汽车碰撞的数值模拟技术

?4?综述机械2004年第31卷第7期汽车碰撞的数值模拟技术杨光瑜,尹志勇,刘大维(第三军医大学大坪医院野战外科研究所/中国人民解放军交通医学研究所,重庆)要摘　:介绍了汽车碰撞的数值模拟方法及其在汽车结构设计及被动安全、路障和公路护栏设计、交通事故再现、生物力学、医学等方面的研究现状,分析了汽车碰撞数值模拟的发展方向。关键词:关键词:数值模拟;汽车;碰撞;生物力学;医学中图分类号:U461　　　文献标识码:A　　　文章编号:1006-0316(2004)07-0004-04ThenumericalsimulationtechnologyofautomobilecrashYANGGuang2yu,YINZhi2yong,LIUDa2wei(ResearchInstituteForTrafficMedicine,ResearchInstituteOfSurgery,DapingHospital,ThirdMilitaryMedicalUniversity,Chongqing,China)Abstract:Thenumericalsimula,passivesafety,road-blockandhighwaybarrierdesign,trafficaccidentreconstruction,biologymechan2ics,medicine,:Numericalsimulation;Automobile;Crash;Biologymechanics;Medicine　在汽车工业迅速发展的今天,汽车碰撞研究功,该软件已被装入上海超级计算机中心“神威显得越来越重要。通过碰撞,可以检验新设计车一号”巨型计算机上,为我国汽车碰撞研究提供型是否符合安全标准,能在多大程度上保护乘员了又一现代化手段。和行人的安全。早在20世纪30年代,美国就开始利用汽车碰撞试验研究汽车的安全性[1],然而1数值模拟方法这种纯硬件的碰撞试验存在很多缺陷,比如费用高、汽车研制周期长、重复性差以及信息不全目前数值模拟方法主要有多体系统动力学等。到1985年,出现现代工业化汽车碰撞数值法、机械振动学法[14]和有限元法。多体系[12,13]模拟,ESI公司在CRAY1计算机上采用PAM-统动力学法是建立带约束多体系统动力学方程的CRASH计算程序成功地对VWPolo前部进行了数一种方法,其优点是模型简单、表述规范、编程值模拟碰撞[2]。自此,数值模拟方法以其费用方便、运算快捷。机械振动学法是根据碰撞过程低、重复性好、开发汽车周期短等优点受到各汽中汽车的实际变形情况将汽车离散为一个非线性车制造厂商的欢迎。目前,数值模拟与实车试验弹簧-质量振动系统,通过事先测定系统中弹性相结合的汽车碰撞研究方法广泛应用到汽车结构元件的非线性抗力特性,利用机械振动学的方法设计与被动安全[3-7]、公路护栏[8]、交通事故再来求解碰撞系统响应的方法,其基本优点是程序现[9]、生物力学[10]以及医学[11]等领域。短小、简明、能够考虑变形体的弹塑性变形特比较流行的汽车碰撞数值模拟软件主要有法性。有限元法就是将一个复杂的整体分解成若干国ESI公司的PAM-CRASH、美国ANSYS公司的连续的离散单元,然后用这些单元的解来近似逼LS-DY、韩国FunctionBay公司的RecurDyn、NA近整体解的一种方法,其优点是适用面广、精度日本CD-adapco公司的RADIOSS等。2001年我高且能够处理异常复杂的约束边界,且能克服多国首个汽车碰撞模拟软件在湖南大学自主开发成体系统动力学法和机械振动学法的一些缺点。收稿日期:作者简介:杨光瑜(1978-),男,重庆人,硕士,第三军医大学实习研究员,主要从事计算机模拟仿真、交通伤预防和生物力学研究。机械2004年第31卷第7期数值模拟分析过程一般包括三步:前处理、求解和后处理[15]。