車輛安全技術(shù)

1、商用車碰撞仿真研究1，商用車碰撞仿真研究的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀1.1 國(guó)外研究的現(xiàn)狀國(guó)外較早開展汽車碰撞研究的是美國(guó)。美國(guó)運(yùn)輸部于1970 年公布了開發(fā)實(shí)驗(yàn)安全車（ESV）的計(jì)劃，一般認(rèn)為，ESV計(jì)劃的實(shí)施開始了汽車安全技術(shù)研究的 新時(shí)代。此計(jì)劃要求開發(fā)以 SOkm/h 的速度進(jìn)行正面碰撞時(shí)仍具有高度安全性能 的 1800kg 級(jí)試驗(yàn)樣車。目的是弄清汽車碰撞時(shí)增加乘員生存的可能性；掌握如 何依靠改進(jìn)設(shè)計(jì)來減少傷亡和經(jīng)濟(jì)損失的一般規(guī)律； 促進(jìn)世界汽車工業(yè)界安全研 究；將安全試驗(yàn)車試驗(yàn)研究所得到的技術(shù)資料用于制訂新的安全標(biāo)準(zhǔn)。在 20 世紀(jì) 60 年代，人們開展了計(jì)算機(jī)模擬碰撞技術(shù)。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高 速

2、發(fā)展和以有限元分析技術(shù)為突出代表的工程計(jì)算方法的發(fā)展和日趨成熟， 汽車 耐撞性的數(shù)值分析正在逐步取代與改進(jìn)部分實(shí)驗(yàn)室工作， 給整個(gè)汽車碰撞模擬仿 真的分析和改進(jìn)帶來十分深刻的影響。20 世紀(jì) 60 年代和 70 年代,顯式有限元程序在美國(guó)開發(fā)出來，各種算法已開 始成熟,如顯式積分、殼單元和接觸算法等。自 20世紀(jì) 80年代中期第一次用有 限元法進(jìn)行汽車整車碰撞模擬仿真分析后， 有限元法在汽車結(jié)構(gòu)耐撞性分析方面 的應(yīng)用迅速增長(zhǎng)，美國(guó)各大汽車公司如通用 （GE）、福特（FORD）等。日本的日產(chǎn) （NISSAN）、豐田（TOYOTA），西歐和韓國(guó)等國(guó)家的汽車公司有專門的分析人員配 備最先進(jìn)的計(jì)算機(jī)設(shè)

3、備從事汽車結(jié)構(gòu)耐撞性的有限元分析。在有限元法用于汽車碰撞模擬仿真分析的初期 （上世紀(jì) 80 年代至 90 年代 初），由于試驗(yàn)條件、計(jì)算機(jī)條件和分析軟件的限制，汽車結(jié)構(gòu)分析模型的建立 相對(duì)簡(jiǎn)單，也較為粗糙，考慮范圍只限于部分零件，分析模型的規(guī)模也不大，單 元數(shù)目一般小于 20000個(gè)，分析結(jié)果與試驗(yàn)的吻合程度也難于保證， 如建立梁?jiǎn)?元模型進(jìn)行汽車尾碰撞分析； 建立 18000 個(gè)單元的整車有限元模型， 對(duì)轎車進(jìn)行 碰撞模擬仿真分析等。上世紀(jì)90年代以來，伴隨計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，如超級(jí)計(jì)算機(jī) （Cray）的發(fā) 展，使碰撞仿真分析在汽車工業(yè)方面的應(yīng)用成為可能。人們?cè)?cray 巨型計(jì)算機(jī) 上應(yīng)

4、用 RADI055- CRASH 軟件對(duì)轎車和美國(guó)福特某乘用車分別在正面全寬碰 撞。正面 50%偏置壁障碰撞、側(cè)面碰撞及車身頂蓋壓塌等條件下的模擬仿真分析， 整個(gè)碰撞分析模型約有 60000個(gè)單元，文獻(xiàn)中還給出了仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的比 較。同時(shí)，在美國(guó)和歐洲出現(xiàn)了許多成熟的用于汽車碰撞模擬分析的商業(yè)化軟件， 如：LS-DYNA3D、PAM-CRASH、MADYMO、RODIOSS 等，所有這些構(gòu)成了 推動(dòng)汽車碰撞數(shù)值模擬分析技術(shù)迅速發(fā)展的重要技術(shù)基礎(chǔ)。與此同時(shí)，在安全氣囊模擬和人體特征和動(dòng)力響應(yīng)特性的模擬（假人模型 ）方面，美國(guó)和歐洲等各大汽車公司開展了許多研究工作， 并取得了一定成果； 如建

5、 立了較為完善的氣囊模型， 用于在安全氣囊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)的早期階段協(xié)助系 統(tǒng)的設(shè)計(jì)；而采用面一面接觸算法模擬乘員與展開的氣囊之間的碰撞接觸關(guān)系， 則以得到較精確的接觸力； 利用 MADYMO 和 RADI055 軟件，可建立剛體 （或彈 性體）假人模型，模擬乘員在碰撞時(shí)的響應(yīng)，假人模型的有限元網(wǎng)格是根據(jù)側(cè)撞 假人圖并用數(shù)字掃描所選人體部分形成的，由 654個(gè)殼單元、 540個(gè)塊體單元、 29個(gè)彈簧單元及 11個(gè)剛體單元組成，用計(jì)算機(jī)分析了三維頭部有限元模型在多 種碰撞條件下的響應(yīng) ,通過頭部模型質(zhì)心的加速度值計(jì)算出頭部質(zhì)心在六個(gè)自由 度上的運(yùn)動(dòng)， 應(yīng)用腦損傷準(zhǔn)則即可評(píng)估汽車碰撞造成的腦損傷的

6、嚴(yán)重程度， 該準(zhǔn) 則將受傷程度作為有效加速度和沖擊時(shí)間間隔的函數(shù)。進(jìn)入 21 世紀(jì)以來，國(guó)外在汽車碰撞計(jì)算機(jī)模擬方面的研究已具備了相當(dāng)扎 實(shí)的基礎(chǔ)，它經(jīng)歷了由大量的汽車碰撞試驗(yàn)研究向以此為基礎(chǔ)而發(fā)展起來的計(jì)算 機(jī)模擬技術(shù)過渡， 并逐步走向二者緊密結(jié)合的成熟階段； 同時(shí)，計(jì)算機(jī)技術(shù)的快 速發(fā)展，使汽車碰撞仿真分析的有限元模型規(guī)模達(dá)到了 500000 個(gè)單元，甚至上 百萬個(gè)單元規(guī)模。下一步，計(jì)算機(jī)碰撞模擬仿真技術(shù)正朝著進(jìn)一步提高分析精度， 模擬實(shí)車道路行駛、 結(jié)合路面條件的碰撞模擬分析， 將結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析與碰撞模擬 相結(jié)合的方向發(fā)展。1.2 國(guó)內(nèi)研究的現(xiàn)狀我國(guó)對(duì)汽車被動(dòng)安全性進(jìn)行系統(tǒng)研究是從上個(gè)世紀(jì)

