汽車碰撞模擬實(shí)驗(yàn)臺設(shè)計(jì)

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車禍帶給人引人注目的悲劇，已經(jīng)成為嚴(yán)重的社會問題，危及人民和他們的財產(chǎn)，特別是像中國這樣飛速發(fā)展的發(fā)展中國家。這些年由于民事訴訟案件的增加，車輛碰撞分析和事故重建已變得日益流行。車輛撞車事故重建的最關(guān)鍵因素是恢復(fù)車輛碰撞前的速度。汽車碰撞事故的整個過程可分為3個階段：（1）碰撞前的影響汽車出發(fā)點(diǎn)的重建的依據(jù)是從事故現(xiàn)場獲得。（2）碰撞時的影響汽車的速度、方向、位置等等因素的影響起決定性作用。（3）碰撞后的影響速度和軌跡（通常未知）起關(guān)鍵作用。事故分析的主要線索是通過車輛碰撞后的狀態(tài)來推測碰撞前的位置。然后通過收集、記錄、調(diào)查與分析事故現(xiàn)場。有很多方法來評估車輛的速度，評估速度通常用以下的一種或更多的方面入手：（1）動力/能量分析（2）傷害/能量分析（3）離心力分析（4）起動，翻倒或飛躍的分析（5）幾何和時序分析（6）事件數(shù)據(jù)記錄儀常用的事故再現(xiàn)方法在實(shí)際應(yīng)用方面存在著一定的局限性，另一方面，動量/能量這個分析方法需要清晰地剎車痕跡或事故中其他車輛的位置，但是現(xiàn)在由于ABS系統(tǒng)剎車痕跡很弱或根本不存在了。變形/能量分析方法重建事故主要從車體的變形角度考慮。另一個方法只能應(yīng)用在特殊的交通事故中。由于交通事故種類多樣，復(fù)雜，瞬時性，對事故手動定量分析的精度相當(dāng)?shù)牡?。對于交通事故，找出碰撞前的速度和軌跡是主要目標(biāo)。在車輛碰撞事故中車輛的彈性變形和其他碰撞物體是重要的信息，然而，考慮到變形這個因素，用計(jì)算機(jī)仿真模型重建交通事故很少。由于仿真技術(shù)的發(fā)展，變形可以通過有限元法被充分利用，這樣對重建交通事故起到重要的作用。清晰地有限元法不僅能得到高速下的材料應(yīng)變率，而且使用很小的積分時間元同樣可以弄清塑料的彈性特征。因此，在研究重建汽車事故中使用有限元分析法可以取得一個很高的計(jì)算精度。此外，對結(jié)果的有效描述，通過使用有限元法后期加工軟件和對主要能量吸收部分變形現(xiàn)象的直接觀察可以得到三維動畫，同樣可以用于多種類型的事故，如擋泥板和前面的縱向梁。這不能通過其他事故重建程序完成。目前，有限元法廣泛應(yīng)用于車輛模擬碰撞，可惜的是FEM重來就沒對事故重建很好的運(yùn)用有限元法，因?yàn)槟切枰芏嗟哪M碰撞次數(shù)，也將花費(fèi)大量的時間。因此，這是一篇關(guān)于使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和有限元方法發(fā)展重建事故技術(shù)的論文，在當(dāng)前的方法中，模擬汽車碰撞事故采用LSDYNA非線性有限元法。在碰撞事故數(shù)字信息的基礎(chǔ)上，一個三層正反饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于生成一個初始碰撞參數(shù)與變形指數(shù)E的近似函數(shù)。E的近似函數(shù)是遺傳算法約束下的最大速度和角度，本程序適用于一個典型的交通事故：縱向梁和擋泥板上要點(diǎn)的變形可以用來進(jìn)行測量仿真結(jié)果。這些結(jié)果可通過BP學(xué)習(xí)規(guī)則用于培養(yǎng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)，預(yù)先碰撞速度可以通過訓(xùn)練過的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)獲得，那為事故判斷提供了科學(xué)依據(jù)。2.非線性有限元方法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)2.1非線性有限元法的碰撞模擬由于整體的某點(diǎn)，通過解決動量方程可以找到變形的時間現(xiàn)象。顯示不了，所有公式再往右縮進(jìn)2字符！ 式（1）式中，是柯西壓力,是電流密度,f是體積力密度、是加速度。式（1)滿足牽引力的邊界條件： 式（2）在邊界上，位移邊界條件是： 式（3） 在的邊界上，連續(xù)中斷 式（4）沿著的邊界上當(dāng)時 ，能量方程： 式（5） 式中，V是相對體積，和代表偏應(yīng)力和壓力 式（6） 式（7）式中，是體積粘性，是張量積，如果i=j,=1,否則=0.是張應(yīng)力已知 式（8）式中， 滿足所有邊界要求，這個綜合結(jié)束通用幾何學(xué)，通過使用分歧理論，它引出一個虛擬工作原理。 式（9）這個結(jié)構(gòu)和成分可以通過很多原理模仿，形狀函數(shù)方面的拉格朗日原理代表了幾何元素，裝配后，基本的質(zhì)量集中在節(jié)點(diǎn)。然而,模擬碰撞有限元模型包含大量的要素，詳細(xì)差分法的時間元是少的，計(jì)算的時間是相當(dāng)?shù)拈L。2.2 利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為全球性的近似工具被廣泛使用，因?yàn)樵谶^去經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上它有能力去處理和繪制外部數(shù)據(jù)和信息。在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，傳輸和處理的輸入數(shù)據(jù)被分配到一個簡單的計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中的單位叫做神經(jīng)元。當(dāng)加權(quán)和的投入超過活化價值時，每個神經(jīng)元返回一個輸出信號。輸出值通過定義一個轉(zhuǎn)移功能可以計(jì)算出，也稱為激活功能。在這項(xiàng)研究中一個正反饋多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)被使用，該網(wǎng)絡(luò)由第一層神經(jīng)元，一個或多個隱藏層和輸出層組成。圖1作為補(bǔ)充。圖1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)第一層叫做輸入層，收到外部輸入信號轉(zhuǎn)移到隱藏層。這個信號由隱藏層到輸出層被改進(jìn)、加權(quán)和重新分配。電流神經(jīng)元的KTH層的輸出信號可以計(jì)算出來： 式（10）式中，是地方傳遞函數(shù)考慮層，一個C形功能是用作神經(jīng)元的隱藏層，這個功能可以寫成： 式（11）神經(jīng)元的輸出層使用一個線性傳遞函數(shù) ： 式（12）式中，fi是ki 神經(jīng)元的激活信號，激活價值計(jì)算為： 式（13） 在學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的過程中涉及到很多的實(shí)例，訓(xùn)練集以輸入輸出為已知的一種經(jīng)驗(yàn)，連接重量和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的價值偏差改變了，所以最小化了已知和計(jì)算的輸出中的偏差。利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)法則，其中已知和計(jì)算的輸出均方根是最小化得。訓(xùn)練的過程是執(zhí)行L-M算法，這個算法最初是為最小二乘方設(shè)計(jì)的，其中目標(biāo)函數(shù)被定義為平方的概括，像這樣的目標(biāo)函數(shù)正在研究。一個批處理模式用于完成訓(xùn)練過程，每個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)單一的平方誤差的輸出被規(guī)定為平方根誤差的概括，由每個案例的訓(xùn)練的到。事實(shí)上，考慮到N對輸入輸出的訓(xùn)練區(qū)，最小化誤差被定義為RMS 式（14）為了提高學(xué)習(xí)階段的速度和效率，輸入和輸出數(shù)據(jù)被定標(biāo)，于此，利用方程輸入數(shù)據(jù)被標(biāo)的為0和1之間的線性攀升。 式（15）式中，X是設(shè)計(jì)變量矢量的刻度值，Xmax和Xmin是各自設(shè)計(jì)領(lǐng)域的最大和最小值。當(dāng)輸出值主要和變形有關(guān)的時候，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入值的選擇描述了考慮結(jié)構(gòu)的速度和角度。3. 有限元法的事故重建和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)根據(jù)碰撞事故的特征指標(biāo)，給予事故評估的目錄，X1，X2， . .,Xn，在碰撞中主要部件的崩潰體現(xiàn)了變形的關(guān)鍵。這個關(guān)鍵點(diǎn)是圓孔和螺栓孔的選擇，這樣很容易找到。中心圓孔的變形能通過孔上3分圓的變形測量，螺栓孔的變形可以通過在那的3坐標(biāo)節(jié)點(diǎn)的信息測量。從調(diào)查事故現(xiàn)場使用這些指標(biāo)的測量值，x1e,x2e, . . .，xne，這些指標(biāo)的計(jì)算從電腦模擬:x1c,x2c, . . .,xnc,指數(shù)E反應(yīng)了事故重建的難易度。 式（16）如何取指數(shù)E的最大值是重復(fù)電腦模擬的過程，在短時間內(nèi)，計(jì)算機(jī)仿真和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模相結(jié)合的方法是事故重建的一種技術(shù)改造。有限元分析往往為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)培訓(xùn)和測試產(chǎn)生例子，并使用商務(wù)條列LS-DYNA。訓(xùn)練過的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠繪制清變量間的關(guān)系，也就是汽車的初速度和角度，目標(biāo)函數(shù)也就是指數(shù)E。解決訓(xùn)練模式的執(zhí)行是通過design-of-experiment這個技術(shù)，這為了得到均勻分配內(nèi)部領(lǐng)域，最大的指數(shù)E是利用訓(xùn)練過的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測的遺傳算法取得，如圖2所示：圖2 事故重建流程圖4.交通事故實(shí)例應(yīng)用4.1事故現(xiàn)場有限元模型建立 采用有限元法及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對一例真實(shí)汽車事故進(jìn)行了再現(xiàn)分析，該事故發(fā)生在2001年12月海南試車場，如圖3所示。圖3 事故現(xiàn)場的圖片針對本次事故的特點(diǎn)，選擇前縱梁和擋泥板作為變形量測量對象 用三坐標(biāo)測量儀測量了車身變形，首先在車身后部未發(fā)生變形的部位建立車身坐標(biāo)系選擇前縱粱上的7個螺栓定位點(diǎn) 及擋泥板上4個圓孔的圓心作為關(guān)鍵點(diǎn)用三坐標(biāo)測量儀測量了其坐標(biāo)，因?yàn)檫@2個主要能量吸收部分幾乎不受到粗糙表面的影響，他們應(yīng)該比前面更可靠：圖4是攝影測量變形的關(guān)鍵點(diǎn)，圖5是擋泥板和縱前梁的關(guān)鍵點(diǎn)。圖4 關(guān)鍵點(diǎn)變髟量刪量現(xiàn)場照片 圖5 擋泥板和縱前梁的關(guān)鍵點(diǎn)4.2 有限元建模車輛模型是先拆卸和組成幾大類：框架、前面的內(nèi)部、機(jī)艙、門、等。利用UG和catia軟件獲得三維幾何數(shù)據(jù)的每個組成部分。接下來，為了嚙合與模型裝配這些文件輸入到Hypermesh軟件。