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車身結構強度與碰撞安全技術分享

		點擊數：	更新時間： 2021年06月17日
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車身結構強度與碰撞安全分析技術

安全性法規（NCAP)
有限元方法的理論基礎
仿真工具
工程應用實例
安全性法規（NCAP)
U.S. - FMVSS (Federal Motor Vehicle Safety 
                Standard, )
Canada - CMVSS (Canada Motor Vehicle Safety
                  Standard)
Europe - European Regulation (European Economic  
           Commission)
Japan - Safety Regulation For Road Vehicles    
Australia - ADR (Australian Design Rule)                 
China – CMVDR 294 (China Motor Vehicle Design 
                    Regulation,GB)
各地區安全法規
汽車安全標準 (NCAP)
NCAP
星級評價組織或新車評價體系 ,是轎車（尤指新上市車型）碰撞安全的一種標準。
它是行業性標準，不同于政府強制性法規; 
主要有美國US-NCAP、歐洲EURO-NCAP、日本JNCAP、澳大利亞ANCAP等;
這些國家的星級評價，主要以美國星級評價為基礎，因而內容基本相同.

NCAP標準與政府法規的區別
政府性法規	NCAP標準
強制性法規要求	非強制性標準
碰撞速度相對較低	碰撞速度要求高于法規
是新車上市的最低要求	是對車輛安全性的更高要求
結果為：“通過”或者“不通過” 	結果為：星級評價 
安全性法規（NCAP)
NCAP（新車評價體系）的試驗內容以及與相對應法規的比較
安全性法規（NCAP)
Phase One 
正常駕駛shijiebei.xdzdjx.com lll 
Phase Two 
發生危險
Phase Three 
不可避免
Phase Four
事故發生
Phase Five
事故后處理
主動安全與被動安全
安全性法規（NCAP)
安全性法規（NCAP)
NCAP(新車評價體系)的實驗內容
安全性法規（NCAP)
前碰撞試驗法規比較
試驗形態	FMVSS
208	US-NCAP	IIHS	ECE94	Euro-NCAP	CMVR  294	NCAP CHINA
完全壁障
	48km/h 完全剛性固定壁障，完全正碰或30度傾角, 前排座椅都有假人，且需安全帶	56km/h完全剛性固定壁障，完全正碰，前排座椅都有假人，且需安全帶	-	-		48km/h
完全剛性固定壁障，完全正碰，前排座椅都有假人，且需安全帶	剛剛引入
40％偏置
	-	-	64km/h 40% 偏置裝固定壁障，完全正碰	56km/h 40% 偏置裝固定壁障，完全正碰，前排座椅都有假人，且需安全帶	64km/h 40% 偏置裝固定壁障，完全正碰前排座椅都有假人，且需安全帶		剛剛引入
安全性法規（NCAP)
歐洲NCAP前碰撞方法
試驗前車的準備
若有氣囊檢查安全氣囊一切正常；
放掉油箱中所有的汽油并且發動汽車把油耗干；
在油箱中灌滿水，水的質量為滿箱油質量的90%；
把前排座椅放在導槽的中間，并且放置兩個假人；
測試車的重量：包括燃料，冷卻液，潤滑油，備用胎，測試設備等。
離合器，剎車板以及加速板的中心點；
方向盤中心點；
測量碰撞前門的距離

安全性法規（NCAP)
歐洲NCAP前碰撞方法
測試參數
碰撞前：
車的測試速度：測試點離壁障盡量近，目標速度＝64km/h(+/-1km/h);
碰撞區域：碰撞區域＝40％(+/-20mm)車的寬度（不包括后視鏡）;
試驗前門需關閉，但不鎖，測試中也不能打開；
碰撞后：
試驗后記錄下打開門所需的力，打開角度為45度；
記錄下假人的位置；
記錄下從車里取出假人的方法，要求不須調整椅背即可將假人移出車外；
測取需要記錄侵入點的侵入量；
燃料泄漏要小于30g/min；

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安全性法規（NCAP)
前碰撞評價指標
安全性法規（NCAP)
正面碰撞實驗評價方法（美國NCAP)
         