7、 80 年代后期開始的，汽 車碰撞研究工作也開始于這一時(shí)期。 1988 年，吉林工業(yè)大學(xué)和西安公路交通大 學(xué)分別建立了剛體 +彈塑性彈簧數(shù)學(xué)模型和剛體 +彈簧阻尼數(shù)學(xué)模型，后者還做 了模型碰撞試驗(yàn)、 驗(yàn)證其理論模型。 次年， 吉林工業(yè)大學(xué)李卓森教授和李洪國(guó)教 授就計(jì)算機(jī)模擬中所需的汽車碰撞剛度和汽車正面碰撞方程式等方面進(jìn)行了探 討。1992 年，清華大學(xué)的于旭光和黃世霖引進(jìn)美國(guó)的 CAL3D 軟件，應(yīng)用剛體動(dòng) 力學(xué)中的 Kane 方法建立了二維人體模型，并對(duì)碰撞事故中安全帶對(duì)人體的保護(hù) 作用進(jìn)行了研究。同年，湖南大學(xué)宗子安將 DYNA3D 介紹進(jìn)中國(guó)，并用其進(jìn)行 了汽車轉(zhuǎn)向盤假人碰撞的模擬計(jì)算

8、。湖南大學(xué)還應(yīng)用 DYNA3D 軟件對(duì)駕駛員與 安全帶構(gòu)造了有限元模型并進(jìn)行了碰撞模擬計(jì)算， 得出了有價(jià)值的結(jié)論。 同時(shí)清 華大學(xué)也利用 DYNA3D 作了 BJZ12 車架碰撞模擬計(jì)算， 并根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)車架 進(jìn)行了改進(jìn)。2，商用車碰撞安全標(biāo)準(zhǔn)與法規(guī)2.1 商用車安全標(biāo)準(zhǔn)體系2011年 6月 30日，強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)汽車正面碰撞的乘員保護(hù) （征求意 見稿）結(jié)束征求意見階段。該標(biāo)準(zhǔn)代替 GB 11551- 2003 乘用車正面碰撞的乘 員保護(hù)，適用于 M1 類汽車和 N1 類汽車，但不包括最大設(shè)計(jì)總質(zhì)量大于 2500kg 的非多用途貨車。本標(biāo)準(zhǔn)與 GB 11551- 2003 的主要差異有：由乘

9、用車正面碰 撞的乘員保護(hù)改為汽車正面碰撞的乘員保護(hù)適用范圍由“ M1 類車”擴(kuò)大 為“ M1類汽車和N1類汽車”，也就是說，適用范圍由乘用車擴(kuò)大到商用車。1999 年 10 月，中國(guó)第一個(gè)汽車碰撞安全方面的法規(guī) CMVDR294 關(guān)于正 面碰撞乘員保護(hù)的設(shè)計(jì)規(guī)則發(fā)布。 2000 年，中國(guó)開始實(shí)施汽車正面碰撞乘員 保護(hù)的強(qiáng)制性檢驗(yàn)。2003年11月27日，國(guó)家強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn) GB11551-2003乘用 車正面碰撞的乘員保護(hù) 頒布。標(biāo)準(zhǔn)的頒布和實(shí)施， 推動(dòng)了中國(guó)汽車工業(yè)在汽車 碰撞安全技術(shù)方面的進(jìn)步和發(fā)展。 但是，隨著汽車安全技術(shù)的提升， 標(biāo)準(zhǔn)已不適 應(yīng)當(dāng)前的技術(shù)要求。例如， N1 類的輕型和微型載

10、貨汽車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設(shè)計(jì)考慮， 一些輕型和微型載貨汽車發(fā)生碰 撞事故，車內(nèi)乘員無法獲得足夠的生存空間， 直接造成車內(nèi)乘員死亡或重傷。 2009 年 5 月，汽車碰撞試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)工作組召開會(huì)議， 研究和討論了 乘用車正面碰撞的 乘員保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)修訂的總體技術(shù)框架，包括車型適用范圍擴(kuò)展到 N1 類車輛。同 年 12 月，汽車碰撞試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)工作組再次召開會(huì)議，研究和討論了關(guān)于 N1 類車 進(jìn)行正面碰撞試驗(yàn)的情況， 重點(diǎn)為試驗(yàn)方法和結(jié)果分析。 從幾輛車的試驗(yàn)結(jié)果來 看，問題主要集中在燃油泄漏、 座椅質(zhì)量、無氣囊車型的頸部指標(biāo)幾方面。 同時(shí)， 討論了 N1 類汽車納入正面

11、碰撞標(biāo)準(zhǔn)的具體方案、 N1 類車是否全部納入標(biāo)準(zhǔn)范 圍；考慮到除了對(duì)自身駕駛員和乘員的保護(hù)，還要顧及對(duì)其他車輛的保護(hù)，對(duì) N1類車實(shí)行正面碰撞限制在2.5t以下；N1類車納入標(biāo)準(zhǔn)將采取分階段進(jìn)行， 要 有一定的過渡期限， 使試驗(yàn)條件和評(píng)價(jià)指標(biāo)逐步達(dá)到要求； 研究商用車駕駛室乘 員保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行問題，分析其與 GB 11551 的關(guān)系，滿足 GB11551 的 N1 類車 可以免除商用車駕駛室乘員保護(hù)試驗(yàn)； 新車型和在用車型實(shí)施時(shí)間。 在這種情況 下，汽車碰撞試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)工作組召開會(huì)議， N1 類車型生產(chǎn)企業(yè)總體認(rèn)為現(xiàn)有 N1 類車型經(jīng)過改型和增加適當(dāng)?shù)呐渲媚軌蜻_(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求， 但需要進(jìn)一步進(jìn)行修改難

12、 度的分析、成本核算、市場(chǎng)分析等一系列工作，標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)給予充分的過渡準(zhǔn)備期。2.2 汽車碰撞試驗(yàn)法規(guī)汽車碰撞事故的形態(tài)千差萬別 ,對(duì)汽車碰撞性能的評(píng)價(jià)也必須針對(duì)不同的碰 撞形態(tài)來進(jìn)行。 按事故統(tǒng)計(jì)結(jié)果， 汽車碰撞事故主要可分為正面碰撞、 側(cè)面碰撞 追尾碰撞和翻車等幾種主要類型。 在實(shí)驗(yàn)室真實(shí)地再現(xiàn)典型的碰撞事故過程是分 析和評(píng)價(jià)汽車碰撞中對(duì)乘員保護(hù)能力的基礎(chǔ)。 早在 20 世紀(jì) 40年代，歐洲汽車聯(lián) 合會(huì)就根據(jù)當(dāng)時(shí)的交通事故狀況開展了汽車翻滾、汽車側(cè)面與圓柱碰撞等試驗(yàn)。 隨著公路條件的改善， 汽車正面碰撞、 側(cè)面碰撞形式形成了交通事故中最常見的 碰撞形式。 50 年代后期，德國(guó)的梅塞德斯一奔馳、大

