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1、汽车碰撞模拟与建模仿真技术汽车碰撞模拟与建模仿真技术熊金凤 东北林业大学交通运输工程学院 150040 摘要摘要 针对汽车碰撞问题，根据计算机建模仿真技术，结合汽车碰撞的原理，通过以 SC6350 客车正面碰撞的仿真模拟为例及相关内容的论述，对汽车碰撞模拟进行深入的阐 析，指出当代虚拟试验模拟技术具有重大研究价值。 关键词关键词 碰撞；模拟；仿真 Abstract In allusion to a problem specifically for the automobile, according to the simulation technology, and taking the SC6
2、350 passenger car as example, the author explain the collision with automobile in-deep, then point out suppositional experiment of the present age simulating a technology having significant research value. Keywords modeling；collision；simulation 绪论计算机建模与仿真技术是利用系统模型对实际或设想的系统进行试验研究的一门综合 性技术。它是把数字信息变为以图
3、形、图像形式表示，随时间和空间变化而变化的直观仿 真过程呈现在人们面前，使研究人员能够知道系统中变量之间、变量与参数之间、变量与 外部环境之间的关系，直接获得系统的静态和动态特性。由于交通工程的复杂性，仅靠采 用理论推导、物理实验和专家评价等方式难以科学评价交通设计的合理性，同样也无法对 设计指标进行科学的研究。限于交通工程的特殊性，利用计算机仿真技术显得十分必要和 迫切。 国内外在建模与仿真分析方面的研究已经开展多年，取得了丰富的研究成果。在企业 建模方面也取得相当多的研究成果。比较著名的研究成果有 GRAI/GIM 方法、CIMOSA 方法、 IDEF 方法、ARIS 体系结构、PERA
4、方法与 TOVE 方法等，另外工作流建模技术、面向对象建 模方法也取得了不少研究成果。这些方法从不同的角度和出发点提出了自己对于企业这个 复杂系统的理解，并给出了描述企业的方法，同时也开发了许多相应的工具系统。1 国外情况 自 1986 年 LS-DYNA 首次成功地模拟了整车大变形之后，基于动态显式非线性有限元 技术的计算机仿真方法在国外已广泛用于预测汽车的耐碰撞性能，有关汽车耐碰撞性计算 机模拟的案例如雨后春笋般层出不穷。1.1 100%正面碰撞的计算机模拟 由于汽车正面碰撞是最常见的交通事故之一，而目正面碰撞事故中造成的死亡人数占 首位，汽车正面碰撞无疑是汽车被动安全性研究的主要内容，美
5、国及欧洲等国在制定被动 安全性法规时，也首先是围绕这方面的内容来进行的。因此，汽车正面碰撞的计算机模拟 是汽车碰撞仿真研究的核心内容。 国外在这方而的研究工作一方面集中在对汽车主要吸能构件碰撞性能的基础研究中。 为了使问题具有代表性和便于分析，常选用闭口薄壁直梁作为主要研究对象，对其进行薄 壁直梁件的准静态轴向压缩和动态碰撞试验和计算机仿真模拟研究，通过对比试验结果和 计算机仿真模拟中闭口薄壁直梁的变形形态或模式及变形量的时间历程，可以检验计算机 仿真模拟方法及其中的仿真控制参数设置的正确性及仿真结果的可靠性。由于试验次数及 试验条件的限制，通过试验获取的信息总是有限，往往在确信计算机仿真结果
