基于虚拟试验的轿车正面碰撞安全性分析

　　一、引言

　　长期以来，轿车安全性能一直是汽车工业界非常关注的课题。用实车碰撞试验可测定轿车安全性能，但因其需在实物样机上安装各种测试设备，进行实地试验，成本高、时间长，所以探索新的试验方法一直是汽车工业界所追求的目标。随着计算机技术的发展和各种应用软件的出现，人们可以用计算机来模拟轿车碰撞试验。利用虚拟现实技术设计的汽车虚拟试验场可逼真地实现试验过程，通过交互改变汽车设计参数、试验道路环境，可以验证设计方案，从而达到缩短设计周期、降低开发成本、提高产品质量的目的。与传统的实车试验相比，应用虚拟试验场具有快速、逼真、可重复性等特点，可无危险、无损坏地进行碰撞、翻倾等极限试验。这种方法虽然不能完全取代实际的轿车碰撞试验，但却使人们能够根据计算机模拟试验的结果更好地、更精确地安排实际试验，以减少试验次数和时间，降低试验成本。

　　正面碰撞是汽车碰撞事故中最多、对人体危害最大的碰撞形式，也是国际上许多安全法规中规定的小型客车和轿车的最主要标准试验。本文选取国产燃料电池轿车“超越二号”为虚拟试验对象，模拟其正面碰撞，从而预测和评价该车型的被动安全性，对该车型安全设计的改进具有指导作用。由于燃料电池轿车目前仍属于前‘瞻型产品，其高昂的制造成本决定了暂时无法、进行实车碰撞试验，而虚拟试验场由于其无危险、无损坏、可重复性等特点正是非常合适的试验方法。

　　由于虚拟现实系统需要实时计算，对计算速度要求较高。因此，实现虚拟试验场景及仿真必须要有相应的软硬件支持，本试验采用的操作系统为UNIX（多任务、多线程），硬件为双CPU高速SCSI接口硬盘的HP可视化工作站。

　　作者利用HYPERMESH软件对整车模型进行网格划分，建立了车辆的有限元模型，用PAM-CRASH软件建立了虚拟试验场，并模拟了正面碰撞，把分析的数据传送到虚拟环境中，驱动场景中的车辆使之形象、逼真地实现试验。

　　二、虚拟试验对象的建立

　　由于计算技术的局限性，在早期的计算机模拟碰撞试验中一般只独立模拟乘员的运动响应或者整车的变形吸能，而很少将两者结合起来研究。随着虚拟现实技术的发展，计算机模拟碰撞试验的能力不断提高，因此本文要将乘员及约束系统模型导入到“超越二号”燃料电池轿车整车碰撞计算模型中，其中主要包括仪表板、转向系统、座椅、人体模型以及安全带等，并将两者结合起来作为一个整体进行研究，这样建立的虚拟试验对象更加符合实际情况，从而得出更可信的结果。

　　（一）建立燃料电池轿车的整车有限元模型

　　1．料电池轿车车身建模

　　燃料电池轿车车身CAE建模使用ALTAIRHYPERMESH软件。

　　由于白车身零件基本上是薄壁板材结构，所以单元类型选择为壳单元，燃料电池车身模型总共划分为177298个单元，其中燃料电池动力系统零部件及其车架、连接件模型单元数量为76082个（图1）。

 

　　由于研究的是整车的碰撞特性，因而单元划分原则上采用四边形单元。但是车身零部件结构形状非常复杂，仅使用规则的四边形单元会产生在边界和结构形状突变处的单元过于狭小，长宽比过大，所以在定义网格时，允许在局部（非平面处）使用内角大于45°的三角形单元，三角形单元数占单元总数的比值应尽量小，控制在10%左右，否则将会影响计算精度。单元边长为10~30MM，如果值太小会减小时间步长，增加计算时间，

　　2．材料定义

　　由于在整车的正面碰撞模拟中，燃料电池汽车前舱中的动力系统零件的质量会影响整车质量的分布和转动惯量，因此需要进行质量的重新分配和局部配重，力求使模型的质量和重心位置与实际相差无几。根据要求，钣金件通常使用ST13及ST14号材料，属于PAM-GENERIS中的103号弹性材料。燃料电池动力系统中，电机为刚体，对于高压接线盒、低压接线盒以及电动转向泵等材料为塑料的零部件，选用ABS塑料材料。