13、眾等汽車公司開始進(jìn)行汽 車正面碰撞試驗(yàn)。到 60年代中期 ,美國(guó)頒布了第一個(gè)汽車碰撞安全性要求的法規(guī)， 并通過安全車試驗(yàn)(Experiment Safety Vehicle)計(jì)劃將汽車碰撞安全性的概念傳播 到了其他國(guó)家。 隨著生物力學(xué)研究、 交通事故統(tǒng)計(jì)分析、 事故再現(xiàn)分析技術(shù)研究 的深入，尤其是政府對(duì)減少交通事故中人員傷亡損失的重視和汽車用戶對(duì)汽車產(chǎn) 品安全性能的日益關(guān)注，逐步形成了較完善的機(jī)動(dòng)車輛安全法規(guī)。從乘員保護(hù)的觀點(diǎn)出發(fā)， 以交通事故再現(xiàn)的方式， 分析車輛碰撞過程中乘員 與車輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和損傷狀況， 并使用假人定量地評(píng)價(jià)碰撞安全性能， 實(shí)車碰撞 試驗(yàn)是最終檢驗(yàn)汽車安全性能必不可少的試

14、驗(yàn)， 同時(shí)在汽車開發(fā)過程中為滑車模 擬試驗(yàn)設(shè)定試驗(yàn)條件， 為計(jì)算機(jī)碰撞仿真驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果等。 雖然實(shí)車碰撞試驗(yàn)技 術(shù)難度大、 試驗(yàn)準(zhǔn)備周期長(zhǎng)、 試驗(yàn)費(fèi)用昂貴， 但實(shí)車碰撞試驗(yàn)仍是汽車碰撞安全 研究中必須的、 不可替代的試驗(yàn)。 由于實(shí)車碰撞屬于瞬間發(fā)生的猛烈沖擊， 試驗(yàn) 中車輛是破壞性的、 不能重復(fù)進(jìn)行， 所以要求試驗(yàn)設(shè)備必須準(zhǔn)確無誤地實(shí)現(xiàn)預(yù)定 設(shè)定的碰撞，各種測(cè)量?jī)x器設(shè)備能精確地紀(jì)錄下車輛和乘員在碰撞時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀 態(tài)、破壞形態(tài)及與傷害相關(guān)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。2.2.1 正面碰撞試驗(yàn)法規(guī)及方法按照正面碰撞試驗(yàn)法規(guī)， 正面碰撞試驗(yàn)是指被檢驗(yàn)汽車以某一速度與一個(gè)剛 性或者可變形壁障發(fā)生碰撞的試驗(yàn)。 其目的是檢

15、查保險(xiǎn)杠、 車廂前部前圍板區(qū)域 所能吸收沖擊能量的程度， 考驗(yàn)車廂結(jié)構(gòu)強(qiáng)度， 借助車內(nèi)假人的傳感器所記錄的 數(shù)據(jù)，換算出和法規(guī)相對(duì)應(yīng)的傷害指標(biāo)， 判斷試驗(yàn)樣車的碰撞性能。 正面碰撞法 規(guī)主要有美國(guó)的 FMVSS208、歐洲的ECER94兩大體系。我國(guó)正面碰撞法規(guī) CMVDR294(GB11551)和日本、澳大利亞的正面碰撞法規(guī)基本上是在美國(guó)和歐洲 的正碰法規(guī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行移植和稍加改動(dòng)形成的。美國(guó) FMVSS208 法規(guī)規(guī)定了 車輛正面碰撞試驗(yàn)速度為48.3km/h,固定壁障為剛性表面。正面碰撞試驗(yàn)包括以 下兩種：約束系統(tǒng)試驗(yàn)：車輛縱向軸線與壁障表面垂直；結(jié)構(gòu)試驗(yàn)：車輛橫 截面與壁障表面方向成

16、30度角，碰撞時(shí)車輛左前端先與壁障接觸。此外，對(duì)應(yīng) 于系和不系安全帶兩種情況，要分別進(jìn)行試驗(yàn)。主要評(píng)價(jià)指標(biāo)包括：頭部傷害指標(biāo)W 1000,胸部持續(xù)3ms加速度不大于 60g,胸部相對(duì)于脊柱的壓縮變形量不超過 76.2mm,大腿壓縮力不超過10KN ； 碰撞過程門不能撞開； 碰撞后, 不用工具應(yīng)能將門打開, 并能夠正常進(jìn)出假 人；燃油泄漏量為30g/min。歐洲在制定正面碰撞法規(guī)時(shí), 專家們提出該試驗(yàn)方法要盡量真實(shí)地反映交通 事故情況。聯(lián)合國(guó)歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)(Economic Commission for Europe)在1995年開 始生效歐洲正面碰撞乘員保護(hù)法規(guī) ECER94，適用于總質(zhì)量小于

17、等于2500kg的 Ml類車。其中規(guī)定車輛正面碰撞試驗(yàn)碰撞速度為56km/h，碰撞形式為40%偏置變形壁障碰撞,其壁障為蜂窩狀鋁合金變形壁障。我國(guó)正面碰撞法規(guī)CMVDR2945關(guān)于正面碰撞乘員保護(hù)的設(shè)計(jì)規(guī)則主要 是參照歐洲法規(guī)起草的,但是并沒有采用歐洲 ECER94.01 中的偏置碰撞試驗(yàn), 而是采用和美國(guó)、日本法規(guī)一致的 100%重疊率、90度剛性固定壁障正面碰撞試 驗(yàn)，速度5km/h。由于亞洲人體身材較小，而碰撞試驗(yàn)假人選用了HYBRID川第50 百分位男性假人 ,這樣對(duì)于一些針對(duì)亞洲身材開發(fā)的微型車,碰撞試驗(yàn)時(shí)座椅位于中間位置時(shí)，HYBR川假人就無法正確安放。在座椅調(diào)節(jié)、假人安放方面 參

18、照了日本的正面碰撞試驗(yàn)法規(guī)TRAIS II -4-30的內(nèi)容。另外，為了今后在WP29(WP29 是現(xiàn)在全世界汽車安全法規(guī)統(tǒng)一工作的論壇， 在亞洲，日本是 WP29 的成員國(guó)，我國(guó)現(xiàn)在是觀察國(guó)，很快會(huì)簽署協(xié)議成為 WP29 的成員國(guó) )討論中方 便, CMVDR 294與ECE R94保持了同樣的條款編號(hào)，對(duì)于一些消去的內(nèi)容，仍然保留了條款的編號(hào)，只是將內(nèi)容消去，這樣今后在國(guó)際交流時(shí)很容易對(duì)照。2.2.2 側(cè)面碰撞試驗(yàn)法規(guī)及方法側(cè)面碰撞位居正面碰撞之后， 是第二種最常見的碰撞形式。 側(cè)面碰撞法規(guī)針 對(duì)汽車側(cè)門強(qiáng)度提出要求，目的是檢查車側(cè)支柱、頂/底支柱連接和門連接等結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，以盡量降低側(cè)面碰撞