最后，這個模型是翻譯LS-DYNA輸入文件。眾所周知，這個系統(tǒng)地總體結(jié)構(gòu)式由通過關(guān)節(jié)連接的130個部分組成（包括點(diǎn)焊機(jī)、電弧焊接、螺栓鉚連接,連接和膠粘劑粘）。許多不同類型的元素是用來描述幾何形狀，連接特性等。當(dāng)某些特定條件得到滿足時，包括不合格的殼單元，橫梁單元，桿單元，六面體單元，彈簧單元，剛性單元，特定焊接單元一個模擬正面碰撞中占有者的動態(tài)行為的三維虛擬模型被建立，模型的所有部分使用球面和轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)連接，該數(shù)據(jù)模型根據(jù)CMVDR294對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的方法被驗(yàn)證（中國汽車設(shè)計(jì)準(zhǔn)則），圖6是比較實(shí)驗(yàn)和數(shù)值間加速-時間曲線。圖6 測試結(jié)果和仿真結(jié)果加速度曲線在這個模擬中，引擎的變形不被考慮，但被當(dāng)做一個剛性的部分，門使用鉸鏈和門鎖連接到車身，根據(jù)交通事故現(xiàn)場的照片，整個模型也包含墻的有限元模型 圖7是商業(yè)車輛和墻的有限元模型，圖8是擋泥板和前縱向梁的有限元模型。 圖7 墻和商用車輛的有限元模型 圖8 擋泥板和縱向梁的有限元模型4.3 事故重建縱向梁和擋泥板的變形測量值都列在表1。把商用車輛的速度和方向作為設(shè)計(jì)變量，把上界和下界設(shè)計(jì)變量限制在表1 變形的要點(diǎn)表2所示：每個實(shí)際變量的六設(shè)計(jì)水平有各種相同的間隔。表2 設(shè)計(jì)變量和設(shè)計(jì)水平在設(shè)計(jì)區(qū)域中訓(xùn)練區(qū)總共由36個要點(diǎn)構(gòu)成，測試區(qū)由設(shè)計(jì)領(lǐng)域內(nèi)隨機(jī)挑選的4個要點(diǎn)構(gòu)成，平均CPU時間為一個單一的有限元分析約八小時的onyx3800使用4個cpu SGI系統(tǒng)并行計(jì)算機(jī)。要點(diǎn)11的變形數(shù)據(jù)和指數(shù)E是為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出值的每個模擬仿真設(shè)計(jì)的，培訓(xùn)參數(shù)主要包括學(xué)習(xí)速率和動力常數(shù)。如圖9所示圖9 訓(xùn)練過的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)從表3,可以發(fā)現(xiàn),神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能映射關(guān)系初始墜毀的參數(shù)與變形指標(biāo)的準(zhǔn)確的方式，指數(shù)E的最大值利用訓(xùn)練過的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的遺傳算法獲得的，圖10顯示仿真結(jié)果，可以這樣說，真正事故中的速度和角度和模擬中的十分吻合。表3 有限元法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)得到的指數(shù)E圖10 16度和51km/h條件下的仿真結(jié)果4.4 結(jié)果確認(rèn) 由于事故現(xiàn)場中輪胎的清晰痕跡（圖3a顯示）我們可以得到模型的標(biāo)志，利用數(shù)字技術(shù)解決了帕方程得到了對象點(diǎn)集（見圖11）。所以墻和車輛運(yùn)動方向間的角度能夠從這個模型中測量，結(jié)果是16.89度。然后這個模型會輸入到PC-CRASH中，車輛撞墻前的速度能被計(jì)算出事49.3km/h。PC-Crash包含了幾種不同的計(jì)算模型,包括一個脈沖動量模型，一個剛度沖擊模型，一個模擬軌道動力模型，和一種簡單的動力學(xué)模型。為了最大多功能化，PC-Crash模擬結(jié)果能在平面和立體圖，三維透視圖和大量的圖表和表格中獲得。PC-Crash的仿真結(jié)果非常接近有限元方法，但是這個軟件不能利用車輛變形的信息，和它完全依賴輪胎的痕跡。眾所周知，現(xiàn)在很多車輛安裝ABS防抱死系統(tǒng)使得車輛很難獲得清晰地剎車痕，此外，天氣和人都很容易損壞剎車痕，有限元方法通過車輛變形解決了速度和角度，并不需要任何外部條件，如剎車痕等。因此，有限元方法可以得到更可靠的結(jié)果。圖11 事故現(xiàn)場的三維重建5. 總結(jié)本文提供了結(jié)合有限元分析和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來重建碰撞事故的一種新的技術(shù)，利用有限元模擬充分考慮彈性變形和應(yīng)變速率的研究結(jié)果更準(zhǔn)確。利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，最初的碰撞參數(shù)和關(guān)鍵點(diǎn)的變形之間的關(guān)系能正確的繪制出，因此它降低了有限元模擬的周期。為了驗(yàn)證，程序用于一個典型的交通事故。利用訓(xùn)練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)仿真的碰撞前速度和角度和真正的意外相一致，可以為事故的判斷提供一種科學(xué)的依據(jù)。附件2：外文原文（復(fù)印件） 南京理工大學(xué)紫金學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書系：機(jī)械工程系專 業(yè)：機(jī)械工程及自動化學(xué) 生 姓 名：方勇學(xué) 號：060104243設(shè)計(jì)(論文)題目：汽車碰撞模擬試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)起 迄 日 期:2010年2月24日 6月5日設(shè)計(jì)(論文)地點(diǎn):南京理工大學(xué)紫金學(xué)院指 導(dǎo) 教 師:肖 猛專業(yè)負(fù)責(zé)人:發(fā)任務(wù)書日期: 2010年 2 月 23 日任務(wù)書填寫要求1畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書由指導(dǎo)教師根據(jù)各課題的具體情況填寫，經(jīng)學(xué)生所在專業(yè)的負(fù)責(zé)人審查、系領(lǐng)導(dǎo)簽字后生效。此任務(wù)書應(yīng)在畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開始前一周內(nèi)填好并發(fā)給學(xué)生；2任務(wù)書內(nèi)容必須用黑墨水筆工整書寫或按教務(wù)處統(tǒng)一設(shè)計(jì)的電子文檔標(biāo)準(zhǔn)格式（可從教務(wù)處網(wǎng)頁上下載）打印，不得隨便涂改或潦草書寫，禁止打印在其它紙上后剪貼；3任務(wù)書內(nèi)填寫的內(nèi)容，必須和學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）完成的情況相一致，若有變更，應(yīng)當(dāng)經(jīng)過所在專業(yè)及系主管領(lǐng)導(dǎo)審批后方可重新填寫；4任務(wù)書內(nèi)有關(guān)“系”、“專業(yè)”等名稱的填寫，應(yīng)寫中文全稱，不能寫數(shù)字代碼。學(xué)生的“學(xué)號”要寫全號；5任務(wù)書內(nèi)“主要參考文獻(xiàn)”的填寫，應(yīng)按照國標(biāo)GB 77142005文后參考文獻(xiàn)著錄規(guī)則的要求書寫，不能有隨意性；6有關(guān)年月日等日期的填寫，應(yīng)當(dāng)按照國標(biāo)GB/T 74082005數(shù)據(jù)元和交換格式、信息交換、日期和時間表示法規(guī)定的要求，一律用阿拉伯?dāng)?shù)字書寫。如“2008年3月15日”或“2008-03-15”。畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）任 務(wù) 書1本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題應(yīng)達(dá)到的目的：通過畢業(yè)設(shè)計(jì)使學(xué)生初步了解汽車模擬碰撞試驗(yàn)的目的。實(shí)現(xiàn)模擬碰撞的手段與方法。能運(yùn)用所學(xué)知識初步進(jìn)行裝置設(shè)計(jì)，提高綜合運(yùn)用機(jī)、液一體化知識進(jìn)行設(shè)計(jì)、計(jì)算的能力。2本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題任務(wù)的內(nèi)容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)要求、工作要求等）：（1）設(shè)計(jì)撞擊小車重量：M480kg 5kg；小車撞擊速度：V48 0.5km/s；導(dǎo)軌長度：L25m。（2）設(shè)計(jì)緩沖器使撞擊后減速曲線符合ECE16標(biāo)準(zhǔn)，給出模擬碰撞曲線。（3）小車運(yùn)動動力源需保證每次撞擊速度一致，且結(jié)構(gòu)緊湊。小車和緩沖器強(qiáng)度需滿足要求。畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）任 務(wù) 書3對本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題成果的要求包括畢業(yè)設(shè)計(jì)論文、圖表、實(shí)物樣品等：（1）論文綜述；（2）英文文獻(xiàn)翻譯；（3）撞擊試驗(yàn)臺總圖一張，緩沖器總圖一張和相關(guān)零件圖若干；（4）畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書和有關(guān)計(jì)算程序。4主要參考文獻(xiàn)：1 上海市教育委員會.現(xiàn)代汽車安全技術(shù)M.上海：上海交通大學(xué)出版社，2006.2 鐘志華等.汽車碰撞安全技術(shù)M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.3 夏長高，曾發(fā)林，丁華.汽車安全檢測技術(shù)M.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.4 王瑄，劉曉君，朱西產(chǎn).我國安全帶動態(tài)性能試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中滑車碰撞車速的探討J. 汽車工程，1998（1）：10-16.5 劉君，王瑄.安全帶動態(tài)性能試驗(yàn)方法研究J.汽車技術(shù)，1998（9）：16-20，27.6 曹玉平，閻祥安.液壓傳動與控制M.天津：天津大學(xué)出版社，2003.7 楊培元，朱福元. 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡明手冊M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.8王瑄，陳弘，董麗莉，趙航. CATARC汽車模擬碰撞試驗(yàn)系統(tǒng)的研究J.汽車技術(shù)，1996（10）：28-32.9劉學(xué)術(shù)，宋振寰，于長吉.汽車碰撞基本規(guī)律研究J.汽車技術(shù)，2004（3）：22-25.畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）任 務(wù) 書5本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題工作進(jìn)度計(jì)劃：起 迄 日 期工 作 內(nèi) 容 2010年 2月16日 2月23日2月24日 3月19日3月20日 3月25日3月26日 4月30日5月 1日 5月7日5月8日 5月25日6月1日 6月5日下發(fā)任務(wù)書，布置外文翻譯調(diào)研，查文獻(xiàn)，撰寫開題報告，完成外文資料翻譯檢查開題報告，外文翻譯系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)計(jì)算分析與繪圖畢業(yè)設(shè)計(jì)中期檢查完成畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書的撰寫，申請優(yōu)秀畢業(yè)論文優(yōu)秀論文答辯答辯所在專業(yè)審查意見：負(fù)責(zé)人： 年 月 日系意見：系領(lǐng)導(dǎo)： 年 月 日 南 京 理 工 大 學(xué) 紫 金 學(xué) 院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)開題報告學(xué) 生 姓 名：方勇學(xué) 號：060104243專 業(yè)：機(jī)械工程及自動化設(shè)計(jì)(論文)題目：汽車碰撞模擬試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)指 導(dǎo) 教 師:肖 猛2010年3月19日開題報告填寫要求1開題報告（含“文獻(xiàn)綜述”）作為畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯委員會對學(xué)生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。此報告應(yīng)在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下，由學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）工作前期內(nèi)完成，經(jīng)指導(dǎo)教師簽署意見及所在專業(yè)審查后生效；2開題報告內(nèi)容必須用黑墨水筆工整書寫或按教務(wù)處統(tǒng)一設(shè)計(jì)的電子文檔標(biāo)準(zhǔn)格式（可從教務(wù)處網(wǎng)頁上下載）打印，禁止打印在其它紙上后剪貼，完成后應(yīng)及時交給指導(dǎo)教師簽署意見；3“文獻(xiàn)綜述”應(yīng)按論文的格式成文，并直接書寫（或打?。┰诒鹃_題報告第一欄目內(nèi)，學(xué)生寫文獻(xiàn)綜述的參考文獻(xiàn)應(yīng)不少于15篇（不包括辭典、手冊）；4有關(guān)年月日等日期的填寫，應(yīng)當(dāng)按照國標(biāo)GB/T 74082005數(shù)據(jù)元和交換格式、信息交換、日期和時間表示法規(guī)定的要求，一律用阿拉伯?dāng)?shù)字書寫。如“2007年3月15日”或“2007-03-15”。 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）開 題 報 告1結(jié)合畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題情況，根據(jù)所查閱的文獻(xiàn)資料，每人撰寫2000字左右的文獻(xiàn)綜述：文 獻(xiàn) 綜 述1研究背景隨著科技的進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、人民生活水平的不斷提高，汽車己經(jīng)成為人們學(xué)習(xí)、工作、生活中不可缺少的代步工具，對人們的生活、生產(chǎn)產(chǎn)生了深刻的影響。作為一種便捷的現(xiàn)代化交通工具，汽車在給人們帶來極大便利的同時，也因其造成的交通事故給人類的生命和財產(chǎn)安全帶來了嚴(yán)重威脅。隨著全球汽車保有量的不斷增加，交通事故也隨之增加，交通事故己經(jīng)成為全球范圍內(nèi)的一大社會問題。這是一組讓人膛目結(jié)舌的數(shù)字。美國的汽車保有量為1.3億輛，每年道路交通死亡4萬人左右；日本的汽車保有量近8000萬輛，每年道路交通死亡1.1萬人，去年降到8000人。中國的汽車保有量是3000萬輛，每年道路交通死亡近11萬人，單車事故率相當(dāng)于美國的近13倍，日本的近40倍1。除去交通狀況等客觀因素，一個不可回避的原因就是中國汽車安全系數(shù)低，我國交通事故的嚴(yán)重程度由此可想而知。隨著我國道路交通狀況的不斷改善，我國汽車的保有量不斷增加，車速也逐漸提高，交通事故總量和所造成的人員傷亡與財產(chǎn)損失近年來也呈上升趨勢。加強(qiáng)道路交通系統(tǒng)和汽車安全的研究，預(yù)防交通事故，是需要全社會共同關(guān)注和迫切改善的重要課題2。汽車安全性問題與汽車的各種性能等直接或間接有關(guān)，對其研究最初是與提高汽車的整車性能的研究交織在一起的。隨著二戰(zhàn)后汽車工業(yè)的持續(xù)發(fā)展，到60年代中期，西方發(fā)達(dá)國家中汽車的保有量和汽車的動力性能有了明顯的提高，公路上的車流密度和車流速度己達(dá)到了一個空前高的水平，汽車事故發(fā)生率空前高漲，汽車安全性受到了公眾和政府部門的高度重視。從這一時期開始，各國相繼制定或修訂了安全法規(guī)，如美國的汽車安全標(biāo)準(zhǔn)FMVSS等3。在這些法規(guī)的制約下，以及為了提高汽車產(chǎn)品的競爭力，各大汽車制造商和一些研究機(jī)構(gòu)開展了汽車安全性的專門研究。汽車安全性研究逐漸從汽車技術(shù)研究的其他領(lǐng)域分離出來形成了一個獨(dú)立的分支。2汽車安全性的種類汽車安全性可劃分為主動安全性和被動安全性5。被動安全性是指汽車發(fā)生不可避免的交通事故后，能夠?qū)噧?nèi)乘員或車外行人進(jìn)行保護(hù)，以免發(fā)生傷害或使傷害減低到最低程度的性能。目前，汽車被動安全性研究內(nèi)容包括車身結(jié)構(gòu)抗撞性研究、碰撞生物力學(xué)研究以及乘員約束系統(tǒng)及安全駕駛室內(nèi)飾組件的開發(fā)研究這三個方面。汽車被動安全性研究方法包括試驗(yàn)研究和計(jì)算機(jī)仿真研究兩種6。汽車被動安全性的研究最早通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行，內(nèi)容包括臺架沖擊試驗(yàn)、臺車碰撞模擬試驗(yàn)和實(shí)車碰撞試驗(yàn)。實(shí)車碰撞試驗(yàn)主要用來對己開發(fā)出的成品車型進(jìn)行按法規(guī)(如美國FMVSS汽車安全標(biāo)準(zhǔn))要求的試驗(yàn)，以鑒定其是否達(dá)到法規(guī)要求。涉及整車結(jié)構(gòu)的相關(guān)FMVSS安全標(biāo)準(zhǔn)都要求進(jìn)行時速為48km/h的實(shí)車與固定障壁的前碰實(shí)驗(yàn)。前面固定障礙物的沖擊代表最嚴(yán)重的汽車碰撞類型。適合于該碰撞試驗(yàn)的固定障礙物通常由至少3m寬、1.5m高、0.6m厚的鋼筋混凝土制成。在障礙物后面堆有大約90.000噸夯實(shí)的砂土或其等價物。障礙物平面垂直于汽車最后趨近路線，且表面鋪有19mm厚的層壓板。采用道軌來控制試驗(yàn)汽車的方向，整個車輛的加速度可借安置于車地板或大梁或靠近車門中柱的車身門檻處的加速度儀來測量。我國的碰撞試驗(yàn)使用的是剛性的水泥墻，其上覆蓋的20cm的木板并不存在變形吸能的作用，只是為了保護(hù)儀器，反而是歐洲的重疊碰撞試驗(yàn)中測試車輛并不是直接撞向剛性墻壁，而是與一個蜂窩結(jié)構(gòu)的吸能塊發(fā)生重疊碰撞，用這個吸能塊來模仿對面來車。汽車主動安全對策主要涉及汽車的制動性、動力性、操縱穩(wěn)定性、駕駛舒適性、信息性等方面。包括防抱死制動系統(tǒng)(ABS)、驅(qū)動防滑系統(tǒng)(ASR)、橫擺控制系統(tǒng)、車距報警系統(tǒng)、駕駛輔助預(yù)警系統(tǒng)、安全導(dǎo)航系統(tǒng)后視鏡、高位制動燈等汽車主動安全裝置7。3汽車模擬碰撞的研究（1）國外汽車碰撞模擬研究與發(fā)展?fàn)顩r對汽車碰撞的研究，國外起步較早。較早開展汽車碰撞研究的是美國。早期汽車碰撞研究主要是進(jìn)行各種條件下的碰撞試驗(yàn)，包括實(shí)車試驗(yàn)和模擬試驗(yàn)，如前所述。國外 汽 車碰撞模擬最早出現(xiàn)在60年代末期，由于當(dāng)時受計(jì)算機(jī)硬件水平的限制，一輛車僅包含幾十個節(jié)點(diǎn)，單元類型也局限于梁單元，當(dāng)時的碰撞模擬主要是對實(shí)車碰撞實(shí)驗(yàn)的預(yù)測。80年代由于Cray等巨型機(jī)的出現(xiàn)和顯式積分理論的成熟，人們開始研究對整車的耐撞有限元分析，汽車單元數(shù)量發(fā)展到幾千個，同時開發(fā)出了與汽車結(jié)構(gòu)相對應(yīng)的薄壁單元。進(jìn)入90年代以來，由于汽車碰撞的商業(yè)化軟件不斷完善，單元數(shù)量也擴(kuò)大到幾萬個甚至幾十萬個，汽車碰撞模擬結(jié)果越來越接近于實(shí)際。由于計(jì)算機(jī)開始廣泛采用了并行技術(shù)，使得運(yùn)算時間大大減少，甚至現(xiàn)在普通的個人計(jì)算機(jī)也可以進(jìn)行碰撞仿真分析。目前在汽車發(fā)達(dá)國家汽車碰撞模擬研究已經(jīng)達(dá)到相當(dāng)成熟的地步，開發(fā)出了許多成熟的用于碰撞模擬的成熟商業(yè)軟件包，已經(jīng)部分取代實(shí)驗(yàn)室的工作。（2） 國外開展汽車碰撞模擬研究的方向國外開展的汽車碰撞計(jì)算機(jī)模擬研究主要包括事故再(ACCIDENTRECONSTRUCTION),碰撞受害者模擬(CRASH VICTIM SIMULATION)、汽車結(jié)構(gòu)抗撞性模擬(SIMULATION OF AUTOMOBILES CRASHWORTHI-NESS)三個方向9-12。事故再現(xiàn)研究的內(nèi)容是，在汽車事故發(fā)生后，由汽車的最終位置開始，運(yùn)用按經(jīng)驗(yàn)建立的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)模型往回推算，即反向經(jīng)由碰撞后階段一碰撞階段一碰撞前階段，使事故的情況在時間和空間上得以重現(xiàn)。汽車 碰 撞 受害者模擬的研究工作開始于60年代中期，使用的動力學(xué)分析模型是多剛體系統(tǒng)模型和生物力學(xué)分析模型，分別用來模擬人體整體動力學(xué)響應(yīng)和人體局部結(jié)構(gòu)傷害程度。汽車 結(jié) 構(gòu) 抗撞性模擬的動力學(xué)分析模型是非線性大變形有限元模型。有限元模型的優(yōu)點(diǎn)在于能真實(shí)地描述結(jié)構(gòu)變形，適用于建立汽車結(jié)構(gòu)模型及人體局部結(jié)構(gòu)的生物力學(xué)分析模型。（3） 國內(nèi)汽車碰撞模擬研究狀況我國對汽車被動安全性進(jìn)行系統(tǒng)研究是從上個世紀(jì)80年代后期開始的，汽車碰撞研究工作也開始于這一時期，取得了可喜的成績。1989年，吉林工業(yè)大學(xué)和西安公路交通大學(xué)分別建立了“剛體+彈塑性彈簧”數(shù)學(xué)東北大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論模型和“剛體+彈簧阻尼”數(shù)學(xué)模型13。后者還做了模型碰撞試驗(yàn)，驗(yàn)證其理論模型。次年，吉林工業(yè)大學(xué)李卓森教授和李洪國教授就計(jì)算機(jī)模擬中所需的汽車碰撞剛度和汽車正面碰撞方程式等方面進(jìn)行了探討。1996年清華大學(xué)的黃世霖、王春雨等人應(yīng)用DYNA3D研究了車架結(jié)構(gòu)的耐撞性能并在此研究基礎(chǔ)上對車架結(jié)構(gòu)提出了改進(jìn)措施。從2000年開始，我國一直實(shí)施汽車正面碰撞法規(guī)，即是100%正面全接觸碰撞試驗(yàn)。