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原文传递轿车耐撞性分析以及碰撞过程中的人体多柔体动力学建模

论文题名：	轿车耐撞性分析以及碰撞过程中的人体多柔体动力学建模
关键词：	轿车;耐撞性分析;碰撞过程;人体;多柔体;优化设计方法;块模型;大范围运动;被动安全性;体建模;车身;吉布斯;正面碰撞;体模型;体动力学;非线性有限元;方程;动力柔化;弹簧质量;耐撞性设计
摘要：	近年来．汽车被动安全性研究在我国发展很快。在大量研究的基础上，国家已经出台安全非强制性法规。并将在2002年7月份开始执行。为此，关于轿车耐撞性分析的研究成为被动安全性研究的热点，并已经取得初步成果。由于国内一些轿车车型需要在原有基础上进行更新改造，非常有必要进行更进一步的研究，寻找提高轿车耐撞性的新途径和提高轿车碰撞模拟计算粘度的新方法。大规模非线性有限元技术是日趋成熟的轿车碰撞模拟分析方法，对于其建模特点和主流软件应用的研究在国内已经展开。本文以国产某轿车的耐撞性优化设计为课题背景，进行了该轿车的大规模非线性有限元正面碰撞耐撞性分析，计算结果和试验结果吻合良好。在国内首先研究了传统的轿车耐撞性迭代优化设计方法，并结合课题分析了轿车耐撞性研究的力学特点，提山了采用吸能模态近似进行轿车耐撞性分析的方法。针对传统迭代优化设计方法所存在的缺陷，提出了改进迭代优化设计方法。为轿车的改型设计提供了新的设计思路。在本文中所提到的改进迭代优化设计方法中首次指出了弹簧质量块模型和安全车身模型对于耐撞性研究的重要性。采用弹簧质量块模型进行车身碰撞分析是轿车早期耐撞性分析的主要手段。现在，随着对轿车耐撞性研究的深入，使得取得准确的弹簧特性成为可能。以往的研究采用的弹簧质量块模型大多是针对某种车型的，且主要应用于早期轿车的概念设计阶段，本文编制了采用弹簧质最块模型进行轿车耐撞性分析的通用程序。并将其应用到轿车耐撞性优化设计中，拓展了该模型的应用范围。轿车正面碰撞过程中的主要吸能元件是纵梁。国内外都对其吸能特性进行了大量的研究，研究成果在轿车耐撞性设计中得到广泛的应用。本文总结了薄壁件的主要吸能机理，指出轿车吸能仆除了以塑性铰弯折为主的吸能方式外，还可以采用以塑性铰流动和材料塑性拉伸为主吸能方式。尤其是后两种吸能方式的材料单位质量吸能效率会有很大的提高，并且具有很好地吸能效果和吸能稳定性。在此基础上，本文提出了内缩梁以及钢索这对应后两种吸能方式的吸能结构，并将其应用到轿车安全车身的建立，取得很好的效果。轿车安全车身的设计曾经大大推动了被动安全性设计的发展。本文采用了前面提到的新的吸能方式在，在国产某轿车原有车身基础上。利用前面所提到的吸能方式。在国内首先研究了有限元安全车身模型。并从中总结出轿车正面碰撞车身耐撞性设计的主要方法。轿车被动安全性设计中的另一个重要内容是人体在碰撞过程中的运动特性模拟，只有精确地描述人体在碰撞过程中的运动特性，才能得到人体受伤害的情况。本文对人体碰撞建模的国内外研究成果进行介绍。捉山建立多柔体人体模型。柔体动力学是力学研究的前沿课题，对于航空、机械都有重大的意义。动力刚化现象是柔体动力学研究的热点。至今仍然有多种解释。而且，近年来研究者发现柔体大范围运动还包括动力柔化现象。本文探讨了吉布斯-阿沛尔方程的优点，采用吉布斯-阿沛尔方程建立了简化柔性梁模型。研究了同时包括平动和转动在内的完全大范围运动。指出各种对于动力刚化的解秆具有一定的统一性。指出大范围平动是产生动力柔化的原因。推导了连续体梁完全大范围运动的控制方程，得出其稳定的条件，并将其应用到研究内悬臂梁的动力特性，首次得山匀速转动内悬臂梁的稳定性与内转半径和外转半径的比值有关。提山有限弧元用来解决火挠度问题，并将其应刚到多柔性梁大范围运动建模中。为解决梁的大挠度动静力问题提供了新的途径。吉布斯-阿沛尔方程具有形式简单，建模方便的特点。本文中推导了吉布斯-阿沛尔方程的两种矩阵形式。分别应用到多刚体利柔体的人体建模。柔体模型利刚体模型的对比表明，二者存在明显的差异。柔性人体的建模工作为碰撞过程中的多体人体模型的建模提供了新的途径。本文的研究结果表明，轿车耐撞性具有其自身的力学特点，车身吸能结构的形式和特性有待进一步研究。弹簧质量块模型能够在轿车碰撞过程分析中有更广泛的应用前景。柔体动力学为多体人体建模提供了新的建模途径。吉布斯-阿沛尔方程的矩阵形式简单，编程方便，可以在多体建模中得到更广泛的应用。关键词：轿车耐碰撞性设计方法多体动力学动力柔化动力刚化多体人体建模
作者：	李涛
专业：	固体力学
导师：	洪善桃;黄锡朋
授予学位：	博士
授予学位单位：	同济大学
学位年度：	2000
正文语种：	中文