專利名稱：基于汽車碰撞安全的門鎖系統(tǒng)建模及仿真方法
基于汽車碰撞安全的門鎖系統(tǒng)建模及仿真方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及門鎖系統(tǒng)的建模及仿真方法，尤其涉及基于汽車碰撞安全的門鎖系統(tǒng)建模及仿真方法，屬于計算機仿真技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近年來，隨著汽車保有量的不斷增加，由于交通事故而導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)社會問題日益突出。據(jù)統(tǒng)計，2008年全國共發(fā)生道路交通事故沈5204起，造成73484人死亡、304919人受傷，直接財產(chǎn)損失達(dá)到10. 1億元。因此，汽車安全問題已經(jīng)日益得到政府、消費者和汽車制造廠商的重視。在汽車發(fā)生碰撞的過程中，如果門鎖系統(tǒng)解鎖而致使車門開啟，則會存在將乘員甩出而導(dǎo)致乘員受到二次傷害的風(fēng)險。因此，使車門在碰撞中保持閉合狀態(tài)，并且進(jìn)而保證乘員艙的完整性，這已是考核汽車安全性能的重要指標(biāo)之一。對此，我國法規(guī)GB11551-2003 《汽車正面碰撞的乘員保護(hù)》、GB20071-2006《汽車側(cè)面碰撞的乘員保護(hù)》均規(guī)定，在汽車碰撞過程中不允許車門開啟。實際上，如果能合理有效地控制門鎖系統(tǒng)的運動及其構(gòu)件的變形，就能避免由于門鎖系統(tǒng)解鎖而導(dǎo)致的車門開啟，所以有必要對門鎖的碰撞安全性能展開研究。由于實車碰撞的持續(xù)時間不到一秒鐘，加之門鎖系統(tǒng)所處的車門內(nèi)空間狹小，很難通過攝像設(shè)備記錄門鎖的運動和變形過程。而計算機仿真方法可以模擬門鎖系統(tǒng)在任意時刻的運動和變形，因此通過仿真方法對門鎖系統(tǒng)進(jìn)行模擬具有試驗所不具備的優(yōu)點。通過對現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索，目前尚未發(fā)現(xiàn)有對門鎖系統(tǒng)的碰撞安全性能進(jìn)行仿真研究的相關(guān)報道。現(xiàn)有的門鎖系統(tǒng)仿真研究僅是運用仿真軟件或者機構(gòu)學(xué)原理對門鎖系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)分析和動力學(xué)分析，其研究范圍僅僅局限于門鎖系統(tǒng)本身的機構(gòu)運動，而并沒有考慮門鎖的周圍部件(例如，車門扳金件、車窗導(dǎo)軌等)在汽車碰撞過程中對門鎖可能造成的沖擊變形影響。因此，現(xiàn)有的門鎖系統(tǒng)仿真研究也就不能準(zhǔn)確地模擬門鎖系統(tǒng)構(gòu)件在汽車碰撞過程中的變形及其對系統(tǒng)機構(gòu)運動產(chǎn)生的影響，從而對門鎖的碰撞安全性能無法做出準(zhǔn)確判斷。

發(fā)明內(nèi)容有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供基于汽車碰撞安全的門鎖系統(tǒng)建模及仿真方法，其能夠準(zhǔn)確模擬門鎖系統(tǒng)在汽車碰撞過程中的機構(gòu)運動和構(gòu)件變形，對門鎖系統(tǒng)的碰撞安全性能進(jìn)行準(zhǔn)確評價分析，從而可以縮短產(chǎn)品設(shè)計周期、節(jié)省了試驗成本，有效解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題。