2003年，我國己經(jīng)制定GB 11551汽車正碰國家標(biāo)準(zhǔn)。而事實(shí)上，在道路交通事故中，由于側(cè)面碰撞造成的傷亡事故也占有相當(dāng)比例，約有20%。在清華大學(xué)汽車碰撞試驗(yàn)室和中國汽車技術(shù)研究中心碰撞試驗(yàn)室進(jìn)行了大量的碰撞試驗(yàn)，才最終確定了我國汽車側(cè)碰國家標(biāo)準(zhǔn)(送審稿)的內(nèi)容，并計(jì)劃于2006年7月1日起正式實(shí)施14-16。4.個人感想 汽車碰撞試驗(yàn)是汽車碰撞安全性研究中最準(zhǔn)確可靠的方法，所開發(fā)汽車的碰撞安全性最終都得通過實(shí)車碰撞試驗(yàn)來檢驗(yàn)。但此類試驗(yàn)是汽車開發(fā)中一種昂貴的“試錯”過程，所需開發(fā)時間長，開發(fā)成本高。因此，尋求通過對汽車碰撞進(jìn)行模擬計(jì)算來部分地取代與改進(jìn)汽車碰撞試驗(yàn)工作，已成為汽車碰撞安全性研究中的一種必然趨勢。通過模擬計(jì)算來分析汽車的碰撞性能，可以為汽車設(shè)計(jì)或改進(jìn)工作提供一些基本規(guī)律和指導(dǎo)方向，減少試驗(yàn)次數(shù)，避免大量嘗試性的工作，這樣既能節(jié)約開發(fā)成本，又可縮短開發(fā)時間。在我國當(dāng)前財力物力有限，相關(guān)的試驗(yàn)條件還不充分具備的條件下，應(yīng)用有限元模擬計(jì)算的方法來研究汽車的側(cè)面碰撞安全性，就更加具有現(xiàn)實(shí)意義。 參考文獻(xiàn)1 上海市教育委員會.現(xiàn)代汽車安全技術(shù)M.上海：上海交通大學(xué)出版社，2006.2 鐘志華等.汽車碰撞安全技術(shù)M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.3 夏長高，曾發(fā)林，丁華.汽車安全檢測技術(shù)M.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.4 王瑄，劉曉君，朱西產(chǎn).我國安全帶動態(tài)性能試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中滑車碰撞車速的探討J. 汽車工程，1998（1）：10-16.5 劉君，王瑄.安全帶動態(tài)性能試驗(yàn)方法研究J.汽車技術(shù)，1998（9）：16-20，27.6 曹玉平，閻祥安.液壓傳動與控制M.天津：天津大學(xué)出版社，2003.7 王瑄，陳弘，董麗莉，趙航. CATARC汽車模擬碰撞試驗(yàn)系統(tǒng)的研究J.汽車技術(shù)，1996（10）：28-32.8 楊培元，朱福元. 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡明手冊M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.9 劉學(xué)術(shù)，宋振寰，于長吉.汽車碰撞基本規(guī)律研究J.汽車技術(shù)，2004（3）：22-25.10 開文果，金先龍，張曉云等.汽車碰撞有限元仿真的并行計(jì)算及其性能研究 J.系統(tǒng)仿真學(xué)報，2004,16(11):2428-2431.11 黃世霖，張金換，王曉東等.汽車碰撞與安全M，北京:清華大學(xué)出版社，2000.12 梁宏毅，關(guān)喬，陳建偉解析中國汽車正面碰撞試驗(yàn)法規(guī)J，世界汽車，2001.13 朱西產(chǎn).實(shí)車碰撞試驗(yàn)法規(guī)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢J.汽車技術(shù)，2001,4:5-10.14 胡少良.我國汽車碰撞安全性研究的現(xiàn)狀J.天津汽車,1995,8(3):33-35.15 郭應(yīng)時，吳曉武.汽車非對稱正面碰撞過程模擬J.西安公路交通大學(xué)學(xué)報，1999,19(2):80-105.16 張覺慧，譚敦松，高衛(wèi)民等.汽車碰撞的有限元法及車門的抗撞性研究J.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報，1997,25(4):450-454. 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）開 題 報 告本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段（途徑）：研究問題：本課題主要研究的是設(shè)計(jì)一個軌道，一個撞擊試驗(yàn)臺，緩沖器和相關(guān)零件，設(shè)計(jì)緩沖器使撞擊后減速曲線符合ECE16標(biāo)準(zhǔn)，給出模擬碰撞曲線。小車和緩沖器強(qiáng)度需滿足要求。研究手段：（1）采用液壓式緩沖器，設(shè)計(jì)緩沖器結(jié)構(gòu)；（2）設(shè)計(jì)模擬碰撞試驗(yàn)臺的其他部件；（2）通過CAD繪圖軟件繪制結(jié)構(gòu)圖。 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）開 題 報 告指導(dǎo)教師意見：1對“文獻(xiàn)綜述”的評語：“文獻(xiàn)綜述”以交通事故的嚴(yán)重性作為課題研究的背景，簡述了汽車檢測與安全的重要性，闡述了國內(nèi)外對汽車碰撞的研究和發(fā)展情況，最后結(jié)合課題內(nèi)容提出了自己的看法。論述與課題研究內(nèi)容和主題結(jié)合緊密，敘述清楚，有一定的綜合能力，表明該同學(xué)對課題相關(guān)研究內(nèi)容已有一定的理解。2對本課題的深度、廣度及工作量的意見和對設(shè)計(jì)（論文）結(jié)果的預(yù)測：本課題是關(guān)于汽車碰撞模擬試驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)，涉及面較寬，深度和廣度適中，工作量適中，需要學(xué)生靈活應(yīng)用所學(xué)的理論知識，應(yīng)該能夠達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。 指導(dǎo)教師： 年 月 日所在專業(yè)審查意見： 負(fù)責(zé)人： 年 月 日 南京理工大學(xué)紫金學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書(論文)作 者:方勇學(xué) 號：060104243系：機(jī)械工程專 業(yè):機(jī)械工程及自動化題 目:汽車碰撞模擬實(shí)驗(yàn)臺設(shè)計(jì)講師肖猛指導(dǎo)者： (姓 名) (專業(yè)技術(shù)職務(wù))評閱者： (姓 名) (專業(yè)技術(shù)職務(wù)) 2010年 5月畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）中文摘要 汽車模擬碰撞試驗(yàn)臺由基架、導(dǎo)軌、滑車、牽引裝置、液壓緩沖系統(tǒng)及碰撞壁組成。安裝在導(dǎo)軌上的滑車被牽引裝置拖動，拉伸彈性橡皮繩給滑車提供較大初始加速度，小車以48KM/h的速度碰撞緩沖器，緩沖器在一定的時間內(nèi)把小車的速度由48KM/h減到0。本文主要研究的對象是液壓緩沖器，該液壓緩沖器主要作用是將小車的碰撞加速度控制在ECER16標(biāo)準(zhǔn)曲線范圍內(nèi)。關(guān)鍵詞 模擬碰撞 試驗(yàn)臺 液壓緩沖器 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）外文摘要Title The Design of Vehicle Simulation Impact Test System Abstract：This simulation impact test bed of vehicle is composed of base mounting, guide rail, sheave block, draw gear, Hydraulic buffer system and Collisions wall. The sheave block mounted in guide rail is driven by draw gear, elastic rubber ropes as a kind of media is stretched to provide biggish initial acceleration, the sheave block collision the buffer with the speed 48km/h.The buffer reduced the speed of sheave block from 48km/h to 0 in a certain period of time. This paper mainly studies the object is hydraulic buffer, the buffers main effect is control the sheave blocks crash acceleration in ECER16 standard curve range.Keywords Simulation collision; test-bed; Hydraulic buffer 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 1 頁 共 1 頁目錄1 緒論11.1 課題來源與國內(nèi)外現(xiàn)狀11.1.1 研究背景11.1.2 汽車安全性的種類11.1.3 汽車模擬碰撞的研究21.1.4 本課題主要內(nèi)容32. 碰撞試驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和技術(shù)要求42.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和技術(shù)要求42.2 緩沖過程建模43. 碰撞試驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)和計(jì)算53.1 碰撞試驗(yàn)臺的總體設(shè)計(jì)53.2 導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和計(jì)算53.3 小車的選擇和設(shè)計(jì)及釋放機(jī)構(gòu)63.4 墻體的選擇73.5 傳動裝置74. 減速緩沖裝置的設(shè)計(jì)和計(jì)算94.1 減速緩沖器的種類94.2 吸能緩沖器94.3 多孔式液壓緩沖器114.4 圓槽減速緩沖器的設(shè)計(jì)計(jì)算144.4.1 液壓緩沖器的設(shè)計(jì)原理144.4.2 緩沖器的結(jié)果設(shè)計(jì)194.4.3 液壓緩沖器裝配圖214.4.4 駐退液224.4.5 緩沖裝置的運(yùn)動22結(jié) 論24致 謝25參 考 文 獻(xiàn)26附錄一 液壓缸體設(shè)計(jì)VB編程代碼28附錄二 加速度曲線VB編程代碼30附錄三 液壓缸設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)表31附錄四 液壓缸圓槽設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)表33本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 37 頁 共 37 頁1 緒論1.1 課題來源與國內(nèi)外現(xiàn)狀隨著科技的進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、人民生活水平的不斷提高，汽車己經(jīng)成為人們學(xué)習(xí)、工作、生活中不可缺少的代步工具，對人們的生活、生產(chǎn)產(chǎn)生了深刻的影響。作為一種便捷的現(xiàn)代化交通工具，汽車在給人們帶來極大便利的同時，也因其造成的交通事故給人類的生命和財產(chǎn)安全帶來了嚴(yán)重威脅。