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硕士学位论文 汽车吸能防伤转向机构碰撞的仿真与试验研究
提 要
本文按照GB 11557-1998 防止汽车转向机构对驾驶员伤害的规
定的要求在非线性有限元理论的基础上利用ANSYS/LS-DYNA
显式大变形有限元分析软件首次对国内某车型上所用的钢球套管式
可收缩吸能转向柱和转向盘与人体模块所组成系统的碰撞问题进行了
非线性有限元建模和仿真研究确定了模型系统的初始条件和边界条
件为保证系统仿真与台架试验的可对照性本文按照GB 11557 中规
定的人体模块变形刚度的测定方法首次对人体模块有限元模型的变
形刚度进行了仿真测定并在中国汽车技术研究中心进行了吸能防伤
转向机构与人体模块的碰撞试验通过试验验证了仿真的正确性
本文在建立有限元模型系统时运用了ANSYS/LS-DYNA 单元库
中的Hughes-Liu 壳单元Belytscko-Wang-Chiang 壳单元Hughes- Liu
梁单元和四面体单元嵌入了非线性材料本构模型并用分段线性化
方法对材料模型作了近似描述考虑了相对运动速度对摩擦系数的影
响同时本文在仿真分析中采用了运算控制如钢球的刚化处理
单元网格的局部细化沙漏控制以及混合时间积分等方法从而提高
运算速度和计算精度
最后对仿真和试验结果间的诸多误差进行了定性的分析和讨论。
目 录
提要
第一章 绪论
1.1 论文选题的背景和意义................................ 1
1.2 国内外对汽车吸能防伤转向机构的研究概述............. 4
1.2.1 吸能防伤转向机构的结构和功能研究............... 4
1.2.2 吸能防伤转向机构试验的研究...................... 5
1.2.3 吸能防伤转向机构碰撞计算和仿真的研究........... 6
1.3 本课题研究的内容.................................. 7
1.4 小结............................................... 8
第二章 吸能防伤转向机构碰撞仿真的非线性有限元分析
2.1 前言............................................... 9
2.2 二次冲撞中驾驶员和转向机构的运动描述
与几何非线性有限元分析 ........................... 10
2.3 碰撞动力学的有限元分析.......................... 13
2.4 碰撞中材料非线性问题的有限元分析................ 15
2.4.1 材料非线性的本构关系......................... 16
2.4.2 非线性问题的解法............................. 18
2.4.3 弹塑性增量分析有限元格式..................... 19
2.5 碰撞中的接触非线性有限元法....................... 20
2.5.1 碰撞过程中的接触非线性....................... 20
2.5.2 接触非线性的有限元法......................... 20
2.6 小结............................................ 22
第三章 吸能防伤转向机构碰撞仿真的理论建模
3.1 吸能防伤转向机构有限元模型的建立................. 23
3.1.1 可收缩吸能转向柱的结构及主要部件的功能....... 23
3.1.2 可收缩吸能转向柱模型的等效简化................ 25
3.1.3 可收缩吸能转向柱和转向盘有限元模型的建立..... 26
3.2 人体模块有限元模型的建立及其变形刚度的仿真测定........ 32
3.2.1 人体模块有限元模型的建立 ...................... 32
3.2.2 人体模块有限元模型变形刚度的仿真测定 .......... 35
3.3 小结.............................................. 36
第四章 吸能防伤转向机构碰撞仿真参数的确定与运算控制
4.1 确定初始条件和边界条件............................ 39
4.2 确定仿真参数...................................... 40
4.2.1 各零部件的规格与材料的主要参数................ 40
4.2.2 各接触对的主要参数............................ 42
4.3 运算控制.......................................... 43
4.3.1 钢球的刚化Rigid body 处理.................. 44
4.3.2 沙漏Hourglassing 控制...................... 44
4.3.3 子循环Subcycling 设置.................... 45
4.4 小结.............................................. 46
第五章 吸能防伤转向机构的台架试验与仿真结果的对比分析
5.1 试验的目的内容和要求............................ 47
5.2 吸能防伤转向机构的台架试验........................ 48
5.3 拆卸与测量........................................ 50
5.4 仿真结果与试验结果的对比分析...................... 51
5.4.1 人体模块与转向盘刚度最大部位碰撞的
仿真与试验结果的对比分析 ..................... 51
5.4.1 人体模块与转向盘刚度最小部位碰撞的
仿真与试验结果的对比分析 ..................... 55
5.5 相对误差分析...................................... 59
5.6 小结.............................................. 60
第六章 结论 ............................................. 62
参考文献 ................................................ 63
致谢 ..................................................... 66
摘要 ...................................................... I
ABSTRACT III