车辆安全技术

1、商用车碰撞仿真研究1，商用车碰撞仿真研究的国内外现状1.1 国外研究的现状国外较早开展汽车碰撞研究的是美国。美国运输部于1970年公布了开发实验安全车(ESV)的计划，一般认为，ESV计划的实施开始了汽车安全技术研究的新时代。此计划要求开发以SOkm/h的速度进行正面碰撞时仍具有高度安全性能的1800kg级试验样车。目的是弄清汽车碰撞时增加乘员生存的可能性；掌握如何依靠改进设计来减少伤亡和经济损失的一般规律；促进世界汽车工业界安全研究；将安全试验车试验研究所得到的技术资料用于制订新的安全标准。在20世纪60年代，人们开展了计算机模拟碰撞技术。随着计算机技术的高速发展和以有限元分析技术为突出代表

2、的工程计算方法的发展和日趋成熟，汽车耐撞性的数值分析正在逐步取代与改进部分实验室工作，给整个汽车碰撞模拟仿真的分析和改进带来十分深刻的影响。20世纪60年代和70年代,显式有限元程序在美国开发出来，各种算法已开始成熟,如显式积分、壳单元和接触算法等。自20世纪80年代中期第一次用有限元法进行汽车整车碰撞模拟仿真分析后，有限元法在汽车结构耐撞性分析方面的应用迅速增长，美国各大汽车公司如通用(GE)、福特(FORD)等。日本的日产(NISSAN)、丰田(TOYOTA)，西欧和韩国等国家的汽车公司有专门的分析人员配备最先进的计算机设备从事汽车结构耐撞性的有限元分析。 在有限元法用于汽车碰撞模拟仿真分

3、析的初期(上世纪80年代至90年代初)，由于试验条件、计算机条件和分析软件的限制，汽车结构分析模型的建立相对简单，也较为粗糙，考虑范围只限于部分零件，分析模型的规模也不大，单元数目一般小于20000个，分析结果与试验的吻合程度也难于保证，如建立梁单元模型进行汽车尾碰撞分析；建立18000个单元的整车有限元模型，对轿车进行碰撞模拟仿真分析等。上世纪90年代以来,伴随计算机技术的飞速发展，如超级计算机(Cray)的发展，使碰撞仿真分析在汽车工业方面的应用成为可能。人们在cray巨型计算机上应用RADI055- CRASH软件对轿车和美国福特某乘用车分别在正面全宽碰撞。正面50%偏置壁障碰撞、侧面碰

4、撞及车身顶盖压塌等条件下的模拟仿真分析，整个碰撞分析模型约有60000个单元，文献中还给出了仿真结果与试验结果的比较。同时，在美国和欧洲出现了许多成熟的用于汽车碰撞模拟分析的商业化软件，如：LS-DYNA3D、PAM-CRASH、MADYMO、RODIOSS等，所有这些构成了推动汽车碰撞数值模拟分析技术迅速发展的重要技术基础。与此同时，在安全气囊模拟和人体特征和动力响应特性的模拟(假人模型)方面，美国和欧洲等各大汽车公司开展了许多研究工作，并取得了一定成果；如建立了较为完善的气囊模型，用于在安全气囊系统的设计和开发的早期阶段协助系统的设计；而采用面一面接触算法模拟乘员与展开的气囊之间的碰撞接触

5、关系，则以得到较精确的接触力；利用MADYMO和RADI055软件，可建立刚体(或弹性体)假人模型，模拟乘员在碰撞时的响应，假人模型的有限元网格是根据侧撞假人图并用数字扫描所选人体部分形成的，由654个壳单元、540个块体单元、29个弹簧单元及11个刚体单元组成，用计算机分析了三维头部有限元模型在多种碰撞条件下的响应,通过头部模型质心的加速度值计算出头部质心在六个自由度上的运动，应用脑损伤准则即可评估汽车碰撞造成的脑损伤的严重程度，该准则将受伤程度作为有效加速度和冲击时间间隔的函数。进入21世纪以来，国外在汽车碰撞计算机模拟方面的研究已具备了相当扎实的基础，它经历了由大量的汽车碰撞试验研究向以

6、此为基础而发展起来的计算机模拟技术过渡，并逐步走向二者紧密结合的成熟阶段；同时，计算机技术的快速发展，使汽车碰撞仿真分析的有限元模型规模达到了500000个单元，甚至上百万个单元规模。下一步，计算机碰撞模拟仿真技术正朝着进一步提高分析精度，模拟实车道路行驶、结合路面条件的碰撞模拟分析，将结构优化分析与碰撞模拟相结合的方向发展。1.2 国内研究的现状我国对汽车被动安全性进行系统研究是从上个世纪80年代后期开始的，汽车碰撞研究工作也开始于这一时期。1988年，吉林工业大学和西安公路交通大学分别建立了刚体+弹塑性弹簧数学模型和刚体+弹簧阻尼数学模型，后者还做了模型碰撞试验、验证其理论模型。次年，吉林