隨著全球汽車保有量的不斷增加，交通事故也隨之增加，交通事故己經(jīng)成為全球范圍內(nèi)的一大社會問題。這是一組讓人膛目結(jié)舌的數(shù)字。美國的汽車保有量為1.3億輛，每年道路交通死亡4萬人左右；日本的汽車保有量近8000萬輛，每年道路交通死亡1.1萬人，去年降到8000人。中國的汽車保有量是3000萬輛，每年道路交通死亡近11萬人，單車事故率相當(dāng)于美國的近13倍，日本的近40倍。除去交通狀況等客觀因素，一個不可回避的原因就是中國汽車安全系數(shù)低，我國交通事故的嚴(yán)重程度由此可想而知。隨著我國道路交通狀況的不斷改善，我國汽車的保有量不斷增加，車速也逐漸提高，交通事故總量和所造成的人員傷亡與財產(chǎn)損失近年來也呈上升趨勢。加強(qiáng)道路交通系統(tǒng)和汽車安全的研究，預(yù)防交通事故，是需要全社會共同關(guān)注和迫切改善的重要課題1-2。汽車安全性問題與汽車的各種性能等直接或間接有關(guān)，對其研究最初是與提高汽車的整車性能的研究交織在一起的。隨著二戰(zhàn)后汽車工業(yè)的持續(xù)發(fā)展，到60年代中期，西方發(fā)達(dá)國家中汽車的保有量和汽車的動力性能有了明顯的提高，公路上的車流密度和車流速度己達(dá)到了一個空前高的水平，汽車事故發(fā)生率空前高漲，汽車安全性受到了公眾和政府部門的高度重視。從這一時期開始，各國相繼制定或修訂了安全法規(guī)，如美國的汽車安全標(biāo)準(zhǔn)FMVSS等3。在這些法規(guī)的制約下，以及為了提高汽車產(chǎn)品的競爭力，各大汽車制造商和一些研究機(jī)構(gòu)開展了汽車安全性的專門研究。汽車安全性研究逐漸從汽車技術(shù)研究的其他領(lǐng)域分離出來形成了一個獨(dú)立的分支。1.2 汽車安全性的種類汽車安全性可劃分為主動安全性和被動安全性4-5。被動安全性是指汽車發(fā)生不可避免的交通事故后，能夠?qū)噧?nèi)乘員或車外行人進(jìn)行保護(hù)，以免發(fā)生傷害或使傷害減低到最低程度的性能。目前，汽車被動安全性研究內(nèi)容包括車身結(jié)構(gòu)抗撞性研究、碰撞生物力學(xué)研究以及乘員約束系統(tǒng)及安全駕駛室內(nèi)飾組件的開發(fā)研究這三個方面。汽車被動安全性研究方法包括試驗(yàn)研究和計(jì)算機(jī)仿真研究兩種6。汽車被動安全性的研究最早通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行，內(nèi)容包括臺架沖擊試驗(yàn)、臺車碰撞模擬試驗(yàn)和實(shí)車碰撞試驗(yàn)。實(shí)車碰撞試驗(yàn)主要用來對己開發(fā)出的成品車型進(jìn)行按法規(guī)(如美國FMVSS汽車安全標(biāo)準(zhǔn))要求的試驗(yàn)，以鑒定其是否達(dá)到法規(guī)要求。涉及整車結(jié)構(gòu)的相關(guān)FMVSS安全標(biāo)準(zhǔn)都要求進(jìn)行時速為48km/h的實(shí)車與固定障壁的前碰實(shí)驗(yàn)。前面固定障礙物的沖擊代表最嚴(yán)重的汽車碰撞類型。適合于該碰撞試驗(yàn)的固定障礙物通常由至少3m寬、1.5m高、0.6m厚的鋼筋混凝土制成。在障礙物后面堆有大約90噸夯實(shí)的砂土或其等價物。障礙物平面垂直于汽車最后趨近路線，且表面鋪有19mm厚的層壓板。采用道軌來控制試驗(yàn)汽車的方向，整個車輛的加速度可借安置于車地板或大梁或靠近車門中柱的車身門檻處的加速度儀來測量。我國的碰撞試驗(yàn)使用的是剛性的水泥墻，其上覆蓋的20cm的木板并不存在變形吸能的作用，只是為了保護(hù)儀器，反而是歐洲的重疊碰撞試驗(yàn)中測試車輛并不是直接撞向剛性墻壁，而是與一個蜂窩結(jié)構(gòu)的吸能塊發(fā)生重疊碰撞，用這個吸能塊來模仿對面來車。汽車主動安全對策主要涉及汽車的制動性、動力性、操縱穩(wěn)定性、駕駛舒適性、信息性等方面。包括防抱死制動系統(tǒng)(ABS)、驅(qū)動防滑系統(tǒng)(ASR)、橫擺控制系統(tǒng)、車距報警系統(tǒng)、駕駛輔助預(yù)警系統(tǒng)、安全導(dǎo)航系統(tǒng)后視鏡、高位制動燈等汽車主動安全裝置7-8。1.3 汽車模擬碰撞的研究（1）國外汽車碰撞模擬研究與發(fā)展?fàn)顩r對汽車碰撞的研究，國外起步較早。較早開展汽車碰撞研究的是美國。早期汽車碰撞研究主要是進(jìn)行各種條件下的碰撞試驗(yàn)，包括實(shí)車試驗(yàn)和模擬試驗(yàn)，如前所述。國外 汽 車碰撞模擬最早出現(xiàn)在60年代末期，由于當(dāng)時受計(jì)算機(jī)硬件水平的限制，一輛車僅包含幾十個節(jié)點(diǎn)，單元類型也局限于梁單元，當(dāng)時的碰撞模擬主要是對實(shí)車碰撞實(shí)驗(yàn)的預(yù)測。80年代由于Cray等巨型機(jī)的出現(xiàn)和顯式積分理論的成熟，人們開始研究對整車的耐撞有限元分析，汽車單元數(shù)量發(fā)展到幾千個，同時開發(fā)出了與汽車結(jié)構(gòu)相對應(yīng)的薄壁單元。進(jìn)入90年代以來，由于汽車碰撞的商業(yè)化軟件不斷完善，單元數(shù)量也擴(kuò)大到幾萬個甚至幾十萬個，汽車碰撞模擬結(jié)果越來越接近于實(shí)際。由于計(jì)算機(jī)開始廣泛采用了并行技術(shù)，使得運(yùn)算時間大大減少，甚至現(xiàn)在普通的個人計(jì)算機(jī)也可以進(jìn)行碰撞仿真分析。目前在汽車發(fā)達(dá)國家汽車碰撞模擬研究已經(jīng)達(dá)到相當(dāng)成熟的地步，開發(fā)出了許多成熟的用于碰撞模擬的成熟商業(yè)軟件包，已經(jīng)部分取代實(shí)驗(yàn)室的工作。(2)國外開展汽車碰撞模擬研究的方向國外開展的汽車碰撞計(jì)算機(jī)模擬研究主要包括事故再(ACCIDENTRECONSTRUCTION),碰撞受害者模擬(CRASH VICTIM SIMULATION)、汽車結(jié)構(gòu)抗撞性模擬(SIMULATION OF AUTOMOBILES CRASHWORTHI-NESS)三個方向9-12。事故再現(xiàn)研究的內(nèi)容是，在汽車事故發(fā)生后，由汽車的最終位置開始，運(yùn)用按經(jīng)驗(yàn)建立的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)模型往回推算，即反向經(jīng)由碰撞后階段一碰撞階段一碰撞前階段，使事故的情況在時間和空間上得以重現(xiàn)。汽車 碰 撞 受害者模擬的研究工作開始于60年代中期，使用的動力學(xué)分析模型是多剛體系統(tǒng)模型和生物力學(xué)分析模型，分別用來模擬人體整體動力學(xué)響應(yīng)和人體局部結(jié)構(gòu)傷害程度。汽車 結(jié) 構(gòu) 抗撞性模擬的動力學(xué)分析模型是非線性大變形有限元模型。有限元模型的優(yōu)點(diǎn)在于能真實(shí)地描述結(jié)構(gòu)變 形，適用于建立汽車結(jié)構(gòu)模型及人體局部結(jié)構(gòu)的生物力學(xué)分析模型。(3)國內(nèi)汽車碰撞模擬研究狀況我國對汽車被動安全性進(jìn)行系統(tǒng)研究是從上個世紀(jì)80年代后期開始的，汽車碰撞研究工作也開始于這一時期，取得了可喜的成績。1989年，吉林工業(yè)大學(xué)和西安公路交通大學(xué)分別建立了“剛體+彈塑性彈簧”數(shù)學(xué)東北大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論模型和“剛體+彈簧阻尼”數(shù)學(xué)模型13。后者還做了模型碰撞試驗(yàn)，驗(yàn)證其理論模型。次年，吉林工業(yè)大學(xué)李卓森教授和李洪國教授就計(jì)算機(jī)模擬中所需的汽車碰撞剛度和汽車正面碰撞方程式等方面進(jìn)行了探討。1996年清華大學(xué)的黃世霖、王春雨等人應(yīng)用DYNA3D研究了車架結(jié)構(gòu)的耐撞性能并在此研究基礎(chǔ)上對車架結(jié)構(gòu)提出了改進(jìn)措施。從2000年開始，我國一直實(shí)施汽車正面碰撞法規(guī)，即是100%正面全接觸碰撞試驗(yàn)。2003年，我國己經(jīng)制定GB 11551汽車正碰國家標(biāo)準(zhǔn)。而事實(shí)上，在道路交通事故中，由于側(cè)面碰撞造成的傷亡事故也占有相當(dāng)比例，約有20%。在清華大學(xué)汽車碰撞試驗(yàn)室和中國汽車技術(shù)研究中心碰撞試驗(yàn)室進(jìn)行了大量的碰撞試驗(yàn)，才最終確定了我國汽車側(cè)碰國家標(biāo)準(zhǔn)(送審稿)的內(nèi)容，并計(jì)劃于2006年7月1日起正式實(shí)施14-16。1.4 本課題主要內(nèi)容本課題在介紹國內(nèi)外汽車碰撞試驗(yàn)臺的基礎(chǔ)上，提出一種汽車碰撞試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)方案，包括小車，導(dǎo)軌，牽引裝置，減速緩沖裝置等。重點(diǎn)進(jìn)行減速緩沖裝置的分析與設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出液壓式緩沖器，使得小車撞擊后減速曲線符合ECER16標(biāo)準(zhǔn)，并給出模擬碰撞曲線。2. 碰撞試驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和技術(shù)要求2.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和技術(shù)要求本課題設(shè)計(jì)的模擬試驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)特點(diǎn)并不復(fù)雜，主要機(jī)械結(jié)構(gòu)部分包括導(dǎo)軌、滑車、拖車、釋放機(jī)構(gòu)、牽引拉緊裝置、拉緊力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、減速器及水泥壁障等，導(dǎo)軌設(shè)計(jì)要讓小車平穩(wěn)滑行，小車選擇穩(wěn)定性比較好的，拖車、釋放機(jī)構(gòu)、牽引拉緊裝置、拉力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)是一個整體的系統(tǒng)，其主要作用是給小車一定的速度，并在一個穩(wěn)定的速度釋放小車，減速器是讓汽車的減速波形滿足ECER16法規(guī)的要求。 ECERl6和ECERl7波形的模擬是關(guān)于安全帶動態(tài)試驗(yàn)的法規(guī)，要求臺車試驗(yàn)?zāi)M出來的減速度波形在一定范圍內(nèi)，且停車距離在(40020)mm之間。因此我們的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在減速緩沖裝置上面。而其他的零部件按照一定的要求可以設(shè)計(jì)出來17。2.2 緩沖過程建模進(jìn)一步了解緩沖器的實(shí)際工作過程(即其動態(tài)特性)，必須對緩沖過程進(jìn)行動態(tài)分析，緩沖器的緩沖過程如圖2.1所示，沖擊載荷為質(zhì)量M。的沖擊塊與轉(zhuǎn)動慣量J1的滾珠絲桿的組合(沖擊塊運(yùn)動速度與絲桿的角速度呈一定的比例關(guān)系)。沖擊塊撞擊緩沖器活塞頭時的速度為V0擊載荷的質(zhì)量遠(yuǎn)大于活塞的質(zhì)量m(即Km0)，則撞擊時的能量損失E可以忽略。由于沖擊塊與活塞頭均為鋼制件，在實(shí)際沖擊過程中難免會發(fā)生沖擊塊與活塞頭的多次撞擊現(xiàn)象，為便于分析，建模時忽略多次撞擊的過程，即假設(shè)沖擊塊與活塞第一次撞擊后以相同的速度運(yùn)行。1 液壓緩沖器 2. 沖擊塊 3. 絲桿圖2.1 緩沖過程原理圖3. 