汽车行业的迅猛发展,在给人们提供便利的同时,道路交通安全事故时常发生,其中客车侧翻事故较为突出,单次载客量大致群死群伤严重后果,已成为全社会共同关注并努力解决的重要社会问题之一。对于客车结构侧翻碰撞安全性的研究主要有两种方式:实车侧翻试验和计算机模拟分析。但实车侧翻试验的周期长、成本高昂、技术难度大及实施过程复杂等缺点,已不能满足日趋激烈的市场竞争形势;以非线性动态显式积分算法为基础的结构碰撞分析商用软件,主要采用中心差分格式,计算时间过长,分析结果受工程师的经验和知识水平影响较大,严重影响了计算效率的提升,增加了产品开发成本。考虑到客车侧翻碰撞的塑性大变形特点,与金属板料冲压成形相似,本文将基于塑性全量理论的金属板料成形“一步有限元法”思想引入客车侧翻碰撞模拟中,依托“基于拟全量理论的超大步长高精度板成形快速模拟算法”国家自然基金课题,提出一种基于全量理论的客车侧翻一步碰撞快速算法。先分别从算法的计算原理、单元模型研究和算法实例分析三个部分,对侧翻一步碰撞算法进行论述;再分别从初始解预示、单元模型选择和算法迭代效率三个方面,对所提算法作进一步改进研究,并对最终改进算法实际应用效果进行检验。本文侧翻一步碰撞算法将可应用于客车结构设计初期,在基本保证工程计算所需精度的前提下,快速获得侧翻碰撞结构的最终变形,对客车结构侧翻安全性能进行快速评价,缩短产品开发周期,降低研发成本。同时,可为后续针对客车侧翻碰撞安全性的灵敏度分析、参数优化及拓扑优化算法研究提供必要支撑条件;并可对非线性隐式理论在结构碰撞模拟中的应用进行探索,为更复杂的正碰撞快速算法研究奠定坚实的前期基础。按照上述研究思路,本文主要完成以下几方面的工作:一、构建基于全量理论的客车侧翻一步碰撞快速算法理论架构。根据客车侧翻碰撞过程特点,参考金属板料冲压一步成形快速算法思想,提出一种基于全量理论的客车侧翻一步碰撞快速算法。首先,对算法计算原理进行详细介绍,主要包括:算法计算过程简化、侧翻碰撞计算模型假设、塑性本构关系、基于最大惯性力加载和能量转换原理的初始解预示、碰撞接触判断与修正方法及初始解的广义失衡力平衡迭代等部分;接着,将算法应用FORTRAN语言进行程序化,并阐述了有限元程序的详细执行流程。二、侧翻一步碰撞算法的单元模型研究。首先,对客车结构侧翻碰撞过程中因部分结构变形过大导致的四节点薄壳单元翘曲问题进行翘曲修正改进;接着,在单元翘曲修正基础上,应用基于离散Kirchhoff理论(Discreted Kirchhoff Theory DKT)的四节点薄板单元和四节点等参膜单元,构造出应用于侧翻一步碰撞算法的空间四节点DKT组合薄壳单元模型;最后,基于塑性全量理论,对改进后的空间四节点DKT组合薄壳单元的节点广义内力进行计算,应用于算法初始解的广义失衡力平衡迭代过程。三、侧翻一步碰撞算法的实例分析。以某企业实际开发的12米公路客车典型车身段作为分析对象,以结构最终变形形态、两封闭环两侧立柱变形量及有限元模拟效率作为对比评价指标,将本文算法模拟结果与LS-DYNA分析及实车侧翻试验结果进行对比,检验了该算法体系的实际工程应用效果。四、侧翻一步碰撞算法的改进研究。为了在基本保证算法计算精度的前提下,进一步提高模拟效率,在初始解预示、单元模型及算法迭代效率三个方面,对上述原始算法作进一步改进研究:首先,初始解预示改进研究。提出一种基于标准模板映射原理的初始解预示方法。通过对多款客车侧翻碰撞结构变形结果进行分析,建立车体结构变形前后的标准模板;根据结构变形前后各节点在标准模板中对应的映射关系,应用节点广义坐标插值方法,快速获得算法所需初始解。通过上述典型车身段模型,检验了所提初始解预示方法的有效性:改进算法在计算精度基本保持不变的同时,模拟效率有了一定程度提高。其次,单元模型改进研究。基于单元节点内力及弯矩平衡原理,提出一种兼顾精度和效率的可考虑单元弯曲效应的四节点膜单元模型,以替代原始算法中的改进的空间四节点DKT组合薄壳单元。该单元模型对一般四节点膜单元无法考虑弯曲变形和无法计算单元节点法向力的缺点进行修正,在节点自由度不增加的同时,模拟单元弯曲变形的影响,大幅提高了算法的模拟效率。通过上述典型车身段模型,检验了所提改进单元模型的工程计算效果:改进算法在略微牺牲一点计算精度的情况下,模拟效率有了一定程度提高。接着,算法迭代效率改进研究。先在原始算法中引入改进型梯度法,对Newton-Raphson迭代过程进行改进:通过定义广义失衡力“2”范数Λ,计算各节点的广义失衡力及其梯度,对各节点的广义坐标进行扰动,寻找各广义失衡力梯度的下降方向,不计算结构整体刚度矩阵[KT(u)],迭代至结果收敛;再将摄动思想引入上述基于改进型梯度法的广义失衡力平衡迭代过程,每次只有针对性地对部分节点进行扰动,进一步提高算法的模拟效率。通过上述典型车身段模型,检验了所提改进方法的实际应用效果:改进算法在基本保证计算精度不变的情况下,模拟效率有了较大程度提高。五、最终改进算法实际应用效果的检验。同时应用基于标准模板映射原理的初始解预示方法、兼顾精度与效率的可考虑单元弯曲效应的四节点弯曲修正膜单元、改进型梯度法及摄动思想对侧翻一步碰撞原始算法进行改进,仍以上述典型车身段作为分析对象,对最终改进算法的实际应用效果进行检验:在基本保证工程计算所需精度的情况下,模拟效率有了很大幅度的提高。