6、正确后，便可在此基础上，通过仿真计算来研究小同结构和尺寸的闭口薄壁直梁在碰撞过程中的行为。 为了提高所设计车身的结构耐撞性，国外在车身结构的设计阶段，对车身正面碰撞关键部 件如前纵梁、前翼子板、发动机罩及考虑发动机影响的整个车身在正而碰撞中的变形模式、 减速度和能量吸收情况等进行计算机仿真模拟，以确保所开发的产品先大具有良好的耐撞 性能。此外，车身耐撞性结构优化的设计，也主要以计算机仿真模拟技术为主，相应的工 作包括原始结构仿真模型的校验和结构的优化两方而内容。在结构优化设计的初期，其计 算机仿真模型的有效性应通过整车的碰撞实验来验证，也即小断调整有限元模型的各个细 节，使模拟的结果与实验结果
7、一致:接下来，便可通过修改部件的细微结构来提高客车的耐 撞性。虽然提高客车耐撞性的最终目标是减小正面碰撞试验中假人的各项伤害指标，但这 些参数与客车结构本身的加速度时间历程有密切的相关性。因此，结构优化设计的耐撞性 评价可通过客车前地板处某一点的加速度曲线峰值的大小来度量。通过分析结构各部件与 加速度曲线波峰值和波谷的关系，然后修改这些部件的细微结构，加强或减弱其结构强度， 以增强其对碰撞能量的吸收能力，从而使整车加速度增加或降低以接近理想的加速度曲线。1.2 30%的偏碰撞和 40%偏碰撞 其障碍物可为刚性墙或可变形体。这是因为与正面碰撞相比，在非正对的偏斜碰撞中， 车体前端的结构侵入乘员空
8、间的情况会更严重，容易对结构入侵侧乘员造成伤害。因此， 汽车偏碰的计算机模拟对于研究汽车的耐撞性也是十分重要的，其研究的方法与汽车正面 碰撞的计算机其仿真模拟的研究方法基本类似，但在整车模拟中的重点考虑对象与正面碰 撞不完全相同，除前纵梁及前围板件外，偏碰侧的前轮胎、前门框、方向盘及其立柱等在 也是重点考虑和研究对象。同时，研究汽车在偏碰(包括左偏碰和右偏碰)过程中其左右前 纵梁的减速度特性，对于汽车安全气囊匹配的研究尤其重要。安全气囊的基木思想是:在发 生一次碰撞后、二次碰撞前能在乘员和汽车内部结构之间迅速打开一个充满气体的袋子， 让乘员扑在上面，以达到保护乘员的目的。由于汽车结构的小完全对
9、称性，汽车左偏碰和 右偏碰过程中车上同一点的减速度曲线是有差别的，而目前汽车所配的安全气囊的点火信 号是通过安装在汽车传动轴通道或汽车左右前纵梁处的安全电子控制单元 ECU( Electronic Control Unit)来控制的，该控制单元由加速度传感器、微处理器和其它元件 组成。其中，加速度传感器用来检测汽车在碰撞过程中的减速度时间历程，并送给微处理 器进行处理，以控制安全气囊在汽车碰撞过程中点火时刻。要使安全气囊在汽车碰撞过程 中对乘员起到有效的保护，点火时刻的确定十分关键。而这一问题又与汽车碰撞过程中减 速度密切相关，国外在这方而的研究已相当深入，并不亚于汽车的正而碰撞。1.3 汽车
10、侧碰的计算机模拟 从汽车事故统计可以看出，侧而碰撞所造成的人员伤亡仅次于正而碰撞，主要表现为 乘员在侧而碰撞事故中头部严重受伤。由于汽车侧而碰撞对乘员伤害的严重性，美国和欧 洲也都相应建立了汽车侧而碰撞的相关法规。因此，进行汽车侧而碰撞的模拟分析对于提 高汽车侧而碰撞的耐一撞性是很重要的。模拟中需要重点考虑的是侧门周围的结构，包括 侧门、门框、立柱、冲击侧车顶和地板结构、乘员座椅等，所希望的目标是立柱和车门要 变形小。2 国内情况 虽然我国已陆续开始实施汽车被动安全性认证法规，已有一些研究机构开展了汽车安 全性的专门研究，但国内有关汽车被动安全性的研究大多集中在已定型生产的实车的检测方面，并且
11、整车计算模型规模较大，每次计算都将耗费大量的机时和计算机资源，在进行 汽车碰撞的计算机仿真模拟时，国内外的做法都是先通过对基木结构的碰撞研究，掌握建 模和碰撞计算要点，在此基础上研究汽车主要吸能部件的耐碰撞性能，最后才是对整车进 行计算机仿真模拟。所不同的是国外在汽车碰撞主要吸能部件的基础研究、关键零部件的 吸能模式和机理研究、不同碰撞类型的研究、安全气囊的设计和匹配、吸能结构的优化设 计研究等方面的计算机仿真模拟已经相当深入和广泛，积累了大量的经验和数据资料，并 成功地将该技术应用到了汽车产品开发中，使得他们所生产的汽车在结构的耐撞性和对乘 员的保护方面与国内比都遥遥领先。 国内在汽车碰撞的