　　3．刚体的定义

　　刚体用于碰撞中变形很小或不变形的部分。如在正面碰撞模型中，可将BA立柱之后的部分定义成刚体。这样可大大节省计算时间，提高计算效率。

　　4．连接的模拟

　　动力系统零部件通过螺栓连接在车架上，在碰撞模拟中采用杆单元连接点焊连接。零部件与车架或梁的螺栓连接其实也可以简化为杆单元连接焊点的方式，因为螺栓的失效表现为剪切和拉断，只要定义此处焊点在这些方向上的失效就能代替螺栓连接。

　　5．接触定义

　　将整车和车架模型分别定义为36号自接触（SELFCONTACT），对于接触参数的定义，如穿透厚度、惩罚系数、摩擦系数等的定义，则均通过多次模拟结果与试验数据对比获得。

　　（二）建立乘员约束系统的有限元模型

 

　　计算、模型中主要定义材料、刚体、爆点、接触几项。

　　1．材料（MATERIAL）

　　分别对仪表板、转向系统零件以及座椅、假人进行材料定义。其中假人材料为PAM-SAFE软件中自动生成的，仪表板材料定义为脆性材料，转向系统零件材料为铁。

　　2．刚体（RIGIDBODY）

　　由于在碰撞过程中座椅骨架的变形很小，因此将座椅骨架部分定义为了刚体。

　　3．焊点（SPOTWELD）

　　根据实际情况，将导入的转向系统和仪表板与整车连接起来。

　　4．接触（CONTACTINTERFACE）

　　由于导入了仪表盘、转向系统以及含约束系统的座椅假人模型，在碰撞过程中，人体由于惯性作用力，会和乘员舱内部件发生二次碰撞，为了能较好地模拟出在碰撞过程中人体运动响应，我们分别以下三类接触类型的共8对接触对（CONTACTPAIR）。

　　（1）点对面的接触

　　在PAM-GENERIS中提供了一种点对面的接触类型，即1＃接触。本文将这种接触运用于上下转向柱之间，以模拟他们之间的滑动运动副。因为在实际的转向系统中，两者在受到冲击后将产生相对滑动，以减少对乘员的伤害。

　　（2）面对面的接触

　　面对面的接触是本文中运用的最多的一种接触类型，譬如人体与乘员约束系统之间的接触均采用这种类型，包括头-胸部之间的接触、躯干-座椅之间的接触、躯干与安全带之间的接触、肢体与内饰之间的接触和头部与方向盘之间的接触。

　　（3）自接触

　　除了燃料电池轿车车身的自接触外，由于考虑到座椅在碰撞过程中，亦同样会受到挤压变形，所以还同时定义了一个座椅骨架的自接触。对于接触的参数如穿透厚度、惩罚系数、摩擦系数等的定义，则均通过多次模拟结果与试验数据的对比获得。

　　带乘员约束系统的燃料电池轿车整车有限元模型如图3所示，至此虚拟试验对象建立完成。

 

　　三、虚拟试验场的建立

　　根据中华人民共和国国家标准GB/T11551-89关于汽车乘员碰撞保护的规定，当车辆以48KM/H的速度向前行驶，与一个垂直于车辆行驶方向、或与车辆行驶方向成大于或等于60°角的固定屏障壁相碰撞时，前排座位处用座椅安全带束紧的假人，应满足下列条件：

　　（1）假人的各部分自始至终都应在车厢内。

　　（2）假人头部伤害指数（HIC）不得大于1000。

　　（3）当作用时间超过3MS时，假人胸部质心处的合成加速度应不大于60G。

　　（4）假人每条大腿轴向的合力应不大于LOKN。

 

　　作者在PAM-CRASH的前处理模块GENERIS中依照国家标准定义了重力场、整车初速、垂直车速方向的刚墙等边界条件。

　　根据法规，整车试验是车撞刚性壁障。在GENERIS中可通过刚墙来模拟壁障。在本次的正面碰撞模拟中还考虑了重力（即在Z方向加一9.8M/S的加速度场）对碰撞的影响，地面也采用刚墙方式定义，并考虑了轮胎与地面接触部分的摩擦力。

　　整车初速度定义为48KM/H。

　　带乘员约束系统的“超越二号”燃料电池轿车整车计算模型包括197047个节点，192308个壳单元，3578个体单元，18个杆单元，计算的时间步长为10-4S，碰撞时间为150MS，即直到假人回弹为止。至此虚拟试验场建立完成。

