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研究生:褚訓志
研究生(外文):Hsun-Chih Chu
論文名稱:大客車翻覆碰撞之模擬與分析
論文名稱(外文):Rollover Impact Simulation and Analysis for a Large Passenger Vehicle
指導教授:胡惠文
指導教授(外文):Huiwen Hu
學位類別:碩士
校院名稱:國立屏東科技大學
系所名稱:車輛工程系所
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2008
畢業學年度:96
語文別:中文
論文頁數:117
中文關鍵詞:翻覆碰撞分析大客車ECE R66
外文關鍵詞:rollover impactCAElarge passenger vehicleECE R66
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本論文目的主要是應用採用CAD及CAE技術,進行大客車翻覆碰撞分析,探討大客車動態翻覆碰撞行為。車型為BX212MAT-S45。內容包括建立車體結構、底盤大樑、地枕結構以及底盤前後軸、輪胎等結構之CAD圖檔、CAE分析模型、碰撞分析、以及相關材料之機械性質測試。分析比較樑元素及殼元素在動態翻覆碰撞變形的差異、加入蒙皮、玻璃及內裝之完整模型與簡易模型比較、考慮焊接點、鉚釘及風管螺絲對翻覆碰撞變形之影響,並針對樑元素模型及完整模型進行結構補強,文中將針對從動態翻覆碰撞變形、能量吸收差異及乘客安全空間侵入的問題三個方向進行探討。分析條件是以歐盟法規ECE R66訂定之翻覆測試條件為參考基準,包括翻覆的高度、等效翻覆速度的計算、以及乘客安全空間的尺寸,本文使用之CAD分析軟體為UG(unigraphics),CAE分析軟體為ANSYS 10.0版。
This research investigates the simulation and rollover impact analysis of a large passenger vehicle by using the CAD/CAE technique. A commercial code UG is used to rebuild the three dimensional CAD model of the vehicle structures, and then establish the CAE or finite element model by using the software ANSYS. Finally, the rollover impact simulation and analysis is performed by using software LS_DYNA based on the regulation ECE R66. The simplified models, i.e. beam model and shell model, which include the main body structures, chassis structure, suspension, power train system. The other parts are considered as concentrated or distributed masses in the simplified models. A full model is also developed to include the previous main structures as well as the other parts such as window glasses, outside panel, inside trim and floor. The join conditions, i.e. welding, rivet and screw, between the main body structures and outside panels are also investigated in this research. The large passenger vehicle BX212MAT-S45. is used in this research.
目 錄

摘要 I
Abstract II
謝誌 III
目 錄 IV
表目錄 X
圖目錄 XII
第1章 緒論 1
1.1 研究動機 1
1.2 文獻回顧 3
1.3 ECE R66法規簡介 6
第2章 大客車整車之有限元素模型 9
2.1電腦輔助工程設計與分析模型 9
2.1.1建立電腦輔助設計(CAD)模型 9