12、计算机仿真模拟的研究目前还远远不够，虽然在汽车碰撞主要吸能 部件的基础研究、关键零部件的吸能模式研究和整车正而碰撞的计算机仿真模拟方面已经 开展了一些工作，取得了一些成绩，但与国外相比还有很大差距，一方面是在汽车碰撞主 要吸能部件的基础研究和关键零部件的吸能模式和机理研究方而的工作还不够深入，积累 的经验和数据资料还非常有限：另一方面偏碰撞和侧面碰撞、安全气囊的设计和匹配、吸 能结构的优化设计等方而的研究的工作还未开展，在国内汽车产品的开发中进行汽车结构 耐撞性设计还非常少见，也很少成功的工程应用报道。3 SC6350 客车正面碰撞仿真模拟 在深入探讨影响汽车碰撞计算机仿真分析各项因素的基础上
13、以 SC6350 客车的碰撞为例， 来说明汽车碰撞实验与建模仿真。 SC6350 整车有限元模型 对 SC6350 正面碰撞进行了计算机仿真模拟通过与实车碰撞 试验结果的对比 探索和总结了客车正面碰撞计算机仿真模拟的关键技术要领，最终达到了 以较小的单元规模和较少的机时在满足工程精度要求的条件下模拟客车整车正面碰撞时间 历程 预测客车正面碰撞的耐撞性。3.1 SC6350 客车碰撞关键部件与总成的处理及整车模型的建立 客车车身建模是一个复杂 烦琐的过程 其工作量约占客车碰撞模拟仿真所需工作量的 一半左右。由于模型的质量将直接影响到后续计算的成败 因此 在建模的过程中就应为后 面的网格划分工作做
14、好准备 实车模型的简化方法和原则是其中非常重要的一环。本模型基 于工程实际条件和需要 模拟的效率与精度的平衡是整个工作的出发点。3.1.1 整车几何模型的建立 分析中车身的三维几何模型是沿用长安公司设计人员在 UGII 已建好的比较详细的 CAD 模型 本文将该数据文件通过标准的图形交换接口输入到 ANSYS/LS-DYNA3D 的前处理 器中，利用 ANSYS 的前处理功能，在输入车身几何模型的基础上进行整车的建模工作。由 于 ANSYS/LS-DYNA3D 与其它 CAD 软件的接口能力较差，也由于车身几何模型本身的复杂性 在 ANSYS/LS-DYNA3D 的前处理器中可以看到，从 UG
15、II 倒入的几何模型数据丢失相当严重， 并且有相当多的小于 2mm 的线段和大量的微小的面还存在许多距离小于 1mm 而在有限元中 它们应为同一节点的点。因此，处理起来难度较大。3.1.2 模型规模及单元尺寸确定 汽车结构的耐撞性数值模拟是一个大型复杂结构的大变形、非线性、弹塑性动态有限 元问题 涉及的因素较多。从数学和力学的角度来看都是一个难度很大的问题，加之整车建 模工作量较大 仿真模拟技术难度较高。国外过去化了大量的人力、时间和经费来进行模拟 计算，并且所建立的模型单元总数一般都在数十万以上，规模较大，对硬件设备的要求较高，求解时间较长。尽管如此，也总不能得到满意的结果，长期以来都是通过
16、汽车的碰撞 试验来解决汽车的被动安全性问题。因此，要实现汽车碰撞的计算机仿真模拟，并能兼顾 “效率与精度”的平衡在几何模型的合理简化，单元形状和大小的选择等都必须仔细考虑， 以确定将来所建立的整个模型的规模与大小，并能较好地处理其中的关键部件以求缩短求 解时间，提高求解精度根据 ANSYS/LS-DYNA3D 显式算法的特点所要求的模拟时间长短和目 前国内企业的计算机硬件条件，本文决定将所建模型的整体规模控制在 25000 个单元左右， 以求能在 10 个小时左右的时间里得到计算结果。为此对整车各部件根据其所在的位置和 可能的变形 决定其单元的尺寸大小。3.3.3 前纵梁应变分析 图 3.1 为整车纵梁应变分布云图。从图中可以清楚看出： 1)纵梁前段发生了折叠式塑性变形 在图中显示为灰色； 2)驾驶员座位下与前门槛板对应的纵梁部分也发生了大的变形，在应变分布云图中基 本全为灰色，这于客车发动机周围的地板的塑性变形有密切关系。图 3.1 整车纵梁碰撞结束时的应变分布云图3.3.4 整车应力分析 整车 Von-Miss 等效应力分布云图如图 3.2 所示。从图中可以清楚看