前处理包括建立模型、定义材料属性、定义各种常数以及划分单元,求解包括施加边界条件、施加载荷以及求解,后处理包括查看分析结果以及检验结果的正确性。2汽车碰撞数值模拟研究现状211汽车结构设计与被动安全利用汽车碰撞的数值模拟可以检验汽车结构及零部件的设计是否合理、其抗撞性能是否符合要求等。用数值模拟方法可以减少大量复杂而昂贵的实车碰撞试验,大大缩短汽车研制周期。ESI公司的TomKisielewicz的调查表明[16],如果仅仅用实车碰撞的方法研制汽车,从早期设计到最终走上市场应用至少需要36个月的时间,其中实车碰撞试验需要12个月左右,而用数值模拟方法后研制时间可以缩短到20个月,实车碰撞试验也仅仅需要4个月左右。目前,国内外大型汽车制造厂家都在使用数值模拟方法来研制汽车,像宝马、大众、丰田等,这样不仅能使他们的新产品迅速上市,还能降低产品成本和价格,从而加强自己在激烈竞争中的地位。汽车结构设计除了外形上要求美观以外,在安全方面也要尽量保证乘员在汽车碰撞时的安全,即被动安全。利用数值模拟可以仿真被动安全的两个主要方面:一是碰撞时车体变形吸收的能量最大,从而最大程度避免能量传递给车内乘员;二是增加车内缓冲设施,比如安全气囊,从而最大程度避免乘员与车内部件发生二次碰撞。湖南大学的张维刚等[5]用数值模拟的方法研究了某一整车的前碰吸能部件改进,并实车碰撞验证了该模拟方法的正确性;吉林工业大学的贾宏波等[3]对红旗轿车车身主要吸能结构元件进行了数值模拟计算研究,对车前纵梁组件不同设计结构方案能量吸收性能作了优选,成功地进行了红旗轿车车身碰撞计算,实车碰撞试验与该方法计算的结果吻合较好,大大节省了该车研制时间和费用;湖南大学的钟志华等[6]研究了安全气囊展开过程计算机仿真中接触界的搜寻方法,并用计算机数值模拟进行了验证。ESI公司的PAM-SAFE数值模拟软件也提供了多种安全气囊模型[17]。212路障和公路护栏设计汽车碰撞中车与车的碰撞研究是一个重要方?5?面,同时车与路障、公路护栏等的碰撞研究也非常重要。路障可以阻止汽车驶入重要区域,以保护人员安全和防止汽车恐怖事件发生。公路护栏可以降低汽车因为失控而发生的交通事故,2003年全国就发生多起因公路护栏不够牢固而导致重大伤亡的交通事故,比如7月19日贵州织金县一辆满载乘客的大客车翻下100多米深的山沟,造成23死22伤;又如7月10日香港屯门一辆双层巴士冲破大桥护栏直坠几十米的山坡,造成21死20伤。用数值模拟方法来设计路障和公路护栏,同样可以减少实车碰撞试验的次数,缩短设计周期,降低成本。清华大学黄世霖等用数值模拟方法设计的可升降路障,经过实车碰撞得到了验证,已经用于我国国家重要部门和机场等场所。北京深华达公司的张晶等[18]用数值模拟方法设计了公路钢结构护栏和混凝土护栏,通过实车验证后已经开始在山区公路应用。213交通事故再现交通事故发生的时间很短,一般在70～120ms之间,因此事后很难对事故进行鉴别。采用数值模拟方法,可以对整个事故过程进行可视化再现,分析出碰撞前和碰撞中的各种参数,有助于鉴定事故。清华大学的裴剑平等[19]对交通事故再现进行了数值模拟研究,动画模拟了整个碰撞过程,能分析出碰前、碰后速度,并能对事故类型进行自动鉴别。214生物力学研究用数值模拟方法研究汽车碰撞过程中的生物力学主要有2个方面:人体受力分析和人体运动分析。通过对人体各部分的受力分析,可以研究汽车碰撞时能量传到人体各部分的大小,从而寻求人体最易受损伤部分的保护措施;通过对人体的运动分析,可以预测人体的运动趋势,从而找到人体碰撞保护的解决方法。研究生物力学离不开数字人体,数字人体一般由软件开发商提供,比如PAM-SAFE软件就提供了小孩、成人以及孕妇等多种数字人体,这些数字人体用来模拟碰撞时人体各部分受力情况以及运动情况。