7、工业大学李卓森教授和李洪国教授就计算机模拟中所需的汽车碰撞刚度和汽车正面碰撞方程式等方面进行了探讨。1992年，清华大学的于旭光和黄世霖引进美国的CAL3D软件，应用刚体动力学中的Kane方法建立了二维人体模型，并对碰撞事故中安全带对人体的保护作用进行了研究。同年，湖南大学宗子安将DYNA3D介绍进中国，并用其进行了汽车转向盘假人碰撞的模拟计算。湖南大学还应用DYNA3D软件对驾驶员与安全带构造了有限元模型并进行了碰撞模拟计算，得出了有价值的结论。同时清华大学也利用DYNA3D作了BJZ12车架碰撞模拟计算，并根据计算结果对车架进行了改进。2，商用车碰撞安全标准与法规2.1 商用车安全标准体系

8、2011年6月30日，强制性国家标准汽车正面碰撞的乘员保护（征求意见稿）结束征求意见阶段。该标准代替GB 11551- 2003 乘用车正面碰撞的乘员保护，适用于M1类汽车和N1类汽车，但不包括最大设计总质量大于2500kg的非多用途货车。本标准与GB 11551- 2003的主要差异有：由乘用车正面碰撞的乘员保护改为汽车正面碰撞的乘员保护适用范围由“M1类车”扩大为“M1类汽车和N1类汽车”，也就是说，适用范围由乘用车扩大到商用车。1999年10月，中国第一个汽车碰撞安全方面的法规CMVDR294关于正面碰撞乘员保护的设计规则发布。2000 年，中国开始实施汽车正面碰撞乘员保护的强制性检验。

9、2003年11月27日，国家强制性标准 GB11551-2003乘用车正面碰撞的乘员保护颁布。标准的颁布和实施，推动了中国汽车工业在汽车碰撞安全技术方面的进步和发展。但是，随着汽车安全技术的提升，标准已不适应当前的技术要求。例如，N1类的轻型和微型载货汽车的正面碰撞安全有待于提高和改善。由于在碰撞安全上缺乏设计考虑，一些轻型和微型载货汽车发生碰撞事故，车内乘员无法获得足够的生存空间，直接造成车内乘员死亡或重伤。2009年5月，汽车碰撞试验标准工作组召开会议，研究和讨论了乘用车正面碰撞的乘员保护标准修订的总体技术框架，包括车型适用范围扩展到N1类车辆。同年12月，汽车碰撞试验标准工作组再次召开会

10、议，研究和讨论了关于N1 类车进行正面碰撞试验的情况，重点为试验方法和结果分析。从几辆车的试验结果来看，问题主要集中在燃油泄漏、座椅质量、无气囊车型的颈部指标几方面。同时，讨论了N1类汽车纳入正面碰撞标准的具体方案、N1类车是否全部纳入标准范围；考虑到除了对自身驾驶员和乘员的保护，还要顾及对其他车辆的保护，对N1类车实行正面碰撞限制在2.5t以下；N1类车纳入标准将采取分阶段进行，要有一定的过渡期限，使试验条件和评价指标逐步达到要求；研究商用车驾驶室乘员保护标准的执行问题，分析其与GB 11551的关系，满足GB11551的N1类车可以免除商用车驾驶室乘员保护试验；新车型和在用车型实施时间。在

11、这种情况下，汽车碰撞试验标准工作组召开会议，N1类车型生产企业总体认为现有N1类车型经过改型和增加适当的配置能够达到标准要求，但需要进一步进行修改难度的分析、成本核算、市场分析等一系列工作，标准应给予充分的过渡准备期。2.2 汽车碰撞试验法规汽车碰撞事故的形态千差万别,对汽车碰撞性能的评价也必须针对不同的碰撞形态来进行。按事故统计结果，汽车碰撞事故主要可分为正面碰撞、侧面碰撞追尾碰撞和翻车等几种主要类型。在实验室真实地再现典型的碰撞事故过程是分析和评价汽车碰撞中对乘员保护能力的基础。早在20世纪40年代，欧洲汽车联合会就根据当时的交通事故状况开展了汽车翻滚、汽车侧面与圆柱碰撞等试验。随着公路条