為實現(xiàn)上述的發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下一種基于汽車碰撞安全的門鎖系統(tǒng)建模及仿真方法，所述方法包括步驟(A)門鎖系統(tǒng)的初步建模，其包括如下步驟Al、對門鎖系統(tǒng)進(jìn)行幾何處理建模，并對所得到的門鎖系統(tǒng)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分處理，所述幾何處理和網(wǎng)格劃分處理通過使用前處理軟件來完成；A2、根據(jù)門鎖系統(tǒng)中各組成構(gòu)件之間的運動關(guān)系，對所述門鎖系統(tǒng)模型中的各組成構(gòu)件設(shè)置運動關(guān)系約束；(B)對門鎖系統(tǒng)中的拉索機構(gòu)進(jìn)行仿真處理根據(jù)所述拉索機構(gòu)的運動和傳力特點，將其運動的力學(xué)關(guān)系歸結(jié)為等效彈簧轉(zhuǎn)動的力學(xué)關(guān)系，從而使用含有等效合成彈簧的機構(gòu)來仿真模擬所述拉索機構(gòu)，并推導(dǎo)出等效合成彈簧的初始扭矩和彈性系數(shù)的表達(dá)式，所述初始扭矩是指彈簧安裝后的自然狀態(tài)扭矩；(C)向所述門鎖系統(tǒng)模型中輸入?yún)?shù)信息，所述參數(shù)信息至少包括彈簧信息，其包括彈簧材料曲線，所述彈簧材料曲線是利用彈簧的彈性系數(shù)、彈簧安裝到門鎖系統(tǒng)后的初始扭矩生成；系統(tǒng)構(gòu)件材料信息，其包括門鎖系統(tǒng)中各組成構(gòu)件各自所使用材料的厚度、密度、 楊氏模量、泊松比、應(yīng)力應(yīng)變曲線；系統(tǒng)構(gòu)件質(zhì)量信息，通過添加質(zhì)量單元的方法使所述門鎖系統(tǒng)模型中全部構(gòu)件的總質(zhì)量等于實際門鎖系統(tǒng)的質(zhì)量；(D)將當(dāng)前的所述門鎖系統(tǒng)模型移入整車碰撞有限元計算模型中進(jìn)行碰撞仿真計算處理，并對仿真結(jié)果進(jìn)行分析以判斷門鎖系統(tǒng)的碰撞安全性能，評價車門在碰撞過程中發(fā)生解鎖的風(fēng)險。優(yōu)選地，在上述技術(shù)方案中，在所述步驟(C)和(D)之間還包括步驟(E)通過與相同工況下的試驗結(jié)果進(jìn)行對比來驗證和調(diào)整所述門鎖系統(tǒng)模型，以使其與實際的門鎖系統(tǒng)相符合。優(yōu)選地，在上述技術(shù)方案中，所述門鎖系統(tǒng)模型包括把手、把手支架、拉索機構(gòu)和門鎖殼體，所述步驟(E)具體包括如下步驟E1、在所述門鎖系統(tǒng)模型基礎(chǔ)上建立驗證模型約束所述把手支架和門鎖殼體的自由度，將它們進(jìn)行固定；在所述把手的內(nèi)側(cè)創(chuàng)建一剛性圓柱體，并使所述剛性圓柱體沿著所述把手的開啟方向進(jìn)行運動以帶動所述把手運動直至門鎖被開啟；E2、對比驗證模型的計算結(jié)果與試驗結(jié)果輸出所述剛性圓柱體和把手之間的接觸力，并將所述接觸力數(shù)值與同一工況下的試驗結(jié)果進(jìn)行對比；E3、調(diào)整所述門鎖系統(tǒng)模型如果步驟E2中的對比結(jié)果超出所要求的誤差范圍， 則在確認(rèn)所述門鎖系統(tǒng)模型建立無誤的前提下，對所述步驟A2中的約束和/或所述步驟 (C)中的參數(shù)信息進(jìn)行調(diào)整，直至驗證模型的計算結(jié)果與試驗結(jié)果相同或處于所述誤差范圍內(nèi)。優(yōu)選地，在上述技術(shù)方案中，所述步驟El中的所述剛性圓柱體沿著所述把手的開啟方向進(jìn)行運動的速度范圍是0. 005m/s-0. 02m/s。優(yōu)選地，在上述技術(shù)方案中，所述步驟E3中誤差范圍是10%。優(yōu)選地，在上述技術(shù)方案中，所述步驟(D)中的所述對仿真結(jié)果進(jìn)行分析包括關(guān)鍵點位移曲線、門鎖系統(tǒng)中各組成構(gòu)件的變形、車門變形和/或門鎖系統(tǒng)中各組成構(gòu)件之間接觸力。優(yōu)選地，在上述技術(shù)方案中，所述步驟A2中的網(wǎng)格劃分尺寸為3mm。
優(yōu)選地，在上述技術(shù)方案中，所述步驟(B)中的等效合成彈簧初始扭矩和彈性系數(shù)的計算公式如下
“ IMsum = M0+YiMi ^
；=1 ri η ^2αΞηη = α +Υα^