19、事故中傷害乘員的風(fēng)險(xiǎn)。無論是美國(guó) FMVSS 還是 歐洲 ECE 法規(guī)，均規(guī)定使用移動(dòng)變形壁障 MDB(Moving De-formable Barrie) 以一 定的速度， 撞擊車輛的側(cè)面， 在車被撞側(cè)面前后座位上裝有側(cè)面碰撞假人， 以測(cè) 定傷害指數(shù)。二者的差別主要在于移動(dòng)變形壁障 MDB 和使用的假人。我國(guó)即將推出側(cè)面碰撞試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于側(cè)面碰撞中乘員保護(hù)的規(guī)定 ，主要 采用歐洲ECE R95法規(guī)(包括01系列增補(bǔ)，02系列增補(bǔ)及02系列建議)，刪除 了 ECE R95認(rèn)證申請(qǐng)、認(rèn)證程序及認(rèn)證標(biāo)志、車型修改！產(chǎn)品一致性、產(chǎn)品非一 致性的處理等內(nèi)容，其原因是由標(biāo)準(zhǔn)體系和法規(guī)體系的形式差別所致。日

20、本于 1998年10月頒布了側(cè)面碰撞試驗(yàn)法規(guī)，采用了與ECE R95一樣的試驗(yàn)方法。我 國(guó)也正在著手制訂側(cè)面碰撞法規(guī)，將以 ECER95為藍(lán)本制訂CMVDR295，目前 已完成了翻譯工作。2.2.3 追尾碰撞試驗(yàn)法規(guī)和方法對(duì)于追尾碰撞中的結(jié)構(gòu)保護(hù)，則有美國(guó)的 FMVSS 223和FMVSS 224，以及 歐洲的ECER32。美國(guó)的FMVSS 223和FMVSS 224是針對(duì)于總重在4536kg以 上的掛車和半掛車后部碰撞防護(hù)裝置；歐洲法規(guī) ECE R32 則規(guī)定車輛后面碰撞 時(shí)對(duì)車廂結(jié)構(gòu)耐撞性的要求，并適用于 Ml 類車。因而這兩種法規(guī)是針對(duì)于不同 車輛以及車輛的不同部分。2.2.4 動(dòng)態(tài)翻滾

21、試驗(yàn)法規(guī)和方法對(duì)于動(dòng)態(tài)滾翻事故，雖然發(fā)生率不是很高，但也會(huì)造成很高的事故死亡率， 從事故統(tǒng)計(jì)來看， 大客車翻車和墜崖群死群傷是最為嚴(yán)重的客車事故， 世界上許 多國(guó)家都已把大客車的翻滾和車頂靜壓試驗(yàn)作為強(qiáng)制性的認(rèn)證試驗(yàn)。如美國(guó)的FMVSS220、歐洲的ECEReg.66 澳大利亞的ADR59/00、南非的SANS 1563等 都對(duì)大客車上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的試驗(yàn)性能作出了規(guī)定。滾翻試驗(yàn)的再現(xiàn)性比較困難， 雖然試驗(yàn)方法有很多種， 但是已成文的滾翻法 規(guī)很少，目前只有美國(guó)的 FMVSS 208 中介紹了試驗(yàn)方法一平臺(tái)翻車，這種方法 易于進(jìn)行重復(fù)性試驗(yàn)。 FMVSS 208 平臺(tái)翻車試驗(yàn)主要利用平臺(tái)車緊急制動(dòng)

22、的方 法讓實(shí)驗(yàn)車滾翻。 它采用一個(gè) 23°斜角的楔形平面作為滾翻試驗(yàn)樣車運(yùn)載裝置， 然后以50km/h的速度平移，在不大于915mm的距離內(nèi)平臺(tái)從50km/h減速到零， 減速度至少為209，持續(xù)時(shí)間至少為0.04 &然而這種試驗(yàn)只限于轎車。2.2.5 其它的汽車碰撞試驗(yàn)法規(guī)和方法 汽車發(fā)生碰撞，除了正面、側(cè)面、追尾和滾翻事故外，還會(huì)發(fā)生由碰撞引起的燃油泄漏、燃燒、爆炸等事故。這類事故具有較大的傷害性，也是在交通事故 中導(dǎo)致人員傷亡的重要因素。美國(guó)的燃油泄漏法規(guī) FMVSS 301 是最為全面燃油 系統(tǒng)完好檢驗(yàn)法規(guī)，同樣在歐洲有燃油泄法規(guī) ECE R34,在日本有日本車輛碰撞

23、燃油泄漏技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) TRIAS 11- 4-140。另外在歐美等國(guó)家 ,現(xiàn)在的發(fā)展趨勢(shì)是：政府制訂的安全法規(guī)是對(duì)汽車產(chǎn)品 的最低要求， 汽車生產(chǎn)廠家對(duì)安全性能的追求目標(biāo)是要求更高的 /新車評(píng)價(jià)程序。 (NCAP-New Car Assessment Program和企業(yè)以實(shí)際交通事故分析結(jié)果為依據(jù)而 制訂的汽車碰撞安全性評(píng)價(jià)方法。 NCAP 是由政府、保險(xiǎn)公司、消費(fèi)者組織、汽 車俱樂部或雜志社等機(jī)構(gòu)制訂的碰撞安全性評(píng)價(jià)體系， NCAP 中的實(shí)車碰撞速度 往往比本國(guó)安全法規(guī)中規(guī)定的車速要高， 在更嚴(yán)重的碰撞環(huán)境下評(píng)價(jià)車內(nèi)乘員的 傷害，根據(jù)頭部、胸部等主要部位的傷害將試驗(yàn)車的安全性進(jìn)行分級(jí)， 星級(jí)越

24、高， 表示該車型的碰撞安全性越好。 組織者將這些信息公布給消費(fèi)者， 使消費(fèi)者能夠 買到更安全的車。由于 NCAP 能引導(dǎo)消費(fèi)者，所以盡管 NCAP 不是政府強(qiáng)制的， 但各個(gè)汽車生產(chǎn)廠都非常重視 NCAP，把NCAP作為汽車產(chǎn)品開發(fā)的重要評(píng)價(jià)依 據(jù)。 NCAP 最早是在美國(guó)出現(xiàn)的， 現(xiàn)在在歐洲、日本、澳大利亞等都制訂了 NCAP。2.2.6 碰撞試驗(yàn)假人碰撞試驗(yàn)假人又稱擬人試驗(yàn)裝置，是用于評(píng)價(jià)碰撞安全性的標(biāo)準(zhǔn)人體模型。 假人的尺寸、外形、質(zhì)量、剛度和能量吸收性能與相應(yīng)的人體十分相似，所以當(dāng) 假人處于模擬的碰撞事故條件下， 它的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)與相應(yīng)的人體也十分相似。 在 假人上裝備有傳感器，可用于測(cè)量