12、件的改善，汽车正面碰撞、侧面碰撞形式形成了交通事故中最常见的碰撞形式。50年代后期，德国的梅塞德斯一奔驰、大众等汽车公司开始进行汽车正面碰撞试验。到60年代中期,美国颁布了第一个汽车碰撞安全性要求的法规，并通过安全车试验(Experiment Safety Vehicle)计划将汽车碰撞安全性的概念传播到了其他国家。随着生物力学研究、交通事故统计分析、事故再现分析技术研究的深入，尤其是政府对减少交通事故中人员伤亡损失的重视和汽车用户对汽车产品安全性能的日益关注，逐步形成了较完善的机动车辆安全法规。从乘员保护的观点出发，以交通事故再现的方式，分析车辆碰撞过程中乘员与车辆的运动状态和损伤状况，并使

13、用假人定量地评价碰撞安全性能，实车碰撞试验是最终检验汽车安全性能必不可少的试验，同时在汽车开发过程中为滑车模拟试验设定试验条件，为计算机碰撞仿真验证计算结果等。虽然实车碰撞试验技术难度大、试验准备周期长、试验费用昂贵，但实车碰撞试验仍是汽车碰撞安全研究中必须的、不可替代的试验。由于实车碰撞属于瞬间发生的猛烈冲击，试验中车辆是破坏性的、不能重复进行，所以要求试验设备必须准确无误地实现预定设定的碰撞，各种测量仪器设备能精确地纪录下车辆和乘员在碰撞时的运动状态、破坏形态及与伤害相关的动力学响应。2.2.1 正面碰撞试验法规及方法按照正面碰撞试验法规，正面碰撞试验是指被检验汽车以某一速度与一个刚性或者

14、可变形壁障发生碰撞的试验。其目的是检查保险杠、车厢前部前围板区域所能吸收冲击能量的程度，考验车厢结构强度，借助车内假人的传感器所记录的数据，换算出和法规相对应的伤害指标，判断试验样车的碰撞性能。正面碰撞法规主要有美国的FMVSS208、欧洲的ECER94两大体系。我国正面碰撞法规CMVDR294(GB11551)和日本、澳大利亚的正面碰撞法规基本上是在美国和欧洲的正碰法规的基础上进行移植和稍加改动形成的。美国FMVSS208法规规定了车辆正面碰撞试验速度为48.3km/h，固定壁障为刚性表面。正面碰撞试验包括以下两种：约束系统试验：车辆纵向轴线与壁障表面垂直；结构试验：车辆横截面与壁障表面方向

15、成30度角，碰撞时车辆左前端先与壁障接触。此外，对应于系和不系安全带两种情况，要分别进行试验。主要评价指标包括：头部伤害指标1000，胸部持续3ms加速度不大于60g，胸部相对于脊柱的压缩变形量不超过76.2mm，大腿压缩力不超过10KN；碰撞过程门不能撞开；碰撞后，不用工具应能将门打开，并能够正常进出假人；燃油泄漏量为30g/min。欧洲在制定正面碰撞法规时，专家们提出该试验方法要尽量真实地反映交通事故情况。联合国欧洲经济委员会(Economic Commission for Europe)在1995年开始生效欧洲正面碰撞乘员保护法规ECER94，适用于总质量小于等于2500kg的Ml类车。

16、其中规定车辆正面碰撞试验碰撞速度为56km/h，碰撞形式为40%偏置变形壁障碰撞，其壁障为蜂窝状铝合金变形壁障。我国正面碰撞法规CMVDR2945关于正面碰撞乘员保护的设计规则主要是参照欧洲法规起草的，但是并没有采用欧洲ECER94.01中的偏置碰撞试验，而是采用和美国、日本法规一致的100%重叠率、90度刚性固定壁障正面碰撞试验，速度5km/h。由于亚洲人体身材较小，而碰撞试验假人选用了HYBRID第50百分位男性假人,这样对于一些针对亚洲身材开发的微型车,碰撞试验时座椅位于中间位置时，HYBR 假人就无法正确安放。在座椅调节、假人安放方面参照了日本的正面碰撞试验法规TRAIS-4-30的内

17、容。另外，为了今后在WP29(WP29是现在全世界汽车安全法规统一工作的论坛，在亚洲，日本是WP29的成员国，我国现在是观察国，很快会签署协议成为WP29的成员国)讨论中方便，CMVDR 294与ECE R94保持了同样的条款编号，对于一些消去的内容，仍然保留了条款的编号，只是将内容消去，这样今后在国际交流时很容易对照。2.2.2 侧面碰撞试验法规及方法侧面碰撞位居正面碰撞之后，是第二种最常见的碰撞形式。侧面碰撞法规针对汽车侧门强度提出要求，目的是检查车侧支柱、顶/底支柱连接和门连接等结构强度，以尽量降低侧面碰撞事故中伤害乘员的风险。无论是美国FMVSS还是欧洲ECE法规，均规定使用移动变形壁