2.1.2建立電腦輔助分析(CAE)模型 10
2.1.3建立乘客安全空間 13
2.1.4元素及實體常數選用 13
2.2材料模型 16
2.2.1車體結構鋼材之材料模型與實驗 16
2.2.2蒙皮、玻璃及內裝材料選用 19
2.3負載與邊界條件 24
2.3.1模型接觸型式定義 24
2.3.2邊界條件設定 24
2.3.3求解時間輸出設定及單位時間間隔控制 26
2.4樑元素模型 27
2.4.1建立樑元素分析模型 27
2.4.2樑元素及殼元素模型差異概述 28
2.4.3樑元素模型分析建議 28
2.5殼元素模型 29
2.5.1建立殼元素分析模型 29
2.5.2車體及地枕配重 30
2.6完整模型 30
2.6.1建立理想模型 30
2.6.2建立考慮焊接點及鉚釘有限元素分析模型 35
2.6.3考慮風管螺絲有限元素模型建立 38
第3章 分析結果與討論 40
3.1模型重心高等效速度及慣性矩比較 40
3.2樑元素與殼元素分析結果與比較 40
3.2.1模型起始動能差異 40
3.2.2模型碰撞變形現象比較 41
3.2.3模型能量吸收情形差異 44
3.2.4碰撞過程中乘客安全空間分析 47
3.3殼元素模型與完整模型(理想)分析結果與比較 51
3.3.1模型碰撞變形現象比較 51
3.3.2模型能量吸收情形差異 57
3.3.3碰撞過程中乘客安全空間分析 60
3.4完整模型(考慮接點) 分析結果與比較 63
3.4.1模型碰撞變形現象比較 63
3.4.2模型能量吸收情形差異 65
3.4.3碰撞過程中乘客安全空間分析 68
第4章 結構補強設計分析 72
4.1主樑結構尺寸變更設計 72
4.1.1樑元素有限元素分析模型修改 72
4.1.2斷面寬度、長度及厚度對慣性矩之影響 74
4.2主樑及接點局部補強 77
4.2.1接點局部補強參考 77
4.2.2樑元素模型補強修改 79
4.2.3殼元素完整模型之補強修改 81
4.3樑元素模型之主樑尺寸變更補強設計 83
4.3.1碰撞變形現象比較 83
4.3.2能量吸收情形差異 85
4.3.3碰撞過程中乘客安全空間分析 88
4.4樑元素模型之主樑及接點局部補強 90
4.4.1碰撞變形現象比較 90
4.4.2能量吸收情形差異 92
4.4.3碰撞過程中乘客安全空間分析 96
4.5殼元素完整模型之局部補強 101
4.5.1碰撞變形現象比較 101
4.5.2能量吸收情形差異 103
4.5.3碰撞過程中乘客安全空間分析 106
第五章 結論及建議 110
5.1結論 110
5.2建議 111
參考文獻 113
作者簡介 115
附錄A Hourglassing (沙漏能) 116


表目錄
表1-1 歷年交通事故統計 1
表1-2 近六年大客車翻覆事件統計資料 2
表2-1 底盤元件重量表 12
表2-2 底盤實際結構與分析模型重量及重心差異 13
表2-3 實體常數設定表 16
表2-4 材料機械性質 19
表2-5 蒙皮、玻璃、門及內裝元件重量 33
表2-6 整車配重及重心差異 35
表3-1 重心高等效速度及慣性矩比較 40
表3-2 樑元素及殼元素起始動能差異 41
表3-3 樑元素模型及殼元素模型變形比較 42
表3-4 整車能量比較表 47
表3-5 殼元素模型及完整模型(理想)變形比較 55
表3-6 考慮焊接點和鉚釘模型及考慮風管螺絲模型變形比較 63
表4-1 改變Z方向尺寸對慣性矩影響 75
表4-2 改變Y方向尺寸對慣性矩影響 75
表4-3 改變厚度尺寸對慣性矩影響 76
表4-4 斷面變更選用 77
表4-5 樑元素模型及修改主樑尺寸模型翻覆碰撞變形比較 83
表4-6 樑元素模型與主樑接點局部補強模型翻覆碰撞變形比較 90
表4-7 局部補強模型(主樑厚度1.4mm與2.0mm)翻覆碰撞變形 比較 101




圖目錄
圖1-1 ECE R-66 翻覆測試示意圖 7
圖1-2 類靜態測試示意圖 7
圖1-3 乘員安全空間尺寸設計 8
圖2-1 整車CAD模型 10
圖2-2 整車CAD爆炸圖 10
圖2-3 整車有限元素模型 11
圖2-4 底盤元件重量量測 12
圖2-5 乘客安全空間分析模型 13
圖2-6 樑元素BEAM161示意圖 14
圖2-7 殼元素SHELL163示意圖 14
圖2-8 實體元素SOLID164示意圖 15
圖2-9 質量元素MASS166示意圖 15
圖2-10 車體結構材料之應力應變曲線 18
圖2-11 降伏點後材料應力應變分析曲線 18
圖2-12 試件斷裂情形 18
圖2-13 玻璃拉伸試驗 20
圖2-14 玻璃拉伸應力應變曲線 21
圖2-15 玻璃拉伸蒲松比曲線 21
圖2-16 鋁合金6061拉伸試驗應力應變曲線 22
圖2-17 鋁合金6061塑性分析曲線 22