碰撞試驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)和計(jì)算3.1 碰撞試驗(yàn)臺的總體設(shè)計(jì)本實(shí)驗(yàn)臺的主要部件如下圖所示：1. 墻體 2.導(dǎo)軌安裝板 3. 液壓緩沖器 4. 緩沖塊 5. 滑車6. 牽引車 7. 導(dǎo)軌 8. 電動機(jī)圖3.1 試驗(yàn)臺總體結(jié)構(gòu) 3.2 導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和計(jì)算 導(dǎo)軌的功能是為滑車和拖車進(jìn)行導(dǎo)向。導(dǎo)軌的斷面形狀為工字形用鋼軌型鋼加工而成。兩根導(dǎo)軌的長度各為25m，彼此平行排列，距離為lm在導(dǎo)軌的下面有調(diào)整墊鐵和水泥地基。這樣的話小車可以穩(wěn)定在導(dǎo)軌上滑行并且比較穩(wěn)定。如圖3.2所示圖3.2 導(dǎo)軌示意圖3.3 小車的選擇和設(shè)計(jì)及釋放機(jī)構(gòu)滑車的長度為15m，寬度為12m，其上表面鋪設(shè)鋼板。在鋼板上面裝有塑料吸能器的鋼筒與支承根據(jù)需要還可裝座椅及其它試驗(yàn)需要的裝置或部件?；嚭蠖嗽O(shè)有與拖車插銷相連接的帶孔的零件和兩個電磁鐵偶件的吸盤。滑車的下面裝有4組與導(dǎo)軌接觸并上下左右限位的滾輪，借此與導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)滾動摩擦，為減少噪聲，在鋼滾輪外裝有尼龍?zhí)?。本系統(tǒng)采用電磁鐵吸合、安全插銷保險的簡易機(jī)構(gòu)。2個電磁鐵的吸力約30kN，安全插銷是利用一臺小電機(jī)驅(qū)動的螺桿機(jī)構(gòu)帶著上下移動的，從而實(shí)現(xiàn)插銷和拔銷動作，由電控設(shè)計(jì)保證，在電磁鐵吸合和安全插銷插入滑車的帶孔零件之中后，卷揚(yáng)機(jī)才能往后拉動拖車，并且只有在安全插銷從滑車帶孔零件中拔出后，才能釋放滑車。如果停電，安全插銷便會鎖住滑車，避免產(chǎn)生不需要的碰撞，從而達(dá)到安全保險的目的。圖3.3 滑車與導(dǎo)軌配合圖 3.4 墻體的選擇為了適應(yīng)廣泛的需要，壁障深入地下1.5m，寬2m，長3m，總質(zhì)量約30t，為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，并同導(dǎo)軌的地基澆筑成一體， 壁障的碰撞平面裝有厚20mm 的鋼板，并在鋼板上裝置吸能器偶件之一的橄欖頭桿座，根據(jù)需要還可裝設(shè)載荷傳感器等部件。圖3.4 碰撞墻體3.5 傳動裝置拖車的結(jié)構(gòu)與滑車相同，只不過長度僅為O5m，上面裝有插安全銷的部件及其支承以及兩個電磁鐵吸盤，其后端裝有鋼絲繩牽引鉤環(huán)。利用卷揚(yáng)機(jī)、鋼絲繩并通過拖車和釋放機(jī)構(gòu)將滑車?yán)氐皆O(shè)定位置，以保證在碰撞前達(dá)到規(guī)定的車速在設(shè)定位置的滑車將多根橡膠繩拉緊，當(dāng)釋放機(jī)構(gòu) 放時，橡膠繩的拉緊力便使滑車向前加速運(yùn)行，一直到水泥壁障前，吸能器使其停止為止。根據(jù)車裝載質(zhì)量的多少和要求車速的大小，橡膠繩的數(shù)量可以相應(yīng)地增減17-19。4. 減速緩沖裝置的設(shè)計(jì)和計(jì)算4.1 減速緩沖器的種類在臺車模擬碰撞實(shí)驗(yàn)過程中，緩沖減速裝置決定了碰撞減速度波形，因此是臺車實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵設(shè)備，國內(nèi)外各廠家和科研機(jī)構(gòu)關(guān)于緩沖減速裝置的研究很多，緩沖的形式也多種多樣。包括：高壓氣體型節(jié)流芯柱式，液壓伺服式，金屬或塑料褶皺吸能式和液壓節(jié)流式等。4.2 吸能緩沖器正碰臺車試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)思路將一根金屬棒材的兩端分別用3根銷固定(如圖4-1(a)所示)，若給其一定的預(yù)變形后在中間施加一質(zhì)量為m，速度為v的沖擊載荷(如圖4-1(b)所示)，金屬棒材將發(fā)生如圖4-1(C)所示的變形。在變形的過程中金屬棒材將吸收能量，其大小為沖擊載荷(即質(zhì)量塊)所做的功。在質(zhì)量塊上測得其在沖擊過程中的減速度或力，并通過兩次積分運(yùn)算得到質(zhì)量塊和金屬棒材的相對位移。結(jié)果表明，在沖擊過程中質(zhì)量塊所受到的減速度或力與質(zhì)量塊和金屬棒材的相對位移或作用時問具有圖6所示的梯形關(guān)系，即金屬棒材受到的力或減速度逐漸增大到一定值后保持穩(wěn)定，直到?jīng)_擊塊的速度減為零或金屬棒材從銷中脫離。 (a)棒材固定 (b)棒材預(yù)變形 （c）棒材受沖擊后變形圖4.1單根金屬棒材受沖擊載荷作用時的變形過程根據(jù)作用力與反作用關(guān)系，圖4.2所示的即為單根金屬棒材在圖4.1所示狀態(tài)下的力學(xué)特性。另外，根據(jù)F=ma，在沖擊塊質(zhì)量不變的情況下金屬棒材所能承受的減速度不變(與質(zhì)量塊的沖擊速度無關(guān))?；趩胃饘侔舨脑谶@一工作模式下的力學(xué)特性，正碰臺車試驗(yàn)裝置以金屬棒材作為復(fù)現(xiàn)波形用的吸能材料。圖4.2 單根金屬棒材的力學(xué)特性圖4.3為整套金屬棒材吸能式正面碰撞臺車試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)簡圖。該系統(tǒng)可分為兩部分：一部分是用于固定車身的臺車裝置，另一部分是用于模擬車身減速即車體變形的波形復(fù)現(xiàn)裝置。其工作過程與實(shí)車正面碰撞過程類似，可分為如下3個階段：（1）引系統(tǒng)牽引臺車車架(車體焊接在其上)獲得預(yù)定的速度；（2）在探桿離吸能裝置23 m處牽引系統(tǒng)與臺車裝置分離，臺車車架以預(yù)定的速度作勻速的自由運(yùn)動(地面摩擦忽略不計(jì))；（3）探桿與第一排金屬棒材接觸，在金屬棒材的阻尼作用下臺車裝置開始作減速運(yùn)動，直至速度減為0，試驗(yàn)結(jié)束20。 (a) 臺車車架正視圖 俯視圖（b）波形復(fù)現(xiàn)裝置圖4.3 正碰臺車試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)簡圖4.3 多孔式液壓緩沖器清華大學(xué)碰撞實(shí)驗(yàn)室根據(jù)自身的特點(diǎn)和我國的國情，研制出液壓節(jié)流式緩沖器。液壓節(jié)流式緩沖器通常情況下是高速運(yùn)行設(shè)備一種有效的安全保護(hù)裝置，廣泛應(yīng)用于起重機(jī)、電梯和車輛機(jī)械中，但在傳統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)中，只是用估算的方法，對緩沖波形和模擬計(jì)算精度的要求都比較低。在臺車模擬碰撞試驗(yàn)中，要求能精確地控制緩沖器的波形，因此需要高精度的模擬計(jì)算進(jìn)行輔導(dǎo)設(shè)計(jì)和調(diào)試。圖4.4為多孔式液壓緩沖器的原理圖，在碰撞前，蓄能器中預(yù)先充滿一定的氮?dú)?，?dāng)臺車撞擊活塞時，液壓油由節(jié)流孔從高壓腔壓縮到外腔，外腔通過回油孔與低壓腔相通，節(jié)流孔產(chǎn)生的阻尼力對臺車產(chǎn)生制動。臺車的動能大部分轉(zhuǎn)化為液壓油的熱能，同時還有一部分能量儲存在蓄能器中，節(jié)流孔沿活塞的行程不等間距分布，每個節(jié)流孔的大小可以通過更換不同尺寸的節(jié)流螺釘來控制。這樣可以按不同的碰撞要求控制緩沖器碰撞波形21。圖4.4 多孔液壓緩沖器的工作原理圖本模型主要考慮了湍流狀態(tài)下小孔節(jié)流流量特性、偏心環(huán)縫的流量特性、油的壓縮性、活塞的運(yùn)動特性和緩沖塊的力學(xué)特性等，以動力特性為主?？紤]到兩次臺車模擬碰撞時間間隔太長，溫度對模型影響不大，因此忽略溫度影響。（1）小孔節(jié)流流量方程為q1=CQAC2P-P2 式(4.1)式中：其為密度，Cq為流量系數(shù)，Ac為節(jié)流面積。 （2）偏心環(huán)縫流量方程（圖4-4） q2=2.5d12lc(p-p2)3 式(4.2)其中為動力粘度,為l活塞頭行程方向?qū)挾龋瑸榛钊^偏心量，C為修正系數(shù) 圖4.5 偏心環(huán)縫（3）油的壓縮性方程 k=-dpdv dvdt=-vkdpdt 式（4.3） 式中K為體積彈性模量，V為高壓油體積。（4）液壓油的流量連續(xù)性方程v2=Q1+Q2+Q3+dvdt 式（4.4）式中：Q3為其他縫隙泄漏補(bǔ)充流量（5）活塞的力平衡方程m2dv2dt=F+p2A2-PA1-f2g2 式(4.5）（6）臺車的力平衡方程 m2dv1dt=-(F+f2G2) 式（4.6）（7)其他補(bǔ)充方程氣體絕熱壓縮 p2=p0v0v0-x2A0K 式（4.7）節(jié)流面積曲線 Ac=Ac(X2) 式（4.8）緩沖塊的力學(xué)特性曲線 F=F(X1-X2) 式(4.9)綜合上面方程可以得到微分方程組如下： dpdt=kL-X2A1V1-Q1-Q2-Q3dv1dt=-1m1Fx1-x2+f2G1dv2dt=1m2Fx1-x2+p2A2-PA1-f2G2dx1dt=v1dx2dt=v2 式(4.10)輸入特性參數(shù)Cq，p，K，k,f1，f2和其他一些試驗(yàn)參數(shù)m1，m2，Vo，P0，以及節(jié)流面積曲線AC(X2)，緩沖塊壓力曲線F(xlX2)，最后確定臺車的初速度V0，就可以用數(shù)值積分法求解上面的方程。這里用變步長的四階龍格-庫塔法求解方程組，可以得到高壓腔的壓力曲線、臺車和活塞的減速度、速度和位移曲線，其中臺車的減速度曲線是和試驗(yàn)進(jìn)行對比的重點(diǎn)，通過對比驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，并對模型的各參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化和修正。4.4 圓槽減速緩沖器的設(shè)計(jì)計(jì)算4.4.1 液壓緩沖器的設(shè)計(jì)原理為了汽車各種零部件的試驗(yàn)研究，緩沖器應(yīng)能模擬汽車在不同速度下實(shí)車碰撞的波形。多孔式液壓緩沖器由于結(jié)構(gòu)的原因，很難把某次實(shí)車的碰撞波形模擬的非常精確。從統(tǒng)計(jì)學(xué)的觀點(diǎn)來講，模擬某次實(shí)車碰撞波形其實(shí)是沒有意義的，緩沖器能模擬出碰撞過程中的加速度峰值和脈寬等重要參數(shù)就足夠了。但由于實(shí)車碰撞的速度特性和液壓緩沖器的速度特性存在本質(zhì)不同，這就需要一套調(diào)節(jié)緩沖器的方法，以適應(yīng)在不同速度下的碰撞試驗(yàn)的需要21-24。在此設(shè)計(jì)的液壓緩沖器模擬汽車碰撞波形要滿足ECER16的要求,要求臺車試驗(yàn)?zāi)M出來的減速度波形在一定范圍內(nèi)且停車距離在(40020)mm之間。圖4.5為本系統(tǒng)模擬出的滿足ECER16要求的減速度波形，圖中兩條虛線為法規(guī)要求的減速度波形的上下限，該減速度波形的停車距離為399 mm。ECER17是關(guān)于座椅強(qiáng)度的法規(guī)，要求臺車試驗(yàn)?zāi)M出的大于20 g的減速度波形持續(xù)時間不小于30ms。圖4.6是要用本系統(tǒng)模擬出的滿足ECER17的減速度波形，該減速度波形最大減速度為23.31g，大于20g的減速度波形持續(xù)時間為34.5 ms。圖4.6 滿足法規(guī)ECER16要求的減速度波形圖4.7 滿足法規(guī)ECER17要求的減速度波形圖4。8為液壓緩沖器的局部正視圖，從圖中可以看出在液壓缸底部有一個圓槽，因此稱之為圓槽式液壓緩沖器。改緩沖器主要依靠活塞在圓槽的位置變化改變駐退液的流量來改變小車碰撞的加速度變化。，在整個撞擊的過程中，內(nèi)壓缸內(nèi)的壓力始終保持一定，如此便產(chǎn)生一固定大小之緩沖力，也就是所謂的線性減速。 