18、障MDB(Moving De-formable Barrie)以一定的速度，撞击车辆的侧面，在车被撞侧面前后座位上装有侧面碰撞假人，以测定伤害指数。二者的差别主要在于移动变形壁障MDB和使用的假人。我国即将推出侧面碰撞试验标准关于侧面碰撞中乘员保护的规定，主要采用欧洲ECE R95法规(包括01系列增补，02系列增补及02系列建议)，删除了ECE R95认证申请、认证程序及认证标志、车型修改!产品一致性、产品非一致性的处理等内容，其原因是由标准体系和法规体系的形式差别所致。日本于1998年10月颁布了侧面碰撞试验法规，采用了与ECE R95一样的试验方法。我国也正在着手制订侧面碰撞法规，将以E

19、CER95为蓝本制订CMVDR295，目前已完成了翻译工作。2.2.3 追尾碰撞试验法规和方法对于追尾碰撞中的结构保护，则有美国的FMVSS 223和FMVSS 224，以及欧洲的ECER32。美国的FMVSS 223和FMVSS 224是针对于总重在4536kg以上的挂车和半挂车后部碰撞防护装置；欧洲法规ECE R32则规定车辆后面碰撞时对车厢结构耐撞性的要求，并适用于Ml类车。因而这两种法规是针对于不同车辆以及车辆的不同部分。2.2.4 动态翻滚试验法规和方法对于动态滚翻事故，虽然发生率不是很高，但也会造成很高的事故死亡率，从事故统计来看，大客车翻车和坠崖群死群伤是最为严重的客车事故，世界

20、上许多国家都已把大客车的翻滚和车顶静压试验作为强制性的认证试验。如美国的FMVSS220、欧洲的ECEReg.66、澳大利亚的ADR59/00、南非的SANS 1563等都对大客车上部结构强度的试验性能作出了规定。滚翻试验的再现性比较困难，虽然试验方法有很多种，但是已成文的滚翻法规很少，目前只有美国的FMVSS 208中介绍了试验方法一平台翻车，这种方法易于进行重复性试验。FMVSS 208平台翻车试验主要利用平台车紧急制动的方法让实验车滚翻。它采用一个23°斜角的楔形平面作为滚翻试验样车运载装置，然后以50km/h的速度平移，在不大于915mm的距离内平台从50km/h减速到零，减

21、速度至少为209，持续时间至少为0.04 s。然而这种试验只限于轿车。2.2.5 其它的汽车碰撞试验法规和方法汽车发生碰撞，除了正面、侧面、追尾和滚翻事故外，还会发生由碰撞引起的燃油泄漏、燃烧、爆炸等事故。这类事故具有较大的伤害性，也是在交通事故中导致人员伤亡的重要因素。美国的燃油泄漏法规FMVSS 301是最为全面燃油系统完好检验法规，同样在欧洲有燃油泄法规ECE R34，在日本有日本车辆碰撞燃油泄漏技术标准TRIAS 11- 4-140。另外在欧美等国家,现在的发展趋势是：政府制订的安全法规是对汽车产品的最低要求，汽车生产厂家对安全性能的追求目标是要求更高的/新车评价程序。(NCAP-Ne

22、w Car Assessment Program)和企业以实际交通事故分析结果为依据而制订的汽车碰撞安全性评价方法。NCAP是由政府、保险公司、消费者组织、汽车俱乐部或杂志社等机构制订的碰撞安全性评价体系，NCAP中的实车碰撞速度往往比本国安全法规中规定的车速要高，在更严重的碰撞环境下评价车内乘员的伤害，根据头部、胸部等主要部位的伤害将试验车的安全性进行分级，星级越高，表示该车型的碰撞安全性越好。组织者将这些信息公布给消费者，使消费者能够买到更安全的车。由于NCAP能引导消费者，所以尽管NCAP不是政府强制的，但各个汽车生产厂都非常重视NCAP，把NCAP作为汽车产品开发的重要评价依据。NCA

23、P最早是在美国出现的，现在在欧洲、日本、澳大利亚等都制订了NCAP。2.2.6 碰撞试验假人碰撞试验假人又称拟人试验装置，是用于评价碰撞安全性的标准人体模型。假人的尺寸、外形、质量、刚度和能量吸收性能与相应的人体十分相似，所以当假人处于模拟的碰撞事故条件下，它的动力学响应与相应的人体也十分相似。在假人上装备有传感器，可用于测量人体各部位的加速度、负荷、挤压变形量等。通过对这些物理量的分析、处理可以定量地衡量汽车产品的碰撞安全性能。按人体类型分，假人可分为成年假人和儿童假人。成年假人按体型大小又分为中等身材男性假人、小身材女性假人和大身材男性假人。在汽车碰撞试验中最常用到的是中等身材假人，其代表