/=1 ri式中Msum和α SUffl分別為等效合成彈簧的初始扭矩和彈性系數(shù)；Mtl和C^分別為所述拉索機構(gòu)中母機構(gòu)彈簧的初始扭矩和彈性系數(shù)；Mi和α ,分別為所述拉索機構(gòu)中子機構(gòu)彈簧i的初始扭矩和彈性系數(shù)；Ii和ri分別為拉索i在所述母機構(gòu)和子機構(gòu)的力臂長度。優(yōu)選地，在上述技術(shù)方案中，所述門鎖系統(tǒng)模型的最小時間步長與所述整車碰撞有限元計算模型的最小時間步長相等。優(yōu)選地，在上述技術(shù)方案中，所述整車碰撞有限元計算模型至少包括整車的正面 100%重疊剛性墻碰撞有限元模型、正面40%重疊可變形壁障碰撞有限元模型和側(cè)面可變形壁障碰撞有限元模型。本發(fā)明的有益效果在于(1)本發(fā)明不但能夠通過有限元方法模擬門鎖系統(tǒng)本身慣性導(dǎo)致的機構(gòu)運動，而且考慮到了車門外板、車窗導(dǎo)軌等部件對門鎖系統(tǒng)可能造成的沖擊，從而能夠精確模擬門鎖系統(tǒng)在汽車碰撞瞬間的機構(gòu)運動和構(gòu)件變形，確保仿真結(jié)果更加接近實際情形，這樣就能對門鎖系統(tǒng)的碰撞安全性能做出準(zhǔn)確評價。(2)本發(fā)明的應(yīng)用范圍廣泛，完全可以將其應(yīng)用于汽車正面碰撞、側(cè)面碰撞、翻滾等多種工況。(3)采用本發(fā)明可以顯著縮短產(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計周期，例如可以在汽車研發(fā)初始階段即通過本發(fā)明方法來模擬門鎖在碰撞過程中的運動和變形，從而能夠極大地節(jié)省試驗費用，同時本發(fā)明還具有現(xiàn)有的試驗技術(shù)所不具備的優(yōu)點，所以其實用性很強。

以下將結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。其中圖1是本發(fā)明方法的一個較佳實施例的流程圖；圖2是現(xiàn)有汽車門鎖系統(tǒng)中的典型拉索機構(gòu)的示意圖；圖3是本發(fā)明方法較佳實施例中的等效合成彈簧機構(gòu)的示意圖；圖4是本發(fā)明方法較佳實施例中的門鎖系統(tǒng)模型圖；圖5是本發(fā)明方法較佳實施例中的門鎖系統(tǒng)的驗證模型圖；圖6是本發(fā)明方法較佳實施例中的門鎖拉桿的Z向位移曲線圖；圖7是本發(fā)明方法較佳實施例中的碰撞結(jié)束后門鎖系統(tǒng)模型的變形圖。
具體實施方式
請參閱圖1，它示出了本發(fā)明方法的一個較佳實施例的流程圖。如圖1所示，通過示出的流程可以建立某車型滑移門門鎖系統(tǒng)的有限元模型，并將其移入整車有限元模型中，以模擬在50KM/h速度的側(cè)面可變形壁障碰撞的工況下門鎖系統(tǒng)的機構(gòu)運動和構(gòu)件變形。具體的流程處理步驟如下首先，通過以下的步驟S1-S3來完成門鎖系統(tǒng)的初步建模在步驟Sl中，使用前處理軟件(例如，各種適用于LS-DYNA軟件的前處理軟件) 對門鎖系統(tǒng)進(jìn)行幾何處理，以建立其實體建模；在步驟S2中，使用網(wǎng)格劃分軟件(例如，Hypermesh軟件)對所得到的門鎖系統(tǒng)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分處理，網(wǎng)格劃分的尺寸優(yōu)選為3mm。由于門鎖系統(tǒng)模型最終需要被移入整車碰撞有限元計算模型中進(jìn)行計算，因此必須保證門鎖系統(tǒng)模型的最小時間步長與整車碰撞有限元計算模型的最小時間步長一致。此外，考慮到門鎖系統(tǒng)構(gòu)件中拉桿的直徑以及時間步長，需用梁單元模擬拉桿，因此優(yōu)選休斯-劉減縮梁單元(Hughes_Liu)，以能夠準(zhǔn)確地反映可能發(fā)生的變形；在步驟S3中，根據(jù)門鎖系統(tǒng)中各組成構(gòu)件之間的運動關(guān)系，對門鎖系統(tǒng)模型中的各組成構(gòu)件設(shè)置運動關(guān)系約束在LS_DYNA前處理軟件中根據(jù)實際關(guān)系(包括梁連接、鉸鏈連接、彈簧連接和剛性連接等)添加約束。例如，使用鉸鏈約束(*C0nStrained_J0int)來模擬鉸鏈連接，使用離散單元來模擬彈簧連接，使用剛性連接(*C0nStrained_N0dal_Rigid_ Body)來模擬螺栓連接。