基于虛擬試驗的轎車正面碰撞安全性分析

1、基于虛擬試驗的轎車正面碰撞安全性分析一、引言長期以來，轎車安全性能一直是汽車工業(yè)界非常關注的課題。用實車 碰撞試驗可測定轎車安全性能，但因其需在實物樣機上安裝各種測試 設備，進行實地試驗，成本高、時間長，所以探索新的試驗方法一直 是汽車工業(yè)界所追求的目標。隨著計算機技術的發(fā)展和各種應用軟件 的出現(xiàn)，人們可以用計算機來模擬轎車碰撞試驗。利用虛擬現(xiàn)實技術 設計的汽車虛擬試驗場可逼真地實現(xiàn)試驗過程，通過交互改變汽車設 計參數(shù)、試驗道路環(huán)境，可以驗證設計方案，從而達到縮短設計周期、 降低開發(fā)成本、提高產(chǎn)品質量的目的。與傳統(tǒng)的實車試驗相比，應用 虛擬試驗場具有快速、逼真、可重復性等特點，可無危險、無損壞

2、地 進行碰撞、翻傾等極限試驗。這種方法雖然不能完全取代實際的轎車 碰撞試驗，但卻使人們能夠根據(jù)計算機模擬試驗的結果更好地、更精 確地安排實際試驗，以減少試驗次數(shù)和時間，降低試驗成本。正面碰撞是汽車碰撞事故中最多、對人體危害最大的碰撞形式，也是 國際上許多安全法規(guī)中規(guī)定的小型客車和轎車的最主要標準試驗。本 文選取國產(chǎn)燃料電池轎車 超越二號”為虛擬試驗對象，模擬其正面碰撞, 從而預測和評價該車型的被動安全性，對該車型安全設計的改進具有 指導作用。由于燃料電池轎車目前仍屬于前 瞻型產(chǎn)品，其高昂的制造 成本決定了暫時無法、進行實車碰撞試驗，而虛擬試驗場由于其無危 險、無損壞、可重復性等特點正是非常合適

3、的試驗方法。由于虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)需要實時計算，對計算速度要求較高。因此，實現(xiàn) 虛擬試驗場景及仿真必須要有相應的軟硬件支持，本試驗采用的操作 系統(tǒng)為UNIX （多任務、多線程），硬件為雙CPU高速SCS接口硬盤的 HP可視化工作站。作者利用HYPERMES軟件對整車模型進行網(wǎng)格劃分，建立了車輛的有 限元模型，用PAM-CRASH件建立了虛擬試驗場，并模擬了正面碰撞， 把分析的數(shù)據(jù)傳送到虛擬環(huán)境中，驅動場景中的車輛使之形象、逼真 地實現(xiàn)試驗。二、虛擬試驗對象的建立由于計算技術的局限性，在早期的計算機模擬碰撞試驗中一般只獨立 模擬乘員的運動響應或者整車的變形吸能，而很少將兩者結合起來研 究。隨著虛擬現(xiàn)實

4、技術的發(fā)展， 計算機模擬碰撞試驗的能力不斷提高， 因此本文要將乘員及約束系統(tǒng)模型導入到 “超越二號 ”燃料電池轎車整 車碰撞計算模型中，其中主要包括儀表板、轉向系統(tǒng)、座椅、人體模 型以及安全帶等，并將兩者結合起來作為一個整體進行研究，這樣建立的虛擬試驗對象更加符合實際情況，從而得出更可信的結果。（一）建立燃料電池轎車的整車有限元模型1料電池轎車車身建模燃料電池轎車車身CAE建模使用AltairHypermesh軟件。由于白車身零件基本上是薄壁板材結構， 所以單元類型選擇為殼單元， 燃料電池車身模型總共劃分為 177298個單元，其中燃料電池動力系統(tǒng) 零部件及其車架、連接件模型單元數(shù)量為 760

5、82 個（圖 1）。由于研究的是整車的碰撞特性， 因而單元劃分原則上采用四邊形單元。 但是車身零部件結構形狀非常復雜，僅使用規(guī)則的四邊形單元會產(chǎn)生 在邊界和結構形狀突變處的單元過于狹小，長寬比過大，所以在定義 網(wǎng)格時，允許在局部（非平面處）使用內(nèi)角大于 45°的三角形單元，三 角形單元數(shù)占單元總數(shù)的比值應盡量小，控制在10%左右，否則將會影響計算精度。單兀邊長為1030mm,如果值太小會減小時間步長，增加計算時間，2材料定義由于在整車的正面碰撞模擬中，燃料電池汽車前艙中的動力系統(tǒng)零件 的質量會影響整車質量的分布和轉動慣量，因此需要進行質量的重新 分配和局部配重，力求使模型的質量和重心