24、欧美男性第50百分位成年人的平均身材。为了在设计中考虑不同的人体体型，又按照欧美人体分布的两端极限，分别开发了小身材和大身材假人。小身材女性假人代表欧美第5百分位女性成年人的体型；大身材男性假人代表欧美第95百分位男性成年人的体型。儿童假人的身高、体重是指定年龄组儿童的平均身高和体重，而不考虑性别。最早开发的是正面碰撞试验假人，其开发目的是为了评价乘员约束系统是否牢固。这种假人结构上很结实，外形和体重与人体相似，但缺点是它的碰撞响应与人体不同,不能装备足够的测量传感器。Hybrid是1972年由美国通用汽车公司开发的，用于评价安全带系统的牢固性，其尺寸、外形、质量及四肢的运动范围依照美国第50

25、百分位男性人体设计的，1973年成为联邦机动车安全标准FMVSS 208中指定的假人。但是,由于Hybrid的生物保真性和测量能力还存在很多缺陷，所以又开发了具有更高生物保真性和令人满意的测量能力的正面碰撞假人Hybrid。按碰撞试验的类型分，假人又可分为正面碰撞假人和侧面碰撞假人。侧面碰撞假人又三个：SID、EurosID和BI0SID。这三个假人都是按第50百分位成年男性的身材开发的，SID是美国侧面碰撞试验法规指定的试验假人，EuroSID是欧洲的侧面碰撞试验法规指定的试验假人。2.3 我国汽车碰撞标准技术的发展1989年，我国参照美国联邦法规FMVSS 208制订了我国的GB/T115

26、51-89汽车乘员碰撞保护标准，由于当时我国不具备试验条件，因此该标准一直没有执行。1999年我国参照欧洲ECER94.00制订了我国的第一个机动车设计法规CMVDR294-1999关于正面碰撞乘员保护的设计规则，该规则与ECE R94.00的区别是将ECER94.00中的碰撞角度由30°的斜碰撞改为0°的正面碰撞，碰撞的车速、试验用假人以及其他各项要求与ECE R94.00一致，同时考虑到微型轿车在使用Hybrid假人时出现的问题，将日本碰撞标准TRIAS11-4-30中假人及座椅位置的调整等有关部分引入到CMVDR 294-1999法规中。我国在2000年4月1日已经对

27、新生产的Ml类汽车实行了该法规，而对再生产的Ml类汽车在2002年7月1日起也必须满足该法规的要求。2004年6月l日我国参照欧洲ECE R94法规制订的国家强制性标准GB11551-2003乘用车正面碰撞的乘员保护正式出台，至此我国才真正拥有了自己的汽车正面碰撞标准。我国的汽车正面碰撞标准GB11551-2003乘用车正面碰撞的乘员保护与CMVDR 294汽车正面碰撞乘员保护的设计规则是一脉相承的。它们都是等效采用ECE R94法规制订的，区别在于CMVDR294汽车正面碰撞乘员保护的设计规则虽具有国家强制性标准法律效力，但还不是国家强制性标准。而国家强制性标准GB11551-2003的制定

28、实施体现了国家对汽车碰撞安全性能的重视。2002年我国相关部门将汽车侧面碰撞、后面碰撞强制性标准法规制定纳入了汽车强制性国家标准制修订“十五”发展规划。经过3年多的制订及广泛征求意见，两项碰撞标准已制定完成并形成报批稿，己正式提交国家发展和改革委员会及全国汽车标准化技术委员会审批。我国侧面碰撞标准主要要求的是车辆侧门结构的安全性，在进行车辆结构调整时，主要改进侧门和B柱设计，在侧门上加装防撞杆。虽然我国汽车侧面碰撞及后面碰撞标准现在还没正式出台，但标准的基本内容都是等效参照欧洲ECE R95法规制订的，同时执行时间也己经确定。汽车侧面碰撞标准汽车侧面碰撞的乘员保护(报批稿)规定对于新定型车辆：

29、自2006年7月1日起开始实施；对于在生产车型：自2009年7月1日起开始实施。我国的汽车后面碰撞标准乘用车后碰撞燃油系统安全要求制订工作现已完成到报批稿阶段。该标准修改采用了欧洲ECE R34关于机动车防止火灾危险认证的统一规定。该标准适用于发动机使用液体燃料的乘用车。对于新定型车辆：自2006年7月1日起开始实施，对于在生产车型；自2008年7月1日起开始实施。至此我国已建立汽车正面碰撞、侧面碰撞以及后面碰撞三位一体的汽车碰撞国家强制性标准体系，这对我国汽车碰撞安全性的提高有着重要意义。3，商用车碰撞仿真模拟的有限元基本理论3.1 有限元法的基本理论与方法有限元最基本的出发点是将分析对象的