25、人體各部位的加速度、負(fù)荷、擠壓變形量等。 通過對(duì)這些物理量的分析、處理可以定量地衡量汽車產(chǎn)品的碰撞安全性能。按人體類型分， 假人可分為成年假人和兒童假人。 成年假人按體型大小又分 為中等身材男性假人、 小身材女性假人和大身材男性假人。 在汽車碰撞試驗(yàn)中最 常用到的是中等身材假人，其代表歐美男性第 50百分位成年人的平均身材。為 了在設(shè)計(jì)中考慮不同的人體體型， 又按照歐美人體分布的兩端極限， 分別開發(fā)了 小身材和大身材假人。小身材女性假人代表歐美第 5 百分位女性成年人的體型； 大身材男性假人代表歐美第 95 百分位男性成年人的體型。兒童假人的身高、體 重是指定年齡組兒童的平均身高和體重，而不考

26、慮性別。最早開發(fā)的是正面碰撞試驗(yàn)假人， 其開發(fā)目的是為了評(píng)價(jià)乘員約束系統(tǒng)是否 牢固。這種假人結(jié)構(gòu)上很結(jié)實(shí)， 外形和體重與人體相似， 但缺點(diǎn)是它的碰撞響應(yīng) 與人體不同，不能裝備足夠的測(cè)量傳感器。Hybrid U是1972年由美國(guó)通用汽車公 司開發(fā)的，用于評(píng)價(jià)安全帶系統(tǒng)的牢固性，其尺寸、外形、質(zhì)量及四肢的運(yùn)動(dòng)范 圍依照美國(guó)第 50 百分位男性人體設(shè)計(jì)的， 1973 年成為聯(lián)邦機(jī)動(dòng)車安全標(biāo)準(zhǔn) FMVSS 208中指定的假人。但是，由于Hybrid U的生物保真性和測(cè)量能力還存在 很多缺陷，所以又開發(fā)了具有更高生物保真性和令人滿意的測(cè)量能力的正面碰撞 假人Hybrid U。按碰撞試驗(yàn)的類型分，假人又可

27、分為正面碰撞假人和側(cè)面碰撞假 人。側(cè)面碰撞假人又三個(gè)： SID、EurosID 和 BI0SID 。這三個(gè)假人都是按第 50 百分位成年男性的身材開發(fā)的， SID 是美國(guó)側(cè)面碰撞試驗(yàn)法規(guī)指定的試驗(yàn)假人， EuroSID 是歐洲的側(cè)面碰撞試驗(yàn)法規(guī)指定的試驗(yàn)假人。2.3 我國(guó)汽車碰撞標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)的發(fā)展1989 年，我國(guó)參照美國(guó)聯(lián)邦法規(guī) FMVSS 208制訂了我國(guó)的 GB/T11551-89 汽車乘員碰撞保護(hù) 標(biāo)準(zhǔn)， 由于當(dāng)時(shí)我國(guó)不具備試驗(yàn)條件， 因此該標(biāo)準(zhǔn)一直沒 有執(zhí)行。 1999年我國(guó)參照歐洲 ECER94.00 制訂了我國(guó)的第一個(gè)機(jī)動(dòng)車設(shè)計(jì)法規(guī) CMVDR294-1999關(guān)于正面碰撞乘員保護(hù)的設(shè)

28、計(jì)規(guī)則，該規(guī)則與ECE R94.00 的區(qū)別是將 ECER94.00 中的碰撞角度由 30°的斜碰撞改為 0°的正面碰撞，碰 撞的車速、試驗(yàn)用假人以及其他各項(xiàng)要求與 ECE R94.00 一致，同時(shí)考慮到微型 轎車在使用Hybrid川假人時(shí)出現(xiàn)的問題，將日本碰撞標(biāo)準(zhǔn) TRIAS11-4-30中假人 及座椅位置的調(diào)整等有關(guān)部分引入到 CMVDR 294-1999法規(guī)中。 我國(guó)在2000年 4月1 日已經(jīng)對(duì)新生產(chǎn)的 Ml 類汽車實(shí)行了該法規(guī)，而對(duì)再生產(chǎn)的 Ml 類汽車在 2002年7月1日起也必須滿足該法規(guī)的要求。2004 年 6 月 l 日我國(guó)參照歐洲 ECE R94 法規(guī)制

29、訂的國(guó)家強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn) GB11551-2003乘用車正面碰撞的乘員保護(hù)正式出臺(tái)，至此我國(guó)才真正擁有 了自己的汽車正面碰撞標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)的汽車正面碰撞標(biāo)準(zhǔn)GB11551-2003乘用車正面碰撞的乘員保護(hù)與 CMVDR 294汽車正面碰撞乘員保護(hù)的設(shè)計(jì)規(guī)則是 一脈相承的。它們都是等效采用ECE R94法規(guī)制訂的，區(qū)別在于CMVDR294汽 車正面碰撞乘員保護(hù)的設(shè)計(jì)規(guī)則 雖具有國(guó)家強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)法律效力， 但還不是國(guó) 家強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)。而國(guó)家強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn) GB11551-2003的制定實(shí)施體現(xiàn)了國(guó)家對(duì)汽車 碰撞安全性能的重視。2002 年我國(guó)相關(guān)部門將汽車側(cè)面碰撞、后面碰撞強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)制定納入 了汽車強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)

30、準(zhǔn)制修訂 “十五”發(fā)展規(guī)劃。 經(jīng)過 3年多的制訂及廣泛征求 意見，兩項(xiàng)碰撞標(biāo)準(zhǔn)已制定完成并形成報(bào)批稿， 己正式提交國(guó)家發(fā)展和改革委員 會(huì)及全國(guó)汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)審批。我國(guó)側(cè)面碰撞標(biāo)準(zhǔn)主要要求的是車輛側(cè)門結(jié)構(gòu)的安全性， 在進(jìn)行車輛結(jié)構(gòu)調(diào) 整時(shí)，主要改進(jìn)側(cè)門和 B 柱設(shè)計(jì)，在側(cè)門上加裝防撞桿。雖然我國(guó)汽車側(cè)面碰 撞及后面碰撞標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)在還沒正式出臺(tái)， 但標(biāo)準(zhǔn)的基本內(nèi)容都是等效參照歐洲 ECE R95法規(guī)制訂的，同時(shí)執(zhí)行時(shí)間也己經(jīng)確定。汽車側(cè)面碰撞標(biāo)準(zhǔn)汽車側(cè)面碰撞 的乘員保護(hù) （報(bào)批稿）規(guī)定對(duì)于新定型車輛：自 2006年7月1日起開始實(shí)施； 對(duì)于在生產(chǎn)車型：自 2009 年 7 月 1 日起開始實(shí)施。

31、我國(guó)的汽車后面碰撞標(biāo)準(zhǔn) 乘用車后碰撞燃油系統(tǒng)安全要求 制訂工作現(xiàn)已 完成到報(bào)批稿階段。該標(biāo)準(zhǔn)修改采用了歐洲ECE R34關(guān)于機(jī)動(dòng)車防止火災(zāi)危險(xiǎn) 認(rèn)證的統(tǒng)一規(guī)定。該標(biāo)準(zhǔn)適用于發(fā)動(dòng)機(jī)使用液體燃料的乘用車。對(duì)于新定型車 輛：自 2006年7月1日起開始實(shí)施， 對(duì)于在生產(chǎn)車型；自 2008年7月1日起開 始實(shí)施。至此我國(guó)已建立汽車正面碰撞、 側(cè)面碰撞以及后面碰撞三位一體的汽車 碰撞國(guó)家強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)體系，這對(duì)我國(guó)汽車碰撞安全性的提高有著重要意義。3，商用車碰撞仿真模擬的有限元基本理論3.1 有限元法的基本理論與方法有限元最基本的出發(fā)點(diǎn)是將分析對(duì)象的結(jié)構(gòu)或?qū)嶓w劃分為有限個(gè)微小的單 元體，這些微小的單元體稱為