韩国Hongik大学的Hyung-YunChoi等[11]就利用数字人体模拟了汽车碰撞时人体关节以及肌肉受力的情况。南京理工大学的章定国等[10]用自行开发的汽车碰撞人体动力学模?6?拟仿真软件,成功地模拟出汽车碰撞后人体受力和运动响应。215医学应用研究虽然研究了很多方法来减少乘员在汽车碰撞时受到损伤,但造成交通事故的因素太多,最终仍不可避免会有人员伤亡。当人员在车祸中受到损伤后,需要尽快得到有效救治。用数值模拟的方法可以预测人员在不同车祸情形下的损伤情况,并能研究相应的救治措施。国内目前尚无这方面的研究,韩国Hongik大学的Hyung-YunChoi等[11]已经在这方面取得了一定的研究成果,用数值模拟的方法实现了假肢设计、组织再生、关节手术以及体形矫正等。3汽车碰撞数值模拟发展趋势311提高运算速度影响数值模拟运算速度的因素主要是计算机速度和算法。汽车碰撞的数值模拟需要划分几万甚至几十万个单元,目前已经实现了几个到十几个CPU的并行运算,运算时间缩短到了十几个小时,但运算时间还是长。今后,发展新型快速计算机是提高数值模拟运算速度非常重要的途径。如果仅提高计算机速度而忽略改进算法,那么一样很难大幅度提高数值模拟的运算速度。在汽车碰撞模拟中,接触搜寻算法的品质是制约运算速度的头号因素。目前主从接触面算法、一体化算法与级域算法已将用于接触处理的时间缩短到总数的40%左右。人们一直在寻找更好的接触搜寻算法,目前又推出了一种叫单元球的算法。可见,寻找新的算法也将是研究的一大热门。312发展新的数字人体数字人体是用来研究人体碰撞响应特性的,只有充分了解了人体响应特性才能研制出有效的人体保护措施。目前虽然有各种各样的数字人体,但仍然只能模拟人体的某些部分;另外,在数字人体模拟技术中,普遍使用的是多刚体系统动力学方法和有限元方法,这远远不能模拟复杂的人体。因此,今后发展新的人体模型及其模拟技术必将成为又一研究热点。机械2004年第31卷第7期313深入研究乘员防护设施对汽车本身来说,要求车身材料有一定的刚度,而对乘员保护来说,又要求材料能吸收碰撞时的绝大多数能量。就现有材料来看,要同时具有很好的刚度和吸能性能比较难,而且今后汽车碰撞的速度也将提高,因此研究具有这两方面优良特性的新型材料是一大发展趋势。目前车内的乘员防护设施很不完善,曾经就发生过因安全气囊弹出速度过大导致乘员伤亡的事件。对这些防护设施的进一步优化以及研究新的防护设施也将是一大发展方向。4结束语数值模拟作为汽车碰撞研究不可或缺的技术,已经发挥出它强大的能力,人们还在进一步研究,以发掘其巨大的潜能。同时,数值模拟在汽车碰撞中的成功方法和经验,已逐步应用于其它类似的领域,如家电产品跌落试验、体育器材的碰撞反应、火车与汽车碰撞、轮船碰撞等。汽车碰撞的数值模拟技术将不断得到发展和应用。参考文献:[1]乔维高.汽车碰撞研究现状与发展趋势[J].湖北汽车,2001,(1):57-61.[2]EberhardHaug,JanC1inckemaillie,xiaominNi等.汽车碰撞仿真与设计的最新进展和发展趋势[J].机械工程学报,1998,34(1):93-99.[3]贾宏波,黄金陵,李掌宇等.车身碰撞仿真技术在红旗轿车车身开发中的应用[J].汽车工程,1998,20(5):257-261.[4]KlausStarker,贾宏波.上海大众安全与数值分析的现状和未来[C].上海:ChinaPAM2003数值模拟与工程应用技术研讨会论文集,2003:13-15.[5]张维刚,钟志华.汽车正撞吸能部件改进的计算机仿真[J].汽车工程,2002,24(1):6-9.[6]钟志华.汽车安全气囊展开过程计算机仿真及其接触搜寻算法[J].汽车工程,2000,22(5):303-312.[7]詹樟松,熊树生.汽车碰撞过程中乘员响应的计算机仿真研究[J].浙江大学学报(工学版),2002,36(1):83-87.