30、结构或实体划分为有限个微小的单元体，这些微小的单元体称为“单元”，两相邻单元间只通过节点相连接。将作用在结构体上的外载荷按静力等效原则分解为等效节点载荷向量，以这些单元体的集合替代原来的连续结构实体，这一过程称为连续体的离散化。离散化过程就是将被分析的工程实体简化为有限元计算模型的过程，因此也称为模型化过程。有限元方法是在离散化的模型上求解，将复杂的连续体上分析的问题转化为在离散化的模型上解一个多元代数方程的问题。有限元方法的求解过程简单，方法成熟,但计算量大，这特别适合于计算机计算。有限元方法按照节点基本未知数可分为位移法、应力法和混合法。其中应用最多的是位移法。在位移法中，通常选取多项式函

31、数近似地表达位移分量地分布，这一通过节点位移表达单元内部位移规律地函数称为插值函数，不同单元形式可以有不同类型插值函数。有了插值函数，即可利用变分原理建立单元节点力向量和节点位移向量之间的关系，即单元刚度矩阵。应用节点力平衡条件和协调条件，将所有单元刚度矩阵方程扩展后叠加，建立结构整体节点力和节点位移的关系方程一结构总刚度方程，结构总刚度方程是一个以节点向量为基本未知数的代数方程。引入约束条件后，即可利用计算机求解结构节点位移，代入单元刚度方程后，可以求得节点力和各单元内部应力和应变分量。有限元方法就是根据现实对象的实际结构，利用CAD软件建立三维实体几何模型，将三维实体模型离散化，并将结构体

32、所受实际载荷分别作用到各单元体上，最后求出各单元体节点力和位移。3.2 碰撞数值模拟的有限元理论汽车(包括客车)碰撞是一个十分复杂的力学问题,其数值模拟研究开始于1986年。在1985年以前，由于当时的理论水平有限、分析手段较低，不能对碰撞过程有全面深入的了解，为了最大限度满足有关安全标准，研究人员一直在寻求弄清汽车碰撞内在规律的方法。其中，多刚体动力学和机械振动学分析方法是当时最为突出的两种方法。多刚体系统动力学方法具有模型简单、表述规范、编程方便、运算快捷等优点，但由于现实世界中的物体都是可变形体，而且对于汽车碰撞过程来说，汽车车身结构的变形特性是影响汽车安全性能的关键因素，因此该方法在汽

33、车碰撞数值模拟中常常只用于对人体模型的碰撞响应分析。机械振动学方法是根据碰撞过程中汽车的实际变形情况将汽车离散为一个非线性弹簧一质量振动系统，通过事先测定系统中弹性元件的非线性抗力特性，利用机械振动学的方法来求解碰撞系统响应的。用这种方法进行汽车碰撞分析，目的是弥补多刚体系统动力学方法不能研究可变形体响应的不足。从理论上说，机械振动学分析方法与多刚体系统动力学方法的有机结合，能够解决汽车碰撞分析中几乎所有的响应问题，但由于抗力元件的非线性特性必须预先测定，同时又要保证所测得的特性恰恰是构件在真实碰撞中的变形特性，这样，在测试时，就必须精心模拟构件在碰撞中可能出现的各种可能的约束条件，而汽车碰撞

34、中的有些接触约束条件事先是无法知道的，这就大大增加了测试的难度，也正因为如此，人们借助计算机数值模拟分析大幅度改进汽车被动安全性的设想才迟迟无法实现。汽车(包括客车)耐撞性分析的碰撞有限元法是20世纪80年代后期才逐步发展和完善起来的先进技术，如今己在汽车工业得到广泛地应用，并取得了巨大的成就。碰撞有限元法用于汽车工程实际分析的一般过程如图3-1所示。建立几何模型产生节点、单元、形成网络给定模型载荷、边界条件，并施加约束等对模型求解运算结果分析碰撞性能是否符合要求模型修改结束否是图3-1碰撞问题有限元分析流程图由于碰撞有限元分析的工作通过计算机来完成，不会象实际碰撞试验那样损坏任何的实体，并且