32、“單元” ，兩相鄰單元間只通過節(jié)點(diǎn)相連接。將作 用在結(jié)構(gòu)體上的外載荷按靜力等效原則分解為等效節(jié)點(diǎn)載荷向量， 以這些單元體 的集合替代原來的連續(xù)結(jié)構(gòu)實(shí)體， 這一過程稱為連續(xù)體的離散化。 離散化過程就 是將被分析的工程實(shí)體簡(jiǎn)化為有限元計(jì)算模型的過程，因此也稱為模型化過程。 有限元方法是在離散化的模型上求解， 將復(fù)雜的連續(xù)體上分析的問題轉(zhuǎn)化為在離 散化的模型上解一個(gè)多元代數(shù)方程的問題。 有限元方法的求解過程簡(jiǎn)單， 方法成 熟,但計(jì)算量大，這特別適合于計(jì)算機(jī)計(jì)算。有限元方法按照節(jié)點(diǎn)基本未知數(shù)可 分為位移法、應(yīng)力法和混合法。其中應(yīng)用最多的是位移法。在位移法中， 通常選取多項(xiàng)式函數(shù)近似地表達(dá)位移分量地分布

33、， 這一通過節(jié) 點(diǎn)位移表達(dá)單元內(nèi)部位移規(guī)律地函數(shù)稱為插值函數(shù)， 不同單元形式可以有不同類 型插值函數(shù)。有了插值函數(shù)， 即可利用變分原理建立單元節(jié)點(diǎn)力向量和節(jié)點(diǎn)位移 向量之間的關(guān)系， 即單元?jiǎng)偠染仃嚒?應(yīng)用節(jié)點(diǎn)力平衡條件和協(xié)調(diào)條件， 將所有單 元?jiǎng)偠染仃嚪匠虜U(kuò)展后疊加， 建立結(jié)構(gòu)整體節(jié)點(diǎn)力和節(jié)點(diǎn)位移的關(guān)系方程一結(jié)構(gòu) 總剛度方程， 結(jié)構(gòu)總剛度方程是一個(gè)以節(jié)點(diǎn)向量為基本未知數(shù)的代數(shù)方程。 引入 約束條件后， 即可利用計(jì)算機(jī)求解結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)位移， 代入單元?jiǎng)偠确匠毯螅?可以求 得節(jié)點(diǎn)力和各單元內(nèi)部應(yīng)力和應(yīng)變分量。有限元方法就是根據(jù)現(xiàn)實(shí)對(duì)象的實(shí)際結(jié)構(gòu)，利用 CAD 軟件建立三維實(shí)體幾 何模型，將三維實(shí)體模型

34、離散化， 并將結(jié)構(gòu)體所受實(shí)際載荷分別作用到各單元體 上，最后求出各單元體節(jié)點(diǎn)力和位移。3.2 碰撞數(shù)值模擬的有限元理論汽車 （包括客車 ）碰撞是一個(gè)十分復(fù)雜的力學(xué)問題 ,其數(shù)值模擬研究開始于 1986年。在 1985 年以前，由于當(dāng)時(shí)的理論水平有限、分析手段較低，不能對(duì)碰 撞過程有全面深入的了解， 為了最大限度滿足有關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)， 研究人員一直在尋 求弄清汽車碰撞內(nèi)在規(guī)律的方法。 其中，多剛體動(dòng)力學(xué)和機(jī)械振動(dòng)學(xué)分析方法是 當(dāng)時(shí)最為突出的兩種方法。多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法具有模型簡(jiǎn)單、 表述規(guī)范、編程方便、 運(yùn)算快捷等優(yōu) 點(diǎn)，但由于現(xiàn)實(shí)世界中的物體都是可變形體， 而且對(duì)于汽車碰撞過程來說， 汽車 車身

35、結(jié)構(gòu)的變形特性是影響汽車安全性能的關(guān)鍵因素， 因此該方法在汽車碰撞數(shù) 值模擬中常常只用于對(duì)人體模型的碰撞響應(yīng)分析。機(jī)械振動(dòng)學(xué)方法是根據(jù)碰撞過程中汽車的實(shí)際變形情況將汽車離散為一個(gè) 非線性彈簧一質(zhì)量振動(dòng)系統(tǒng)，通過事先測(cè)定系統(tǒng)中彈性元件的非線性抗力特性， 利用機(jī)械振動(dòng)學(xué)的方法來求解碰撞系統(tǒng)響應(yīng)的。用這種方法進(jìn)行汽車碰撞分析， 目的是彌補(bǔ)多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法不能研究可變形體響應(yīng)的不足。從理論上說， 機(jī)械振動(dòng)學(xué)分析方法與多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法的有機(jī)結(jié)合， 能夠解決汽車碰撞分 析中幾乎所有的響應(yīng)問題， 但由于抗力元件的非線性特性必須預(yù)先測(cè)定， 同時(shí)又 要保證所測(cè)得的特性恰恰是構(gòu)件在真實(shí)碰撞中的變形特性，

36、這樣，在測(cè)試時(shí)， 就 必須精心模擬構(gòu)件在碰撞中可能出現(xiàn)的各種可能的約束條件， 而汽車碰撞中的有 些接觸約束條件事先是無法知道的， 這就大大增加了測(cè)試的難度， 也正因?yàn)槿绱耍?人們借助計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬分析大幅度改進(jìn)汽車被動(dòng)安全性的設(shè)想才遲遲無法實(shí) 現(xiàn)。汽車（包括客車）耐撞性分析的碰撞有限元法是 20世紀(jì) 80年代后期才逐步發(fā) 展和完善起來的先進(jìn)技術(shù)， 如今己在汽車工業(yè)得到廣泛地應(yīng)用， 并取得了巨大的 成就。碰撞有限元法用于汽車工程實(shí)際分析的一般過程如圖 3-1 所示。圖3-1碰撞問題有限元分析流程圖由于碰撞有限元分析的工作通過計(jì)算機(jī)來完成， 不會(huì)象實(shí)際碰撞試驗(yàn)?zāi)菢訐p 壞任何的實(shí)體，并且能夠?qū)Τ跏荚O(shè)

