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

2、发展和以有限元分析技术为突出代表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

3、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

4、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

5、 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

6、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

7、 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

8、。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

9、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。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

10、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

11、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

12、 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

13、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

14、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 性或者可变形壁障发生碰撞的试验。 其目的是检

15、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成

16、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W 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

17、等于2500kg的 Ml类车。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川第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川假人就无法正确安放。在座椅调节、假人安放方面 参

18、照了日本的正面碰撞试验法规TRAIS II -4-30的内容。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

19、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

20、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 ECER95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

21、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

22、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， 减速度至少为209，持续时间至少为0.04 &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

23、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-New 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

24、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。 NCAP 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

25、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

26、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 U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 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 U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 U。按碰撞试验的类型分，假人又可

27、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/T11551-89 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

28、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川假人时出现的问题，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

29、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

30、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：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。

31、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

32、“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， 通常选取多项式函数近似地表达位移分量地分布

33、， 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

34、离散化， 并将结构体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

35、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，

36、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。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，并且能够对初始设

37、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。8

38、0年代后期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

39、碰撞过程常用的有限元软件LS-DYNA、PAM-CRASH和MSC/DYTRAN等。这些软件的核心部分都是以美国 Lawrenee 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：胡冋-丹)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；Feo nt为常量力。 速度与位移用下式得到：叽烏=怙山+UDtt+Dt/2=J(Dtt+ Dtt+ Dt)Dtt- Dt/2'5(Dtt- Dtt+ Dt)新的几何构形由初始构形加上X0获得：非线性问题： 块质量

40、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

41、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 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：r = 0.72C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：°5兀厂。在进行

42、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& -6

43、最小单元极限时间步长为参考，一般取在呂之间，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，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单兀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

44、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。A严,A/；）其中n为单元数。为了保证计算的稳定，安全系数a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

45、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。（富）（b）（c）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

46、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。仆）摩擦考虑正确b）摩擦考

47、虑不正确图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 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

48、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