35、能够对初始设计进行快速的评估，因此该方法得到越来越广泛的应用，并且正在逐步取代部分试验工作。尽管有限元法具有强大的优势和功能，但它并不能脱离试验而单独存在。因为一方面，碰撞计算所需要的众多参数，如材料特性参数、部件连接特性等等，都必须由试验来提供；另一方面，有限元分析受人为因素的影响较大，如模型的建立、仿真参数的选择等等，可随分析人员的不同而不同。因此，数值模拟计算的结果一般需要通过试验加以验证。只有经过验证的模型才是正确和可用的模型，但是目前国内的试验条件跟国外差别较大，有些试验单独不能完成，所以采用一些类比法来验证模型。这样虽然不能完全验证模型的正确性，但是能证明模型的可用性。80年代后期

36、显式有限元方法的成熟，标志着汽车碰撞数值模拟研究新时期的开始。适用面广、精度高且能够处理异常复杂的约束边界是其成为一种克服了前述两种方法全部缺点的优秀方法。与传统的隐式有限元方法相比，显式算法在求解具有如下特征的问题时相对更为有效：1、很短的持续时间。计算费用会随着求解问题时间的增加而呈线性增加，但如果求解问题的时间很短，则需要大量的积分步数。2、大量非线性或高度非线性。此时若采用隐式算法，CPU时间会呈指数性增加。正是由于碰撞这类问题具有上述两个明显特点，国内外各大汽车公司和科研单位在进行汽车碰撞分析时，所采用的软件主要是以显式算法为计算核心的有限元程序。目前国外模拟汽车碰撞过程常用的有限元

37、软件LS-DYNA、PAM-CRASH和MSC/DYTRAN等。这些软件的核心部分都是以美国Lawrence Livermore国家试验室在70年代开发出的DYNA公开版本的理论为基础，所以在理论上差别不大。3.3 显式动力分析的特点用中心差分法在时间t求加速度：Ftext为施加外力和体力矢量；Ftini为下式决定的内力矢量。Fhg为沙漏阻力；Fcont为常量力。速度与位移用下式得到：新的几何构形由初始构形加上X0获得：非线性问题：块质量矩阵需要简单转置方程非祸合，可以直接求解(显式)无须转置刚度矩阵，所有非线性(包括接触)都包含在内力矢量中内力计算是主要的计算部分无须收敛检查保持稳定状态需要

38、小的时间步4，商用车碰撞仿真模拟影响精度因素基于动态显式非线性有限元分析的计算机仿真，与隐式算法不同，其算法并非无条件稳定，包括由简化单元计算使用的单点高斯积分引起的沙漏模态与应力波传递带来的数值震荡均需进行有效控制，同时，显式积分的稳定性还受临界时间步长的控制。为了确保仿真模拟的有效性，有必要探讨网格单元尺寸大小、分布状况、时间步长和摩擦等因素对仿真模拟效果的影响规律。4.1 单元尺寸影响单元尺寸主要影响压塌模式和极限时间步长。越小的单元尺寸对压塌变形的表达越真实，过粗的网格则会导致失真的结果，但越小的单元尺寸要求的时间步长越小，因而导致计算效率下降越多。因此，在汽车碰撞仿真计算中，应在确保

39、正确表达压塌变形的前提下，尽可能选择大的单元尺寸。已有文献对车身用薄壁直梁件的研究表明，沿轴向碰撞的直梁结构在局部失稳后将产生压塌失效过程，在该过程中，直梁的边会沿着半径为r的圆弧形曲线逐渐折叠，根据Werzbicki对薄壁直梁件的研究，平均的折叠半径近似为：C 是截面的宽度t是壁厚。为了充分描述出结构在碰撞过程中的折叠变形单元的尺寸应该小于折叠圆弧长的一半，即单元边长：。在进行碰撞计算时，特别是对于汽车碰撞这样一个结构复杂、规模庞大的仿真过程，不可能为了追求计算精度而盲目地细化单元，由此导致的对计算时间的需求可能是成百上千小时，这是不现实的。因此，在对汽车碰撞过程进行仿真模拟时，很关键的一步

40、是要对汽车复杂的结构进行合理的简化处理，它直接关系到仿真过程能否继续下去。然而，还不能以模型中单元最小的极限时间步长作为整体步长，这是因为在碰撞变形扭曲后， 某些单元会发生畸形变形，使其特征长度及相应时间步长急剧减小，导致计算效率急剧下降，使用仿真分析几乎不可进行，一般必须由人工设定初始计算时间步长。初始时间步长的设定应以模型网格划分情况为依据，以最小单元极限时间步长为参考，一般取在之间，如果模型计算的时间步长过小，就有必要使用质量缩放。当使用质量缩放时，单元的密度就被调整以达到用户所规定的时间步长。质量缩放修改了材料密度，必然会改变（通常是增加）模型的质量，质心位置也会变化。但如果使用恰当，