37、計(jì)進(jìn)行快速的評(píng)估，因此該方法得到越來越廣 泛的應(yīng)用，并且正在逐步取代部分試驗(yàn)工作。盡管有限元法具有強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)和功能，但它并不能脫離試驗(yàn)而單獨(dú)存在。因 為一方面，碰撞計(jì)算所需要的眾多參數(shù)，如材料特性參數(shù)、部件連接特性等等， 都必須由試驗(yàn)來提供；另一方面，有限元分析受人為因素的影響較大， 如模型的 建立、仿真參數(shù)的選擇等等，可隨分析人員的不同而不同。因此，數(shù)值模擬計(jì)算 的結(jié)果一般需要通過試驗(yàn)加以驗(yàn)證。只有經(jīng)過驗(yàn)證的模型才是正確和可用的模 型，但是目前國(guó)內(nèi)的試驗(yàn)條件跟國(guó)外差別較大， 有些試驗(yàn)單獨(dú)不能完成，所以采 用一些類比法來驗(yàn)證模型。這樣雖然不能完全驗(yàn)證模型的正確性， 但是能證明模 型的可用性。8

38、0年代后期顯式有限元方法的成熟，標(biāo)志著汽車碰撞數(shù)值模擬研究新時(shí)期 的開始。適用面廣、精度高且能夠處理異常復(fù)雜的約束邊界是其成為一種克服了 前述兩種方法全部缺點(diǎn)的優(yōu)秀方法。 與傳統(tǒng)的隱式有限元方法相比，顯式算法在 求解具有如下特征的問題時(shí)相對(duì)更為有效：1、很短的持續(xù)時(shí)間。計(jì)算費(fèi)用會(huì)隨著求解問題時(shí)間的增加而呈線性增加， 但如果求解問題的時(shí)間很短，則需要大量的積分步數(shù)。2、大量非線性或高度非線性。此時(shí)若采用隱式算法，CPU時(shí)間會(huì)呈指數(shù)性增加正是由于碰撞這類問題具有上述兩個(gè)明顯特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外各大汽車公司和科研單位在進(jìn)行汽車碰撞分析時(shí)，所采用的軟件主要是以顯式算法為計(jì)算核心的有限 元程序。目前國(guó)外模擬汽車

39、碰撞過程常用的有限元軟件LS-DYNA、PAM-CRASH和MSC/DYTRAN等。這些軟件的核心部分都是以美國(guó) Lawrenee Livermore國(guó)家 試驗(yàn)室在70年代開發(fā)出的DYNA公開版本的理論為基礎(chǔ)，所以在理論上差別不 大。3.3顯式動(dòng)力分析的特點(diǎn)用中心差分法在時(shí)間t求加速度：胡冋-丹)Ftext為施加外力和體力矢量；Ftini為下式?jīng)Q定的內(nèi)力矢量Fhg為沙漏阻力；Feo nt為常量力。 速度與位移用下式得到：嘰烏=怙山+UDtt+Dt/2=J(Dtt+ Dtt+ Dt)Dtt- Dt/2'5(Dtt- Dtt+ Dt)新的幾何構(gòu)形由初始構(gòu)形加上X0獲得：非線性問題： 塊質(zhì)量

40、矩陣需要簡(jiǎn)單轉(zhuǎn)置 方程非禍合，可以直接求解(顯式) 無須轉(zhuǎn)置剛度矩陣，所有非線性(包括接觸)都包含在內(nèi)力矢量中 內(nèi)力計(jì)算是主要的計(jì)算部分 無須收斂檢查 保持穩(wěn)定狀態(tài)需要小的時(shí)間步4,商用車碰撞仿真模擬影響精度因素基于動(dòng)態(tài)顯式非線性有限元分析的計(jì)算機(jī)仿真，與隱式算法不同，其算法并 非無條件穩(wěn)定，包括由簡(jiǎn)化單元計(jì)算使用的單點(diǎn)高斯積分引起的沙漏模態(tài)與應(yīng)力波傳遞帶來的數(shù)值震蕩均需進(jìn)行有效控制，同時(shí)，顯式積分的穩(wěn)定性還受臨界時(shí)間步長(zhǎng)的控制。為了確保仿真模擬的有效性，有必要探討網(wǎng)格單元尺寸大小、 分 布狀況、時(shí)間步長(zhǎng)和摩擦等因素對(duì)仿真模擬效果的影響規(guī)律。4.1單元尺寸影響單元尺寸主要影響壓塌模式和極限時(shí)間

41、步長(zhǎng)。 越小的單元尺寸對(duì)壓塌變形的 表達(dá)越真實(shí)，過粗的網(wǎng)格則會(huì)導(dǎo)致失真的結(jié)果，但越小的單元尺寸要求的時(shí)間步 長(zhǎng)越小，因而導(dǎo)致計(jì)算效率下降越多。因此，在汽車碰撞仿真計(jì)算中，應(yīng)在確保 正確表達(dá)壓塌變形的前提下，盡可能選擇大的單元尺寸。已有文獻(xiàn)對(duì)車身用薄壁直梁件的研究表明，沿軸向碰撞的直梁結(jié)構(gòu)在局部失 穩(wěn)后將產(chǎn)生壓塌失效過程，在該過程中，直梁的邊會(huì)沿著半徑為r的圓弧形曲線逐漸折疊，根據(jù) Werzbicki對(duì)薄壁直梁件的研究，平均的折疊半徑近似為：r = 0.72C是截面的寬度t是壁厚。為了充分描述出結(jié)構(gòu)在碰撞過程中的折疊變形單元的 尺寸應(yīng)該小于折疊圓弧長(zhǎng)的一半，即單元邊長(zhǎng)：°5兀廠。在進(jìn)行

42、碰撞計(jì)算時(shí)，特別是對(duì)于汽車碰撞這樣一個(gè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、規(guī)模龐大的仿 真過程，不可能為了追求計(jì)算精度而盲目地細(xì)化單元， 由此導(dǎo)致的對(duì)計(jì)算時(shí)間的 需求可能是成百上千小時(shí)，這是不現(xiàn)實(shí)的。因此，在對(duì)汽車碰撞過程進(jìn)行仿真模 擬時(shí)，很關(guān)鍵的一步是要對(duì)汽車復(fù)雜的結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化處理， 它直接關(guān)系到 仿真過程能否繼續(xù)下去。然而，還不能以模型中單元最小的極限時(shí)間步長(zhǎng)作為整體步長(zhǎng)，這是因?yàn)樵谂鲎沧冃闻で螅?某些單元會(huì)發(fā)生畸形變形，使其特征長(zhǎng)度及相應(yīng)時(shí)間步長(zhǎng)急 劇減小，導(dǎo)致計(jì)算效率急劇下降，使用仿真分析幾乎不可進(jìn)行，一般必須由人工 設(shè)定初始計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)。初始時(shí)間步長(zhǎng)的設(shè)定應(yīng)以模型網(wǎng)格劃分情況為依據(jù)，以& -6