其次，在步驟S4中，對門鎖系統(tǒng)中的拉索機構(gòu)進(jìn)行仿真處理由于無法在有限元中進(jìn)行直接模擬門鎖系統(tǒng)中的拉索機構(gòu)，但是可以根據(jù)拉索機構(gòu)的運動和傳力特點，將其運動的力學(xué)關(guān)系歸結(jié)為等效彈簧轉(zhuǎn)動的力學(xué)關(guān)系，用含有等效合成彈簧的機構(gòu)模擬拉索機構(gòu)。具體而言，請參見圖2示出的典型的拉索機構(gòu)，它包括一個含有彈簧的母機構(gòu)l、n 個(η > 1)拉索2和η個含有彈簧的子機構(gòu)3。母機構(gòu)1通過拉索2帶動子機構(gòu)3運動。 母機構(gòu)1上彈簧的初始扭矩和彈性系數(shù)分別為M0和α『任意拉索i對母機構(gòu)1和子機構(gòu) 3的力臂長度分別為Ii和子機構(gòu)扭矩彈簧的初始扭矩和彈性系數(shù)分別為Mi和α”在本文中的初始扭矩均是指彈簧安裝后的自然狀態(tài)扭矩，而彈性系數(shù)均是指彈簧受力與變形之比值。在外力F作用下，母機構(gòu)1的力矩平衡方程為
權(quán)利要求
1.一種基于汽車碰撞安全的門鎖系統(tǒng)建模及仿真方法，其特征在于，所述方法包括步驟(A)門鎖系統(tǒng)的初步建模，其包括如下步驟Al、對門鎖系統(tǒng)進(jìn)行幾何處理建模，并對所得到的門鎖系統(tǒng)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分處理，所述幾何處理和網(wǎng)格劃分處理通過使用前處理軟件來完成；A2、根據(jù)門鎖系統(tǒng)中各組成構(gòu)件之間的運動關(guān)系，對所述門鎖系統(tǒng)模型中的各組成構(gòu)件設(shè)置運動關(guān)系約束；(B)對門鎖系統(tǒng)中的拉索機構(gòu)進(jìn)行仿真處理根據(jù)所述拉索機構(gòu)的運動和傳力特點，將其運動的力學(xué)關(guān)系歸結(jié)為等效彈簧轉(zhuǎn)動的力學(xué)關(guān)系，從而使用含有等效合成彈簧的機構(gòu)來仿真模擬所述拉索機構(gòu)，并推導(dǎo)出等效合成彈簧的初始扭矩和彈性系數(shù)的表達(dá)式，所述初始扭矩是指彈簧安裝后的自然狀態(tài)扭矩；(C)向所述門鎖系統(tǒng)模型中輸入?yún)?shù)信息，所述參數(shù)信息至少包括彈簧信息，其包括彈簧材料曲線，所述彈簧材料曲線是利用彈簧的彈性系數(shù)、彈簧安裝到門鎖系統(tǒng)后的初始扭矩生成；系統(tǒng)構(gòu)件材料信息，其包括門鎖系統(tǒng)中各組成構(gòu)件各自所使用材料的厚度、密度、楊氏模量、泊松比、應(yīng)力應(yīng)變曲線；系統(tǒng)構(gòu)件質(zhì)量信息，通過添加質(zhì)量單元的方法使所述門鎖系統(tǒng)模型中全部構(gòu)件的總質(zhì)量等于實際門鎖系統(tǒng)的質(zhì)量；(D)將當(dāng)前的所述門鎖系統(tǒng)模型移入整車碰撞有限元計算模型中進(jìn)行碰撞仿真計算處理，并對仿真結(jié)果進(jìn)行分析以判斷門鎖系統(tǒng)的碰撞安全性能，評價車門在碰撞過程中發(fā)生解鎖的風(fēng)險。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于汽車碰撞安全的門鎖系統(tǒng)建模及仿真方法，其特征在于，在所述步驟(C)和(D)之間還包括步驟(E)通過與相同工況下的試驗結(jié)果進(jìn)行對比來驗證和調(diào)整所述門鎖系統(tǒng)模型，以使其與實際的門鎖系統(tǒng)相符合。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于汽車碰撞安全的門鎖系統(tǒng)建模及仿真方法，其特征在于，所述門鎖系統(tǒng)模型包括把手、把手支架、拉索機構(gòu)和門鎖殼體，所述步驟(E)具體包括如下步驟E1、在所述門鎖系統(tǒng)模型基礎(chǔ)上建立驗證模型約束所述把手支架和門鎖殼體的自由度，將它們進(jìn)行固定；在所述把手的內(nèi)側(cè)創(chuàng)建一剛性圓柱體，并使所述剛性圓柱體沿著所述把手的開啟方向進(jìn)行運動以帶動所述把手運動直至門鎖被開啟；E2、對比驗證模型的計算結(jié)果與試驗結(jié)果輸出所述剛性圓柱體和把手之間的接觸力， 