圖2-18 楓木應力應變曲線 23
圖2-19 楓木蒲松比曲線 23
圖2-20 翻覆分析邊界示意圖 25
圖2-21 重心位置變化計算示意圖 25
圖2-22 樑元素有限元素分析模型 28
圖2-23 殼元素有限元素分析模型 29
圖2-24 整車完整模型 31
圖2-25 整車完整模型(隱藏蒙皮及玻璃) 32
圖2-26 玻璃尺寸量測 32
圖2-27 側邊蒙皮焊接點 36
圖2-28 側邊鉚釘接點 36
圖2-29 蒙皮與骨架膠合狀況 37
圖2-30 考慮焊接點及鉚釘有限元素分析模型 37
圖2-31 風管螺絲有限元素分析模型 38
圖2-32 風管螺絲有限元素分析模型(隱藏車頂塑鋁板) 39
圖3-1 樑元素模型整車能量分佈 45
圖3-2 樑元素模型結構分部能量分佈 45
圖3-3 殼元素模型整車能量分佈 46
圖3-4 殼元素模型結構分部能量分佈 46
圖3-5 樑元素模型乘客安全空間變形情形(0~0.3 sec) 47
圖3-6 殼元素模型乘客安全空間變形情形(0~0.3 sec) 49
圖3-7 樑元素模型乘客安全空間變形情形(0.07 sec) 51
圖3-8 殼元素模型乘客安全空間變形情形(0.07 sec) 51
圖3-9 完整模型(理想)在0~0.3秒內的結構變形 52
圖3-10 殼元素整車能量分佈(與圖3-3相同) 58
圖3-11 殼元素結構分部能量分佈(與圖3-4相同) 58
圖3-12 完整模型(理想)整車能量分佈 59
圖3-13 完整模型(理想)結構分部能量分佈 59
圖3-14 0.06秒整車乘客安全空間情形(與圖3-6 (a)相同) 60
圖3-15 完整模型(理想)0~0.3秒內乘客安全空間的變形 61
圖3-15 完整模型(理想)0~0.3秒內乘客安全空間的變形(續) 62
圖3-16 考慮焊接點及鉚釘模型整車能量分佈 66
圖3-17 考慮焊接點及鉚釘模型分部能量分佈 66
圖3-18 考慮風管螺絲模型整車能量分佈 67
圖3-19 考慮風管螺絲模型結構分部能量分佈 67
圖3-20 考慮焊接點及鉚釘模型乘客安全空間變形情形(0~0.3 sec) 68
圖3-21 考慮風管螺絲模型乘客安全空間變形情形(0~0.3 sec) 70
圖4-1 樑元素模型 73
圖4-2 側邊及車頂主樑 73
圖4-3 修改主樑尺寸之有限元素模型 73
圖4-4 修改側邊及車頂主樑尺寸 74
圖4-5 主樑斷面示意圖 74
圖4-6 改變Z方向尺寸對慣性矩影響趨勢 75
圖4-7 改變Y方向尺寸對慣性矩影響趨勢 76
圖4-8 改變厚度尺寸對慣性矩影響趨勢 76
圖4-9 側邊T型補強板 78
圖4-10 車頂彎角及側邊T型補強板 78
圖4-11 車頂彎角補強板 79
圖4-12 樑元素局部補強有限元素模型 80
圖4-13 樑元素局部補強有限元素模型放大圖 80
圖4-14 殼元素局部補強有限元素模型 81
圖4-15 殼元素局部補強有限元素模型局部補強板分佈情形 82
圖4-16 殼元素局部補強有限元素模型放大圖 82
圖4-17 樑元素整車能量分佈(與圖3-1相同) 86
圖4-18 樑元素結構分部能量分佈(與圖3-2相同) 86
圖4-19 修改主樑斷面模型整車能量分佈 87
圖4-20 修改主樑斷面模型結構分部能量分佈 87
圖4-21 修改主樑斷面模型乘客安全空間變形情形(0~0.3 sec) 88
圖4-22 樑元素模型整車能量分佈(與圖3-1相同) 93
圖4-23 樑元素模型結構分部能量分佈(與圖3-2相同) 93
圖4-24 主樑接點局部補強模型整車能量分佈 94
圖4-25 主樑接點局部補強模型結構分部能量分佈 94
圖4-26 車頂彎角補強板產生的塑性變形 95
圖4-27 0.09秒地枕及底盤主樑的變形 95
圖4-28 0.1秒地枕及底盤主樑的變形 96
圖4-29 主樑接點局部補強模型乘客安全空間變形情形(0~0.3 sec) 97
圖4-30 樑元素模型0.08秒乘客安全空間5變形 99
圖4-31 主樑接點局部補強模型0.09秒乘客安全空間5變形 99
圖4-32 主樑接點局部補強模型0.1秒乘客安全空間5變形 100
圖4-33 主樑尺寸1.4mm模型整車能量分佈 104
圖4-34 主樑尺寸1.4mm模型分部能量分佈 104
圖4-35 主樑尺寸2.0mm模型整車能量分佈 105
圖4-36 主樑尺寸2.0mm模型結構分部能量分佈 105
圖4-37 主樑尺寸1.4mm模型乘客安全空間變形情形(0~0.3 sec) 106
圖4-38 主樑尺寸2.0mm模型乘客安全空間變形情形(0~0.3 sec) 108
參考文獻
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