經(jīng)由此線性減速過程，油壓緩沖器能將運(yùn)動工作件平穩(wěn)且安靜地以最小的力量將運(yùn)動件停止下來。圖4.8 緩沖器局部正視圖1. 工作腔 2. 非工作腔圖4.9 緩沖器結(jié)構(gòu)圖由于活塞擠壓1腔（工作腔）內(nèi)液體，使其壓力升高，被壓縮液體通過活塞和變深度溝槽組成的流液孔高速射入2腔（非工作腔），這股高速射流最后射到駐退筒的底部，成為雜亂無章的渦流，隨著后坐運(yùn)動駐退桿不斷從駐退筒中抽出，2腔出現(xiàn)真空，流液在變深度溝槽中受阻尼力對臺車進(jìn)行制動。汽車碰撞中的巨大動能轉(zhuǎn)化為駐退液的熱能，還有一部分能量貯存在2腔中。不難看出，緩沖裝置內(nèi)流體流動是十分復(fù)雜的，它屬于可壓縮粘性液體帶有熱傳導(dǎo)的三維非定向?qū)恿鲃?，過渡到大雷諾數(shù)紊流流動的問題。為了工程上處理方便，對緩沖裝置中液體的流動作如下假設(shè)：1） 駐退液是不可壓縮的2） 流動是一維定常數(shù)3） 駐退液在緩沖裝置通道中的流動是以地球?yàn)閼T性參考系的液流通道中某點(diǎn)的流速和壓力P，即為該點(diǎn)所在截面上的平均流速和液體壓力，并認(rèn)為該截面上的值處處相等，對于恒定紊流（即流速和壓力的時間均值不隨時間變化的紊流），還應(yīng)理解為對時間的平均流速和壓力，這樣，所討論的模型不需要再區(qū)分層流和恒定紊流了。下面建立描述在緩沖裝置作用下運(yùn)動的基本方程組:1）建立駐退方程和緩沖阻力方程 mhd2xdt2=-FR 式（4.11） FR=Fh+Ff 式（4.12） 2）駐退機(jī)內(nèi)液體的質(zhì)量守恒方程（連續(xù)方程）為了確定駐退活塞后坐速度與液體流經(jīng)流液孔德液流速度的關(guān)系，應(yīng)用不可壓縮定常流動的質(zhì)量守恒方程：=常數(shù)式中：流液通道中任一截面的液流速度 A液流通道的截面面積在圖4.9中的簡單溝槽式駐退機(jī)上取1-1和2-2截面，并規(guī)定：工作腔內(nèi)1-1截面上液體壓力和流速 非工作腔內(nèi)2-2截面上液體壓力和流速 流液孔面積，其中，b溝槽寬度；溝槽的變深度：方形面積；d駐退筒內(nèi)徑；D駐退筒外徑。駐退桿以V的速度后坐，若觀察者位于駐退桿上，則可看出液體以V的速度流向流液孔，并的流速射向2腔，得： VA0=ax2 式（4.13） 2=A2aXv 式（4.14）上式解出是相對駐退桿的相對速度，活塞的相對速度為-V，故通過流液孔的絕對速度為： 2=A0axv-v 式（4.15）3）駐退機(jī)液流的機(jī)箱能守恒方程（伯努利方程）為了確定駐退機(jī)1-1和2-2截面上流體壓力和流速的關(guān)系，引用定常流動的能量方程，有： z1g+p1+122=z2g+p2+222+Hr 式（4.16）式中：，1-1截面上液體具有的比位能，比壓能和比動能 ， 2-2截面上液體具體的比位能，比壓能和比動能 液體流到的比能損失 液體的密度式4.16說明如下能量守恒之事實(shí)：在定常流動同一瞬時，處于1-1截面上的單位質(zhì)量液體和處于2-2截面上的單位質(zhì)量流體所具體的全部機(jī)械之差，等于從1-1截面流到2-2截面流到2-2截面單位質(zhì)量液體克服各種損失所損失的能量。比能損失一般包括兩部分，一部分成為沿程損失-液體沿截面尺寸和角度不變的液流流動時的能量損失，它反映了液體分子之間以及液體與壁面之間的摩擦損失，另一部分稱為局部損失-當(dāng)液流通道截面尺寸與高度變化時，液體的能量損失，它反映了當(dāng)液體流通道幾何尺寸變化時，由于液體的慣性，不能完全沿壁面流動，產(chǎn)生脫離現(xiàn)象，造成局部流動紊亂并有渦流產(chǎn)生而損失的一部分能量，兩種損失的內(nèi)因都來自于液體的粘性，通常工程設(shè)計(jì)中，認(rèn)為液體流到某截面的比能損失與該截面液體的比能動能成正比，即：Hr=22 式（4.17）式中液體的損失系數(shù)顯然與液體的粘性，通道幾何尺寸，壁面粗糙度，流動狀態(tài)等有關(guān)。利用伯努利方程建立圖1所示1-1和2-2截面的液體能量關(guān)系。在1-1截面上，壓力為,流速（桿后坐），比能；2-2截面上，壓力（2腔出現(xiàn)真空），流速為，比位能。因駐退機(jī)徑向尺寸變化不大，1-1和2-2截面上液流中心高度相差無幾，可認(rèn)為將上述參量代人公式可得： p1=222+Hr=(1+)222 式（4.18）應(yīng)該指出，利用上式計(jì)算工作腔壓力p1,往往與實(shí)測壓力值相差較大，這是由于損失系數(shù)不易取準(zhǔn)，另一方面，三條基本假設(shè)與實(shí)際情況有較大差別。因此反后坐裝置設(shè)計(jì)中用修正系數(shù)K代替，上式可寫成： p1=k222 式（4.19）K稱為駐退機(jī)的液壓阻力系數(shù)。K不僅包括了駐退機(jī)內(nèi)液體流到的沿程損失，而且還包括對上述公式不完善部分（如液體的收縮，截面，流速，壓力的不均勻性等）的修正。因此，K實(shí)質(zhì)上是一個理論與實(shí)際之間的符合系數(shù)。在反后臺坐裝置設(shè)計(jì)中，對液體阻力系數(shù)K選取合理與，是關(guān)系設(shè)計(jì)成功與否的關(guān)鍵。4） 液壓阻力方程在后坐過程中，工作腔壓力始終作用在駐退活塞的工作腔一側(cè)，這個液壓力作用在駐退活塞上的合力，就是阻止后坐的液壓阻力，取駐退桿（包括活塞）為自由體。不難求出Fh=P1A0 式（4.20） 聯(lián)立方程組，可得到緩沖后坐運(yùn)動方程： mh=d2xdt2=-FR 式（4.21）FR=Fh+Ff2=A0axv-vp1=k222 式（4.22）Fh=P1A04.4.2 緩沖器的結(jié)果設(shè)計(jì)a）液壓缸的設(shè)計(jì)與計(jì)算： 液壓缸的主要尺寸包括： 液壓缸內(nèi)徑D、活塞桿直徑d、液壓缸缸體長度l。1)活塞頭寬度根據(jù)壓桿的穩(wěn)定性計(jì)算活塞的零件，活塞桿的兩端簡化為鉸支座： PCr=2gI(l) 式（4.23）所以d=0.034用確定的d計(jì)算活塞的柔度： =li=47 式（4.24）對所有材料35CrMnSi來說： 2=2Ep=35 式（4.25）因?yàn)?所以可以用歐拉公式： cr=x=1300pa2)活塞桿直徑PCr=2gI(l)2=crA 式（4.26）整理得：d2=2E64d4l2cr4 式（4.27）3)活塞直徑活塞工作面積： A0=Fmaxpmax=14112035*103=0.004032m2且 A0=4(D2-d2)整理后得直徑D=0.08m。即活塞直徑為0.08m。則A0=0.00387m2。4)缸體外徑缸體外徑選擇45剛，作表面乳白鍍鉻處理根據(jù)材料力學(xué)公式，可得： r=-p1a2b2-a2(b2r2-1) r=-p1a2b2-a2(b2r2-1) 式（4.28） r2=2pa2b2-a2 式（4.29）即b2-a22pb2所以考慮到變溝槽深度取厚度0.01m，因此缸體外徑為0.1m。5)緩沖器的工作長度緩沖器的工作長度。b）液壓缸的校核 1.缸體壁厚的校核中低壓系統(tǒng)，無需校核，原則小于高壓大直徑時，必須校核校核方法： 薄壁缸體（無縫鋼管） 當(dāng)/ D0.08時： pmaxD/2 厚壁缸體（鑄造缸體） 當(dāng)/ D=0.08-0.3時：pmaxD/2.3 -3pmax 當(dāng)/ D0.3時：D/2（+ 0.4 pmax/ -1.3pmax-1 2.液壓缸缸蓋固定螺栓直徑d1的校核 液壓缸缸蓋固定螺栓在工作過程中同時承受拉應(yīng)力和剪切應(yīng)力 可按下式校核d15.2KF/z3.活塞桿穩(wěn)定性驗(yàn)算當(dāng)液壓缸承受軸向壓縮載荷時：若l/d10時，無須驗(yàn)算l/d10時，應(yīng)該驗(yàn)算，可按材料力學(xué)緩沖器的密封裝置選用金屬密封作為緩沖器活塞的密封元件，金屬材料選用紫銅T3，活塞桿與前后蓋的密封采用皮革和橡膠填料的密封結(jié)構(gòu)。緩沖器變深度溝槽的面積和深度計(jì)算采用VB語言編程進(jìn)行計(jì)算。4.4.3 液壓緩沖器裝配圖根據(jù)上面計(jì)算出來的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，運(yùn)用CAD制圖軟件繪制圖4.10圓槽液壓緩沖器裝配圖。1底板 2 密封圈 3液壓缸體 4蓋板 5螺柱 6活塞桿圖4.10 圓槽液壓緩沖器裝配圖4.4.4 駐退液目前駐退液主要是斯切奧爾液和斯切奧爾-M液。斯切奧爾液和斯切奧爾-M液中的絡(luò)酸鉀是良好的阻化劑，他可以減低駐退液對鋼鐵的腐蝕。氫氧化鈉可使液體略帶堿性以保持其性能的穩(wěn)定，減緩變酸的過程。以甘油為基礎(chǔ)的駐退液的優(yōu)點(diǎn)是比熱和密度大，對密封元件不親潤溶脹，低溫粘性小。它的缺點(diǎn)是成本高，沸點(diǎn)低，換油期短，高壓下易被氧化變酸。以絡(luò)酸鉀為阻化劑，在光和熱的作用下易發(fā)生氧化還原作用，使駐退液變酸，對銅質(zhì)零件腐蝕嚴(yán)重，西方國家多采用以石油為基礎(chǔ)油的駐退液，比較明顯的優(yōu)點(diǎn)是來源豐富，價格便宜，但比重較小，粘性隨溫度變化較大。4.4.5 緩沖裝置的運(yùn)動采用VB語言編程，計(jì)算不同時刻的速度和加速度，程序界面如下圖：圖4-11 VB計(jì)算程序界面以length 代表節(jié)制桿工作長度，a代表活塞作用面積，d1代表駐退筒內(nèi)徑，d2代表駐退桿外徑，DT2代表駐退筒外徑。輸入程序見附錄A。加速度調(diào)用程序見附錄B。經(jīng)計(jì)算機(jī)模擬得到小車在48KM/h的速度碰撞時的加速度波形如圖4.12所示: 圖4.12 加速度曲線界面經(jīng)過對比ECER16法規(guī)，該模擬滿足要求。結(jié) 論本課題主要通過模擬計(jì)算這個途徑，對小車正面碰撞墻體進(jìn)行了模擬仿真，結(jié)合仿真結(jié)果分析，提出以下幾點(diǎn)結(jié)論：1. 汽車碰撞的過程是個復(fù)雜的過程，碰撞時的加速度和小車質(zhì)量，速度，緩沖器有關(guān)。2. 根據(jù)流體力學(xué)中的流量連續(xù)性方程和動力方程對圓槽式液壓緩沖器建模和仿真，并對仿真結(jié)果進(jìn)行分析，找到?jīng)_擊速度、沖擊物質(zhì)量、節(jié)流面積等參數(shù)對緩沖特性的影響規(guī)律。3. 利用本系統(tǒng)模擬出的小車減速度波形符合ECER16法規(guī)要求。由于臺車試驗(yàn)需要模擬的碰撞環(huán)境多種多樣，該仿真過程對用液壓緩沖器模擬不同的碰撞減速度波形具有十分現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義4從汽車安全方面考慮，汽車應(yīng)該要有一段緩沖區(qū)，并且要很好的保護(hù)駕駛?cè)藛T的安全，在此基礎(chǔ)上最好再加上安全氣囊。致 謝本論文是在導(dǎo)師肖猛講師的悉心指導(dǎo)下完成的。從論文的選題，研究方案的確定，直到論文的撰寫無不凝聚著導(dǎo)師辛勤的汗水和心血。導(dǎo)師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，實(shí)事求是的科學(xué)作風(fēng)，淵博的學(xué)識以及豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)都給我留下極為深刻的印象。無論是做學(xué)問還是做人，導(dǎo)師都是我一生學(xué)習(xí)的典范。尤其是當(dāng)我在完成論文的過程中遇到困難時，導(dǎo)師所給予的指導(dǎo)將永遠(yuǎn)激勵我，并且將使我終生受益。在此，謹(jǐn)向我的導(dǎo)師肖猛講師表示崇高的敬意和誠摯的感謝!。在學(xué)習(xí)期間，我有幸結(jié)識了許多老師和同學(xué)。在與他們相處的日子里，不僅開放式的學(xué)術(shù)交流和探討使我受益匪淺，而且他們的熱情幫助也讓我感到了友誼的溫暖。 參 考 文 獻(xiàn)1 上海市教育委員會.現(xiàn)代汽車安全技術(shù)M.上海：上海交通大學(xué)出版社，2006.2 鐘志華等.