[8]冯联杰,刘志斌,熊卫民.汽车-护栏碰撞过程的仿真研究[J].湖北工学院学报,1996,11(2):8-13.[9]裴剑平,袁泉,胡远志等.车辆碰撞事故再现轨迹模型的建模方法[J].农业机械学报,2002,33(5):23-26.[10]章定国,余春华,蒋维钢等.汽车碰撞中的人体动力学仿真[J].生物数学学报,1999,14(3):308-313.(下转第11页)机械2004年第31卷第7期一根“八”字形横向拉杆伸长0164mm,同侧的另一根“八”字形横向拉杆缩短0164mm,相应的每个橡胶关节需径向变形0132mm。此值与采用单牵引杆通过250m的曲线半径时情况(牵引力为零)相当。实际上通过曲线时机车有一定的牵引力,按机车持续牵引力400kN来考虑。Z”形牵引杆单“杆的纵向合成刚度为kN/mm,牵引杆的纵向变形为6122mm,其中一根牵引杆受拉,另一根牵引杆受压,从而使转向架产生6122mm的纵向位移。当产生的纵向位移与上述计算所得的217mm纵向位移(牵引力为零)相反时,则转向架的纵向位移为3152mm,转向架同侧的两根“八”字形横向拉杆伸长或缩短01833mm,相应地每个橡胶关节径向变形0142mm,有利于补偿拉杆橡胶关节的弹性变形;反之,转向架的纵向位移为8192mm,转向架同侧的两根“八”字形横向拉杆伸长或缩短2113mm,相应地每个橡胶关节径向变形1106mm,则不利于补偿拉杆橡胶关节的弹性变形。可见:在上述计算工况下,通过125m曲线半径,采用“Z”形牵引杆与采用单牵引杆的“八”字形横向拉杆橡胶关节的弹性变形基本相同。212横向通过曲线时,转向架中心线相对车体中心线在横向移动,牵引杆的横向分力对转向架会产生横向约束力,下面考虑最不利的情况。机车通过125m的半径曲线时,机车持续牵引力为400kN,可求得牵引力阻碍中间转向架横移的横向分力为817kN。通过250m的半径曲线时,可求得牵引力阻碍中间转向架横移的横向分力为417kN,横向力略小于采用单牵引杆的情况,但与采用单牵引杆的情况基本相当。?11?213转向架的回转(摇头)由于结构的原因,通过曲线时两侧的牵引杆与转向架中心线的水平夹角不同,导致两侧牵引力的纵向分力不同,从而产生力矩。半径为125m,两牵引杆相对车体中心线的水平夹角分别为°°则最不利的情况对转向架产生的、,阻碍力矩为kN?。半径为250m,两牵引杆m相对车体中心线的水平夹角分别为°、°则最不利的情况对转向架产生的阻碍力矩,为kN?。此力矩大于采用单牵引杆的情况。m3结论(1)从牵引装置的变形及对转向架导向功能的影响来看,两种牵引装置基本相当,因此,中间转向架采用结构简单的单牵引杆是可行的。(2)采用单牵引杆,新轮(Φ1250mm轮径)机车的粘着重量利用率为%。在车轮的有效直径范围(新轮Φ1250mm～旧轮Φ1160mm)内,机车的粘着重量利用率不低于92%,利用率相当高,有利于机车发挥大功率的作用,同时也满足乌国标书的要求。更为重要的是,采用单牵引杆无需调节牵引高度,这带来了很大的方便。(3)从维护、保养的角度出发,单牵引杆要方便得多,无需补油润滑。(4)从安全角度出发,单牵引杆应设安全防护装置,以免单牵引杆掉落危及行车安全。参考文献:[1]黄志辉,张红军.乌兹别克斯坦3B0机车牵引装置的设计(一)[J].机械,2004,31(6).[2]谢步明.韶山7型电力机车[M].北京:中国铁道出版社,2000.(上接第6页)[11],Comfort,RehabilitationandSurgicalApplication[C].上海:ChinaPAM2003数值模拟与工程应用技术研讨会论文集,2003:27-28.[12]何柏岩.汽车被动安全性及法规综述.中国汽车技术研究中心网站

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