[发明专利]汽车正面碰撞的非线性动力学模型

说明书

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；