汽車碰撞安全技術(shù)M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.3 夏長高，曾發(fā)林，丁華.汽車安全檢測技術(shù)M.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.4 王瑄，劉曉君，朱西產(chǎn).我國安全帶動態(tài)性能試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中滑車碰撞車速的探討J. 汽車工程，1998（1）：10-16.5 劉君，王瑄.安全帶動態(tài)性能試驗(yàn)方法研究J.汽車技術(shù)，1998（9）：16-20，27.6 曹玉平，閻祥安.液壓傳動與控制M.天津：天津大學(xué)出版社，2003.7 王瑄，陳弘，董麗莉，趙航. CATARC汽車模擬碰撞試驗(yàn)系統(tǒng)的研究J.汽車技術(shù)，1996（10）：28-32.8 楊培元，朱福元. 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡明手冊M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.9 劉學(xué)術(shù)，宋振寰，于長吉.汽車碰撞基本規(guī)律研究J.汽車技術(shù)，2004（3）：22-25.10 開文果，金先龍，張曉云等.汽車碰撞有限元仿真的并行計(jì)算及其性能研究 J.系統(tǒng)仿真學(xué)報，2004,16(11):2428-2431.11 黃世霖，張金換，王曉東等.汽車碰撞與安全M，北京:清華大學(xué)出版社，2000.12 梁宏毅，關(guān)喬，陳建偉.解析中國汽車正面碰撞試驗(yàn)法規(guī)J，世界汽車，2001.13 朱西產(chǎn).實(shí)車碰撞試驗(yàn)法規(guī)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢J.汽車技術(shù)，2001,4:5-10.14 胡少良.我國汽車碰撞安全性研究的現(xiàn)狀J.天津汽車,1995,8(3):33-35.15 郭應(yīng)時，吳曉武.汽車非對稱正面碰撞過程模擬J.西安公路交通大學(xué)學(xué)報，1999,19(2):80-105.16 張覺慧，譚敦松，高衛(wèi)民等.汽車碰撞的有限元法及車門的抗撞性研究J.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報,1997,25(4):450-454.17 劉正恒.機(jī)械系統(tǒng)碰撞動力學(xué)響應(yīng)的計(jì)算機(jī)仿真研究D.長沙:湖南大學(xué)，200318 胡玉梅汽車正面碰撞設(shè)計(jì)分析技術(shù)及應(yīng)用研究D，重慶:重慶大學(xué)，200219 顧力強(qiáng)，林忠欣.國內(nèi)外汽車碰撞計(jì)算機(jī)模擬研究的現(xiàn)狀及趨勢J.工程,1999,21(1):1-920 馬志雄，朱西產(chǎn)，商恩義，苗強(qiáng).一種正面碰撞臺車實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開發(fā)及應(yīng)用J，武漢理工大學(xué)學(xué)報，2008（2）.21 胡敬文,張金換,黃世霖. 汽車模擬碰撞用液壓緩沖器的動態(tài)仿真J,北京，2003,25(4):4.22 雷天覺液壓工程手冊M,工業(yè)出版社，1990.23 王貢獻(xiàn)，褚德英，沈榮瀛.被動式液壓沖擊波形發(fā)生器動態(tài)特性的數(shù)學(xué)建模與仿真M.振動與沖擊，2007（07）.24 丁凡，路甬祥短笛形. 緩沖結(jié)構(gòu)的高速液壓缸緩沖過程的研究J,中國機(jī)械工程，1998，9(10)：52-54附錄A 液壓缸體設(shè)計(jì)VB編程代碼Private Sub Command1_Click()Call sum Dim length As Single, a As SingleDim d1 As Single, D2 As Single, fmax As SingleDim Dt2 As SingleDim int1 As IntegerOpen c:data2.txt For Output As #2 輸入數(shù)據(jù)文件fmax = 30 * 9.8 * md1 = 0.08D2 = 0.04Dt2 = 0.09a = 3.14159268 * (d1 * d1 - D2 * D2) / 4Call lay(lmax, Dt2, length)Text1.Text = CStr(length) & mmText2.Text = CStr(a) & mmText3.Text = CStr(d1) & mText4.Text = CStr(D2) & mText5.Text = CStr(Dt2) & mPrint #2, 序號; Spc(6); 面積; Spc(10); 深度int1 = 1Do While int1 0 ThenCall laya(v(int1), f(int1), d1, D2, ax)d(int1) = ax / 0.007Print #2, int1; ax; d(int1) ElsePrint #2, int1; Spc(10); 0; Spc(10); 0End Ifint1 = int1 + 1LoopClose #2End SubPrivate Sub sum()Dim int1 As IntegerOpen c:data1.txt For Output As #1m = 480f(0) = 0v(0) = 13.33333a(0) = 0l = 0Print #1, 序號; Tab(7); 緩沖長度（m）; Tab(18); 速度（m/s); Tab(30); 加速度（m/s/s); Tab(42); 液壓阻力（n)Print #1, 0; Tab(8); Tab(25); v(0); Tab(42); a(0); Tab(57); f(0)int1 = 1Do While int1 = 80If int1 = 18 Thena(int1) = CSng(int1) * 1.6 * 9.8ElseIf int1 = 55 Thena(int1) = 30 * 9.8Else: a(int1) = (30 - 2 * (CSng(int1) - 55) * 9.8End IfIf int1 0 Thena(int1) = 0End Ifv(int1) = v(int1 - 1) - a(int1) * 0.001l = l + v(int1) * 0.001 - a(int1) * 0.001 * 0.001 / 2f(int1) = a(int1) * mPrint #1, int1; Tab(8); l; Tab(25); v(int1); Tab(42); a(int1); Tab(57); f(int1)int1 = int1 + 1Looplmax = 1Close #1End SubPrivate Sub lay(lmax, d1, length) 計(jì)算節(jié)制桿工作長度Dim dmax As Singledmax = d1 * 0.6length = lmax * 100 + dmax * 1000 + 50End SubPrivate Sub laya(v, f, dt11, dt21, ax1)Dim a0 As Single, k1 As Singlea0 = 3.1415926 * (dt11 * dt11 - dt21 * dt21) / 4k1 = 1.5ax1 = a0 1.5 * (k1 / 2) 0.5 * v / f 0.5End SubPrivate Sub Command2_Click()Form2.ShowEnd SubPrivate Sub Command3_Click()Unload MeEnd Sub附錄B度曲線VB編程代碼Private Sub Command1_Click() Dim i As Integer, j As Integer Form2.Line (1500, 5000)-(1500, 1000), vbRed Form2.Line -(1450, 1100), vbRed Form2.Line (1500, 1000)-(1550, 1100), vbRed Form2.CurrentX = 900 Form2.CurrentY = 1000 Form2.Print 加速度 Form2.Line (1500, 5000)-(6500, 5000), vbRed Form2.Line -(6400, 4950), vbRed Form2.Line (6500, 5000)-(6400, 5050), vbRed Form2.CurrentX = 6150 Form2.CurrentY = 5050 Form2.Print 時間 i = 0 Do While i = 16 Form2.CurrentX = 1650 + (i - 1) * 250 Form2.CurrentY = 5000 Form2.Print 5 * i i = i + 1 Loop i = 0 Do While i = 6 Form2.CurrentX = 1250 Form2.CurrentY = 4500 - i * 500 Form2.Print 5 * (i + 1) i = i + 1 Loop Form2.Line (2000, 5000)-(2000, 3400), vbGreen Form2.Line -(2250, 3000), vbGreen Form2.Line -(2750, 2400), vbGreen Form2.Line -(3700, 2400), vbGreen Form2.Line -(4250, 3000), vbGreen Form2.Line -(4500, 5000), vbGreen Form2.Line (1500, 2800)-(2400, 1800), vbGreen Form2.Line -(4500, 1800), vbGreen Form2.Line -(5500, 5000), vbGreen Form2.CurrentX = 1500 Form2.CurrentY = 5000 j = 1 Do While j = 70 Form2.Line -(1500 + j * 50), (5000 - a(j) * 100 / 9.8), vbBlue j = j + 1LoopEnd SubPrivate Sub Command2_Click() Unload MeEnd SubPrivate Sub Label1_Click()End Sub附錄C液壓缸設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)表序號 緩沖長度（m） 速度（m/s) 加速度（m/s/s) 液壓阻力（n) 0 13.33333 0 0 1 1.330981E-02 13.31765 15.68 7526.4 2 2.658042E-02 13.28629 31.36 15052.8 3 3.979615E-02 13.23925 47.04 22579.2 4 5.294132E-02 13.17653 62.72 30105.6 5 6.600025E-02 13.09813 78.4 37632 6 7.895726E-02 13.00405 94.08 45158.4 7 9.179667E-02 12.89429 109.76 52684.8 8 0.1045028 12.76885 125.44 60211.2 9 0.11706 12.62773 141.12 67737.59 10 0.1294525 12.47093 156.8 75264 11 0.1416647 12.29845 172.48 82790.4 12 0.1536809 12.11029 188.16 90316.8 13 0.1654855 11.90645 203.84 97843.2 14 0.1770626 11.68693 219.52 105369.6 15 0.1883968 11.45173 235.2 112896 16 0.1994722 11.20085 250.88 120422.4 17 0.2102732 10.93429 266.56 12794