安全性法規（NCAP)
正面碰撞實驗評價方法（歐洲NCAP)
安全性法規（NCAP)
	測量指標	點數
頭部	HIC值
頭部加速度	0～4分
頸部	剪力
軸向張力
向后彎矩	0～4分
胸部	胸部壓縮量
胸部粘性指標	0～4分
下肢	大腿負荷
膝蓋壓縮量
脛骨指數	0～4分
假人損傷值換算得分
安全性法規（NCAP)
側面碰撞試驗法規比較
試驗形態	FMVSS
214	US-SINCAP	IIHS	ECE95	Euro-SINCAP	CMVDR  295	NCAP CHINA
直角
	-	-	51km/h可變形的運動壁障（0.95噸），垂直正碰，手剎車釋放，燃料為滿載的92～94％，放兩個假人	50km/h可變形的運動壁障（0.95噸），垂直正碰，燃料為滿載的90％，放一個假人	50km/h可變形的運動壁障（0.95噸），垂直正碰，燃料為滿載的90％，放一個假人	50km/h
與ECE95基本相似，今年7月開始實施。可變形的運動壁障（0.95噸），垂直正碰，燃料為滿載的90％，放一個假人	剛剛引入
傾斜
	54km/h 可變形的運動壁障（1.368噸），與Y成27度，手剎車拉上，燃料為滿載的92～94％，放兩個假人	62km/h可變形的運動壁障（1.368噸），與Y成27度，手剎車拉上，燃料為滿載的92～94％，放兩個假人	-	-	-	-	剛剛引入
安全性法規（NCAP)
側面碰撞實驗方法（歐洲NCAP）
試驗前車的準備
車輛狀態是靜止；
放掉油箱中所有的汽油并且發動汽車把油耗干；
在油箱中灌滿水，水的質量為滿箱油質量的90%；
駕駛員座椅放置在導槽的中間位置；
在駕駛員位置放置ES-2假人；
測量車的重量：無負載情況＋100kg（包括假人及其相關測試設備）
標注出座椅的R點；

安全性法規（NCAP)
測試參數
碰撞前：
運動壁障車的測試速度：測試點離碰撞區盡量近，目標速度＝50km/h(+/-1km/h);
避免運動壁障車與試驗車發生二次碰撞；
運動壁障車與試驗車的碰撞放置：
目標對齊的位置：運動壁障車的中心線與R點一致（± 25mm）
測試期間車門不能打開；
碰撞后：
試驗后記錄下打開門所需的力，打開角度為45度；
記錄下假人的位置；
記錄下從車里取出假人的方法，要求不試用工具能將假人模型移出；
燃料泄漏要小于30g/min；
側面碰撞實驗方法（歐洲NCAP）
安全性法規（NCAP)
側面碰撞評價指標
法規	頭部	頸部	胸部	腹部	腰部	車體變形
美國
FMVSS214
US-SINCAP	    HIC	－	TTI	－	腰加速度	不評價
美國
IIHS	HIC	張力
壓縮力	胸部位移
VC
肩位移	－	骼骨負荷
大腿負荷	評價
歐洲
ECE-R95
Euro-NCAP	HIC
加速度	－	胸部位移
VC	腹部負荷	恥骨負荷	評價
中國
CMVDR295
NCAP-China	－	－	－	－	－	－
安全性法規（NCAP)
側面碰撞實驗評價方法（美國NCAP)

安全性法規（NCAP)
側面碰撞實驗評價方法（歐洲NCAP)
安全性法規（NCAP)
	測量指標	點數
頭部	HIC值
頭部加速度	0～4分
胸部	胸部位移
胸部粘性指標	0～4分
腹部部	腹部負荷	0～4分
腰部	恥骨負荷	0～4分
假人損傷值換算得分
安全性法規（NCAP)
側面柱撞試驗方法（歐洲NCAP）
安全性法規（NCAP)
試驗前準備
放掉油箱中所有的汽油并且發動汽車把油耗干；
在油箱中灌滿水，水的質量為滿箱油質量；
駕駛員座椅放置在導槽的中間位置；
在駕駛員位置放置假人；
測量車的總重量；
碰撞位置：在側邊門的參考線上，過該參考線的橫向垂直平面通過假人頭部重心位置；
在車的位置上標上標記。
側面柱撞試驗方法（歐洲NCAP）
安全性法規（NCAP)
測試參數
碰撞前：
使剛性柱與參考線對齊；
剛性柱：離地高度不低于102mm，需高于車頂100mm，剛性柱的直徑為245mm（＋/-3mm）；
碰撞速度：臺車的加速度不能超過1.5m/s2,目標速度＝29km/h(+/-0.5km/h)
碰撞角度：90度（+/-3度）
碰撞后：
試驗后記錄下打開門所需的力，打開角度為45度；
記錄下假人的位置；
記錄下從車里取出假人的方法；
測取侵入點的侵入量；
側面柱撞試驗方法（歐洲NCAP）
安全性法規（NCAP)
碰撞綜合評價方法（歐洲NCAP)
安全性法規（NCAP)
美國和歐洲碰撞法規試驗方法的差別：
1、移動障礙壁的質量、尺寸及形狀不同
2、碰撞形式不同
3、碰撞速度不同
4、碰撞點位置不同
5、乘員損傷評價方法不同
有限元方法基礎
適用領域
        有限元法幾乎適用于所有的工程領域，應用最為廣泛的是結構工程、材料科學領域中的應力、應變和位移的分析計算。
        在車身結構設計中，主要用于車身結構分析、模態分析、碰撞模擬
有限元方法基礎
基本思想