并將所述接觸力數(shù)值與同一工況下的試驗結(jié)果進(jìn)行對比；E 3、調(diào)整所述門鎖系統(tǒng)模型如果步驟E2中的對比結(jié)果超出所要求的誤差范圍，則在確認(rèn)所述門鎖系統(tǒng)模型建立無誤的前提下，對所述步驟A2中的約束和/或所述步驟(C)中的參數(shù)信息進(jìn)行調(diào)整，直至驗證模型的計算結(jié)果與試驗結(jié)果相同或處于所述誤差范圍內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于汽車碰撞安全的門鎖系統(tǒng)建模及仿真方法，其特征在于，所述步驟El中的所述剛性圓柱體沿著所述把手的開啟方向進(jìn)行運動的速度范圍是 0. 005m/s-0. 02m/so
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于汽車碰撞安全的門鎖系統(tǒng)建模及仿真方法，其特征在于，所述步驟E 3中誤差范圍是10%。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于汽車碰撞安全的門鎖系統(tǒng)建模及仿真方法，其特征在于，所述步驟(D)中的所述對仿真結(jié)果進(jìn)行分析包括關(guān)鍵點位移曲線、門鎖系統(tǒng)中各組成構(gòu)件的變形、車門變形和/或門鎖系統(tǒng)中各組成構(gòu)件之間接觸力。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項所述的基于汽車碰撞安全的門鎖系統(tǒng)建模及仿真方法， 其特征在于，所述步驟A2中的網(wǎng)格劃分尺寸為3mm。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項所述的基于汽車碰撞安全的門鎖系統(tǒng)建模及仿真方法， 其特征在于，所述步驟(B)中的等效合成彈簧初始扭矩和彈性系數(shù)的計算公式如下
9.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項所述的基于汽車碰撞安全的門鎖系統(tǒng)建模及仿真方法， 其特征在于，所述門鎖系統(tǒng)模型的最小時間步長與所述整車碰撞有限元計算模型的最小時間步長相等。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項所述的基于汽車碰撞安全的門鎖系統(tǒng)建模及仿真方法，其特征在于，所述整車碰撞有限元計算模型至少包括整車的正面100%重疊剛性墻碰撞有限元模型、正面40%重疊可變形壁障碰撞有限元模型和側(cè)面可變形壁障碰撞有限元模型。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于汽車碰撞安全的門鎖系統(tǒng)建模及仿真方法，包括A、門鎖系統(tǒng)的初步建模包括對門鎖系統(tǒng)進(jìn)行幾何處理建模并網(wǎng)格劃分、對門鎖系統(tǒng)構(gòu)件施加運動關(guān)系約束；B、仿真拉索機構(gòu)用含有等效合成彈簧的機構(gòu)模擬拉索機構(gòu)，推導(dǎo)等效合成彈簧初始扭矩和彈性系數(shù)的表達(dá)式；C、向門鎖系統(tǒng)模型輸入?yún)?shù)信息包括彈簧信息、系統(tǒng)構(gòu)件材料信息和系統(tǒng)構(gòu)件質(zhì)量信息；D、將當(dāng)前的門鎖系統(tǒng)模型移入整車碰撞有限元計算模型進(jìn)行碰撞仿真計算，并分析仿真結(jié)果來判斷門鎖系統(tǒng)的碰撞安全性能。本發(fā)明能精確模擬門鎖系統(tǒng)在汽車碰撞瞬間的機構(gòu)運動和構(gòu)件變形，可對其碰撞安全性能進(jìn)行準(zhǔn)確評價分析，縮短產(chǎn)品設(shè)計周期，節(jié)省試驗成本，故實用性強。
文檔編號E05B65/20GK102201016SQ20101013056
公開日2011年9月28日 申請日期2010年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月22日
發(fā)明者孫奕, 沈海東, 趙欣超 申請人:上海通用汽車有限公司, 泛亞汽車技術(shù)中心有限公司