41、它所节省的CPU时间相对少量质量误差也是值得的。同时应注意，不能对模型增加过多的质量，它将对整车惯性发生显著的影响。为此，在进行单元网格划分和人为设置极限时间步长时，应两者皆顾，既要使计算时间切实可行，又不至于增加太多的模型质量（一般应小于 5%）。4.2 单元时步长控制算法时间步长的选择决定了求解的效率和中心差分积分算法的稳定性。对于有限单元方法而言，时间积分的第n+1时步决定于模型各个单元时步长。其中n为单元数。为了保证计算的稳定，安全系数á通常取小于1的正数，而, (i=1,2,n)为单元的最大稳定时步。4.3 网格密度分布的影响为了提高计算精度和得到正确的碰撞机仿真结果，对网

42、格的总体加密有时并不能完全解决问题，网格密度的分布也是重要的影响因素。如图4-1所示的方形梁的碰撞模拟表明了不同的网格密度会有截然不同的模拟结果，其中的单元网格划分：（a）上部精细，下部粗糙；（b）上部粗糙，下部精细；（c）统一划分网格，结果是在同样的边界条件和初始条件下，不同划分密度产生不同变形的情况。其原因可通过研究不同的网格密度对能量的吸收情况得到解释。粗网格的计算内能偏大刚性较强，因此在相同的受力条件下，细网格区将先于粗网格区进入屈服压塌状态。如果网格划分不当，在受力梯度不大时就会得出错误结论，例如受力大的部位网格粗糙，受力小的部位网格细密，将使本来受力小的部位反而先进入压塌状态，从而

43、导致模拟结果失真。因此，在碰撞模拟分析时要对模型的单元网格疏密进行仔细安排，尤其是变网格密度要谨慎，必须充分考虑碰撞中的受力分布情况以免由于人为的单元划分影响模拟结果的真实性。图 4-1 网格密度分布对仿真结果的影响4.4 碰撞模拟中摩擦力的影响汽车耐撞性仿真分析的一个重要特点是对动态接触问题的处理，接触与冲击载荷总是影响着碰撞的全过程。由于汽车结构的高度复杂性，要详细或真实地描述在碰撞作用下各接触部分的摩擦是非常困难的，故在汽车耐撞性分析中接触处的摩擦大都被忽略。然而，事实上有接触便有摩擦存在，在汽车碰撞仿真模拟过程中，接触和摩擦现象起着十分重要的作用，如图 4-2为汽车整车碰撞仿真模拟过程

44、摩擦的考虑是否正确时其前纵梁的变形模式，其中(b)图考虑的摩擦严重不足，导致模拟结果中纵梁的前端与刚性墙之间发生了较大的滑移，这与实物碰撞结果不吻合，(a)图为摩擦系数考虑正确的情况，与实物碰撞结果相当吻合。因此，在汽车碰撞仿真模拟分析中，考虑两接触面间的摩擦是非常重要的。图 4-2 摩擦对仿真结果的影响4.5 沙漏控制算法显式算法的一个重要优点便是其计算效率高，而计算的高效率很大一部分来源于单元应力散度计算的单点高斯积分。但单点高斯积分将导致沙漏模态的产生。在进行结构动力学分析时，若不对沙漏模态进行控制，计算将产生数值振荡，如何控制沙漏模态以保证仿真计算的可靠性便成显式动力分析程序的一个重要

45、课题。控制沙漏模态的主要思想是在单元局部计算时将沙漏粘性应力加到物理应力上。由于车身构件及碰撞变形部件主要是薄壳单元，因此这里仅讨论薄壳单元的沙漏控制算法。4.6 人工体积粘性汽车碰撞将在结构内产生应力波，而大幅值应力波在固体中传播的一个特点是出现冲击波， 即使这样的波不是由初始边界条件所引起的。它们也可能通过由材料非线性响应引起的压缩波的陡峭化而在固体内自发地发生。从数学上来讲，冲击波在实际固体中虽然是连续的，但实验已经测定出冲击波的宽度比固体的尺寸小好几个数量级。当冲击波出现时，控制微分方程的数值求解将会有一定困难。Richmyer和Morton早在1967 年讨论冲击波的Rankine-Hugoniot跳变条件时就证明：在冲击波存在时，若不对有限元差分方程作相应修改，要得到近似的解都是不可能的，一种解决办法就是采用冲击波拟合技术，将冲击波看作一种内部边界条件这种方法曾用于求解一维碰撞问题，但考虑到实际结构的形状任意，求解多维问题就变得相当复杂。人工粘性的使用是冲击问题的数值计算的一个重要突破。4.7 焊点模拟方法影响电阻点焊