拉伸筋
凹槽圓角
凹槽
凹模模腔
壓邊圈
壓料面
沖 頭
“以直代曲”，以離散體代替連續體

拉伸筋
凹槽圓角
凹槽
凹模模腔
壓邊圈
壓料面
沖 頭
有限元方法基礎
有限元方法的基本步驟
1、結構離散化
2、位移模式的選擇
3、單元力學特性分析
4、等效節點力計算
5、建立整體結構的平衡方程
6、求解未知節點的位移及單元應力
有限元方法基礎
有限元方法的基本步驟
1、結構離散化
         把無限變量處理成有限變量的過程稱為離散化。有限元法的結構離散化過程，就是將被分析的連續的對象劃分成由有限個單元組成的離散體的集合，并在單元上選取一定數量的點作為節點。各個單元體之間僅在節點處相連接。有限單元法的整個分析過程就是針對這種單元集合體進行的。 
有限元方法基礎
有限元方法的基本步驟
2、位移模式的選擇
        位移模式是指對單元中各點處位移的分布狀況所作的一種假設，即選擇一種比較簡單的函數用以近似表示單元中各點位移的分量隨坐標變化的分布規律。 
         由于多項式的數學運算比較簡單，易于處理，因此通常選用多項式作為位移模式，多項式的項數和階數通常根據單元的自由度和求解的收斂性要求等來選取。一般情況下，應等于單元的自由度數，同時廣義坐標應取為節點位移。
有限元方法基礎
有限元方法的基本步驟
3、單元的力學特性分析
         根據單元的材料性質、形狀、尺寸、節點數量、位置等，找出單元節點力與節點位移的關系，并用幾何方程和物理方程建立力與位移之間的方程式。即對單元的剛度矩陣和質量矩陣進行分析求解。 
有限元方法基礎
有限元方法的基本步驟
4、單元受力等效轉換
   當結構被分離成多個單元后，結構所承受的載荷在單元之間僅通過節點來傳遞。但實際上，力是從單元的公共邊界上傳遞的，因此必須把作用在單元邊界上的面力，以及作用在單元體內的體積力、集中力等按照靜力等效的原則，處理成只作用在節點上的力。
有限元方法基礎
有限元方法的基本步驟
5、建立整體結構的平衡方程
   即結構的整體分析，也就是將單元剛度矩陣合成為整體剛度矩陣，同時，將作用于各節點的載荷合成為整體結構的節點載荷向量。
有限元方法基礎
有限元方法的基本步驟
6、求解未知節點的位移及單元應力
        在求得單元節點解的基礎上，根據單元位移插值函數，求得單元內任一點的位移和應力。 
有限元方法基礎
有限元法的求解流程
有限元方法基礎
雙燃料車氣瓶支架計算
有限元方法基礎
利用CAE技術進行仿真分析的局限性
1、由于材料特性描述與實際材料差異等多方面的原因，      模擬計算結果與實際試驗結果存在偏差；
2、金屬材料的塑性特性理論尚不完備；
3、材料冷作硬化特性難以掌握；
4、材料的初始內應力不易掌握；
5、材料斷裂難以預測。
仿真工具
碰撞仿真分析的進展及發展趨勢
碰撞仿真分析的進展及發展趨勢
應用領域
1. Plasticity
2. Contact-impact treatment
3. Airbag, seat belt model
4. Barrier model
5. Welding
6. Material failure modes development
7. Joint development 
8. Foam material
9. Dummy model
仿真工具
汽車碰撞仿真分析工具
CAD
Data
Mesh Generation
Part Assembly
Solver

Post Process
CATIA
IDEAS

Hypermesh 
ANSAFEMB
EasiCrash
Hypework
FEMB
Mode-Edit
Pam-Safe
LS-DYNA
RADIOSS
Pam-Crash
ABAQUS
MADYMO
MSC-DYTRAN
ADINA
Hypermesh
FEMB
Mod-Anim
Pam-Safe
Dyna-Post
仿真工具
仿真模型

目前趨勢是創建同一個模型用于3個主要的碰撞模擬分析（前碰、側碰和后碰）；
有限元網格是用自動網格劃分工具生成的，并且把各個部件裝配起來；
車身大約包括20～25平方米的鈑金覆蓋件；
	Mesh Size	Number of shell Elements
Normal Size	10 * 10	200,000
Weld nugget size	5 * 5	800, 000
average thickness	1 * 1	20,000,000
仿真工具
仿真模型
       CAD數據：
 數據類型有：CATIA、 UG、 PRO-E、 IGES 等等；
 提供厚度信息和材料列表；
 幾何處理；
仿真工具
仿真模型
仿真工具
結構簡化
1、孔類特征

D
      D<6	Ignore
  6

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