43、最小單元極限時(shí)間步長(zhǎng)為參考，一般取在呂之間，如果模型計(jì)算的時(shí)間步長(zhǎng)過小，就有必要使用質(zhì)量縮放。當(dāng)使用質(zhì)量縮放時(shí)，單元的密度就被調(diào)整 以達(dá)到用戶所規(guī)定的時(shí)間步長(zhǎng)。質(zhì)量縮放修改了材料密度，必然會(huì)改變（通常是增加）模型的質(zhì)量，質(zhì)心位 置也會(huì)變化。但如果使用恰當(dāng)，它所節(jié)省的CPU時(shí)間相對(duì)少量質(zhì)量誤差也是值得的。同時(shí)應(yīng)注意，不能對(duì)模型增加過多的質(zhì)量，它將對(duì)整車慣性發(fā)生顯著的影 響。為此，在進(jìn)行單元網(wǎng)格劃分和人為設(shè)置極限時(shí)間步長(zhǎng)時(shí)，應(yīng)兩者皆顧，既要 使計(jì)算時(shí)間切實(shí)可行，又不至于增加太多的模型質(zhì)量（一般應(yīng)小于5%）。4.2單兀時(shí)步長(zhǎng)控制算法時(shí)間步長(zhǎng)的選擇決定了求解的效率和中心差分積分算法的穩(wěn)定性。對(duì)于有限單

44、元方法而言，時(shí)間積分的第n+1時(shí)步?jīng)Q定于模型各個(gè)單元時(shí)步長(zhǎng)。A嚴(yán),A/；）其中n為單元數(shù)。為了保證計(jì)算的穩(wěn)定，安全系數(shù)a通常取小于1的正數(shù)，而（i=1,2,n）為單元的最大穩(wěn)定時(shí)步4.3網(wǎng)格密度分布的影響為了提高計(jì)算精度和得到正確的碰撞機(jī)仿真結(jié)果， 對(duì)網(wǎng)格的總體加密有時(shí)并 不能完全解決問題，網(wǎng)格密度的分布也是重要的影響因素。如圖4-1所示的方形梁的碰撞模擬表明了不同的網(wǎng)格密度會(huì)有截然不同的模 擬結(jié)果，其中的單元網(wǎng)格劃分：（a）上部精細(xì)，下部粗糙；（b）上部粗糙，下部 精細(xì)；（c）統(tǒng)一劃分網(wǎng)格，結(jié)果是在同樣的邊界條件和初始條件下，不同劃分密 度產(chǎn)生不同變形的情況。其原因可通過研究不同的網(wǎng)格密度對(duì)

45、能量的吸收情況得 到解釋。粗網(wǎng)格的計(jì)算內(nèi)能偏大剛性較強(qiáng)，因此在相同的受力條件下，細(xì)網(wǎng)格區(qū) 將先于粗網(wǎng)格區(qū)進(jìn)入屈服壓塌狀態(tài)。如果網(wǎng)格劃分不當(dāng)，在受力梯度不大時(shí)就會(huì) 得出錯(cuò)誤結(jié)論，例如受力大的部位網(wǎng)格粗糙，受力小的部位網(wǎng)格細(xì)密，將使本來 受力小的部位反而先進(jìn)入壓塌狀態(tài)，從而導(dǎo)致模擬結(jié)果失真。因此，在碰撞模擬 分析時(shí)要對(duì)模型的單元網(wǎng)格疏密進(jìn)行仔細(xì)安排，尤其是變網(wǎng)格密度要謹(jǐn)慎，必須充分考慮碰撞中的受力分布情況以免由于人為的單元?jiǎng)澐钟绊懩M結(jié)果的真實(shí) 性。（富）（b）（c）圖4-1網(wǎng)格密度分布對(duì)仿真結(jié)果的影響4.4碰撞模擬中摩擦力的影響汽車耐撞性仿真分析的一個(gè)重要特點(diǎn)是對(duì)動(dòng)態(tài)接觸問題的處理，接觸與沖擊載

46、荷總是影響著碰撞的全過程。由于汽車結(jié)構(gòu)的高度復(fù)雜性，要詳細(xì)或真實(shí)地描 述在碰撞作用下各接觸部分的摩擦是非常困難的， 故在汽車耐撞性分析中接觸處 的摩擦大都被忽略。然而，事實(shí)上有接觸便有摩擦存在，在汽車碰撞仿真模擬過 程中，接觸和摩擦現(xiàn)象起著十分重要的作用， 如圖4-2為汽車整車碰撞仿真模擬 過程摩擦的考慮是否正確時(shí)其前縱梁的變形模式，其中（b）圖考慮的摩擦嚴(yán)重不足，導(dǎo)致模擬結(jié)果中縱梁的前端與剛性墻之間發(fā)生了較大的滑移，這與實(shí)物碰撞結(jié)果不吻合，（a ）圖為摩擦系數(shù)考慮正確的情況，與實(shí)物碰撞結(jié)果相當(dāng)吻合。因 此，在汽車碰撞仿真模擬分析中，考慮兩接觸面間的摩擦是非常重要的。仆）摩擦考慮正確b）摩擦考

47、慮不正確圖4-2摩擦對(duì)仿真結(jié)果的影響4.5 沙漏控制算法 顯式算法的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)便是其計(jì)算效率高， 而計(jì)算的高效率很大一部分來 源于單元應(yīng)力散度計(jì)算的單點(diǎn)高斯積分。但單點(diǎn)高斯積分將導(dǎo)致沙漏模態(tài)的產(chǎn) 生。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析時(shí)， 若不對(duì)沙漏模態(tài)進(jìn)行控制， 計(jì)算將產(chǎn)生數(shù)值振蕩， 如何控制沙漏模態(tài)以保證仿真計(jì)算的可靠性便成顯式動(dòng)力分析程序的一個(gè)重要 課題?？刂粕陈┠B(tài)的主要思想是在單元局部計(jì)算時(shí)將沙漏粘性應(yīng)力加到物理應(yīng) 力上。由于車身構(gòu)件及碰撞變形部件主要是薄殼單元， 因此這里僅討論薄殼單元 的沙漏控制算法。4.6 人工體積粘性 汽車碰撞將在結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力波， 而大幅值應(yīng)力波在固體中傳播的一個(gè)特點(diǎn)

48、是出現(xiàn)沖擊波， 即使這樣的波不是由初始邊界條件所引起的。它們也可能通過 由材料非線性響應(yīng)引起的壓縮波的陡峭化而在固體內(nèi)自發(fā)地發(fā)生。從數(shù)學(xué)上來 講，沖擊波在實(shí)際固體中雖然是連續(xù)的， 但實(shí)驗(yàn)已經(jīng)測(cè)定出沖擊波的寬度比固體 的尺寸小好幾個(gè)數(shù)量級(jí)。當(dāng)沖擊波出現(xiàn)時(shí)，控制微分方程的數(shù)值求解將會(huì)有一定困難。 Richmyer 和 Morton 早在 1967 年討論沖擊波的 Rankine-Hugoniot 跳變條件時(shí)就證明： 在沖擊 波存在時(shí)，若不對(duì)有限元差分方程作相應(yīng)修改，要得到近似的解都是不可能的， 一種解決辦法就是采用沖擊波擬合技術(shù)， 將沖擊波看作一種內(nèi)部邊界條件這種方 法曾用于求解一維碰撞問題， 但考慮到實(shí)際結(jié)構(gòu)的形狀任意， 求解多維問題就