6、位置與實際相差無幾。根 據(jù)要求，鈑金件通常使用 ST13及ST14號材料，屬于PAM-GENERI中 的 103 號彈性材料。燃料電池動力系統(tǒng)中，電機為剛體，對于高壓接 線盒、低壓接線盒以及電動轉向泵等材料為塑料的零部件，選用 ABS 塑料材料。3剛體的定義剛體用于碰撞中變形很小或不變形的部分。如在正面碰撞模型中，可將BA立柱之后的部分定義成剛體。這樣可大大節(jié)省計算時間，提高計 算效率。4連接的模擬動力系統(tǒng)零部件通過螺栓連接在車架上，在碰撞模擬中采用桿單元連接點焊連接。零部件與車架或梁的螺栓連接其實也可以簡化為桿單元連接焊點的方式，因為螺栓的失效表現(xiàn)為剪切和拉斷，只要定義此處 焊點在這些方向上

7、的失效就能代替螺栓連接。5接觸定義將整車和車架模型分別定義為 36號自接觸(SelfContac),對于接觸參 數(shù)的定義，如穿透厚度、懲罰系數(shù)、摩擦系數(shù)等的定義，則均通過多 次模擬結果與試驗數(shù)據(jù)對比獲得。(二)建立乘員約束系統(tǒng)的有限元模型計算、模型中主要定義材料、剛體、爆點、接觸幾項。1材料( Material )分別對儀表板、轉向系統(tǒng)零件以及座椅、假人進行材料定義。其中假人材料為PAM-SAFE件中自動生成的，儀表板材料定義為脆性材料,轉向系統(tǒng)零件材料為鐵。2剛體( RigidBody)由于在碰撞過程中座椅骨架的變形很小，因此將座椅骨架部分定義為 了剛體。3焊點( Spotweld)根據(jù)實際

8、情況，將導入的轉向系統(tǒng)和儀表板與整車連接起來。4接觸( ContactInterface)由于導入了儀表盤、轉向系統(tǒng)以及含約束系統(tǒng)的座椅假人模型，在碰 撞過程中，人體由于慣性作用力，會和乘員艙內(nèi)部件發(fā)生二次碰撞， 為了能較好地模擬出在碰撞過程中人體運動響應，我們分別以下三類 接觸類型的共 8 對接觸對( contactpair)。(1) 點對面的接觸在PAM-GENERI中提供了一種點對面的接觸類型，即 1#接觸。本文 將這種接觸運用于上下轉向柱之間，以模擬他們之間的滑動運動副。因為在實際的轉向系統(tǒng)中，兩者在受到?jīng)_擊后將產(chǎn)生相對滑動，以減 少對乘員的傷害。（2）面對面的接觸面對面的接觸是本文中

9、運用的最多的一種接觸類型，譬如人體與乘員 約束系統(tǒng)之間的接觸均采用這種類型，包括頭 -胸部之間的接觸、 軀干 - 座椅之間的接觸、軀干與安全帶之間的接觸、肢體與內(nèi)飾之間的接觸 和頭部與方向盤之間的接觸。（3）自接觸除了燃料電池轎車車身的自接觸外，由于考慮到座椅在碰撞過程中， 亦同樣會受到擠壓變形，所以還同時定義了一個座椅骨架的自接觸。 對于接觸的參數(shù)如穿透厚度、懲罰系數(shù)、摩擦系數(shù)等的定義，則均通 過多次模擬結果與試驗數(shù)據(jù)的對比獲得。帶乘員約束系統(tǒng)的燃料電池轎車整車有限元模型如圖 3 所示，至此虛 擬試驗對象建立完成。三、虛擬試驗場的建立根據(jù)中華人民共和國國家標準 GB/T11551-89關于汽

10、車乘員碰撞保護的 規(guī)定，當車輛以 48km/h 的速度向前行駛， 與一個垂直于車輛行駛方向、 或與車輛行駛方向成大于或等于 60°角的固定屏障壁相碰撞時， 前排座 位處用座椅安全帶束緊的假人，應滿足下列條件：（1）假人的各部分自始至終都應在車廂內(nèi)。（2）假人頭部傷害指數(shù)（HIC）不得大于1000。（3）當作用時間超過3ms時，假人胸部質心處的合成加速度應不大于 60g。（4）假人每條大腿軸向的合力應不大于 lOkN。作者在PAM-CRAS啲前處理模塊GENERIS依照國家標準定義了重力場、整車初速、垂直車速方向的剛墻等邊界條件。根據(jù)法規(guī)，整車試驗是車撞剛性壁障。在GENERIS可通過

11、剛墻來模 擬壁障。在本次的正面碰撞模擬中還考慮了重力（即在 Z 方向加一 9.8m/s 的加速度場）對碰撞的影響，地面也采用剛墻方式定義，并考 慮了輪胎與地面接觸部分的摩擦力。整車初速度定義為 48km/h 。帶乘員約束系統(tǒng)的 “超越二號 ”燃料電池轎車整車計算模型包括 197047 個節(jié)點， 192308個殼單元， 3578個體單元， 18 個桿單元，計算的時間 步長為10-4s,碰撞時間為150ms,即直到假人回彈為止。至此虛擬試 驗場建立完成。四、虛擬試驗結果分析使用PAM-CRASH勺后、處理模塊PAM-VIEW可以觀察轎車在碰撞過程 中假人所受傷害指數(shù)。（一）頭部傷害指數(shù)日 HIC（HeadInjuryCriterion）在正面碰撞過程中,作用在人體頭部沿車身縱向勺加速度是