的刚度特性和惯性特性一致为目标，利用子结构有限元法，分别建立了乘用车和商用车正面抗撞性简化参数化模型，提出了简化模型建立的方法和原则，研究了简化模型建立的关键技术。通过与原详细有限元模型的关键响应量对比，证明了简化模型的准确性和有效性。本项目的参数化模型是一种用简化单元建立的参数化模型，它定义了主要结构的拓扑关系，接头、梁和板壳在拓扑定义的节点处连接，并采用简化力学特性表示其性能。在概念设计阶段，通过参数的调整获得所需的性能，再针对最后确定的满足性能要求的特性参数，进行详细的结构设计，并保证设计目标基本不变。由于简化的参数化模型单元数量很少，模型简单，所以适合在概念设计阶段进行快速的方案对比与性能优化。