　　四、虚拟试验结果分析

　　使用PAM-CRASH的后、处理模块PAM-VIEW可以观察轿车在碰撞过程中假人所受伤害指数。

　　（一）头部伤害指数日HIC（HEADINJURYCRITERION）

　　在正面碰撞过程中，作用在人体头部沿车身纵向的加速度是最主要的加速度荷载，因此HIC是汽车碰撞研究中最常用的评价头部损伤的标准，并且被认为是一个能适当区分接触与非接触冲击的标准。

　　我国的相应法规将头部伤害指数值1000定为正面碰撞过程中人体头部所能忍受的极限，高于此值将被认为会造成对乘员的伤害。图5为超越二号燃料电池轿车的HIC值的模拟计算结果：

 

　　在本文中，由模拟计算得出的超越二号燃料电池轿车的人体头部加速度模拟值HIC为1072.1。

　　（二）胸部3MS合成加速度指标（Α3MS）

　　生理学的研究表明，对于人体胸部的伤害指标是，人体能够忍受3MS或者更长时间的作用在上胸部（因为心、肺位于上胸腔）重心处的合成线加速度应小于60G,超出这个界限就很可能造成对人体胸腔内脏器的损伤。

　　图6是超越二号燃料电池轿车的3MS胸部合成加速度指标的模拟计算结果：

 

　　超越二号模拟计算得出的值为54.481G,即533.914M/S+2。和国家安全性法规中人体3MS胸部合成加速度指标值60G相比，超越二号燃料电池轿车的人体3MS胸部合成加速度指标模拟值达到了国家规定标准。

　　（三）腿部轴向力荷载

　　在碰撞过程中由于车内的结构限制，人体的某些部位，主要是腿部会受到很大的轴向力载荷，这种大力载荷会造成如骨折、组织拉伤或挫伤等伤害，因此有必要用轴向力载荷来做为一个伤情指数。

 

　　本文分别对假人的左右大腿骨受力进行了模拟，见图7和图8。

　　国际法规和我国的法规均规定在48KM/H正面碰撞中“假人每条大腿轴向的合力应不大于10000N”。模拟的结果表明，超越二号燃料电池轿车的人体左大腿骨最大受力值为5800N，右大腿骨最大受力值为3300N，完全符合法规要求。

　　（四）碰撞动画截图

　　借助PAM-CRASH的后处理模块PAM-VIEW还可以观察轿车在碰撞过程中的变形、受力状态、速度、加速度等。下图即为在碰撞过程不同时刻轿车模型的变形：

 

　　由碰撞动画截图发现车身框架的变形并不大，因此可以推测碰撞发生后车门仍能正常打开，满足法规要求。

　　在我国的国家标准GB11551-89中，对人体造成伤害的评价指标是头部伤害指数、3MS胸部合成加速度指标和腿部轴向力载荷指标3个，并且作了相应的规定。超越二号的假人伤情指数见表1。

 

　　五、结语

　　由于超越二号燃料电池轿车是在国产桑塔纳3000轿车的基础上改装而成的，而该型车的整车模型已经通过实车碰撞试验数据修改并验证了其模型的可信度，因此在此基础上得到的燃料电池轿车整车模型的虚拟试验结果具有相当的有效性和可信性。

　　通过分析可得出以下结论，燃料电池轿车基本上能够满足碰撞安全性要求。从正面碰撞模拟结果分析来看，车门及门框变形不大，碰撞后可以正常打开以及时救生，满足国家法规要求。在乘员伤害指数上燃料电池轿车的正面碰撞安全性尚不能完全满足国家安全性法规的要求。3MS胸部合成加速度指标和腿部轴向力载荷指标已经合格，唯有头部伤害指数略高于标准，但是考虑到本文在描述乘员约束时，没有涉及安全气囊。众所周知，安全气囊对于减小乘员所受伤害尤其是头部伤害所起的作用是巨大的，而且在实车碰撞试验中通常都启用安全气囊。因此，如果在今后进一步的虚拟碰撞试验中，加人安全气囊的模型，应该能使燃料电池汽车的正面碰撞安全性全面达标。

　　试验分析也证明，用计算机模拟轿车碰撞试验，对于提高轿车安全性能和开发新型轿车具有重要的意义。虽然目前轿车有限元模型单元多达1万个以上，而且只能在巨型计算机上、运行，且计算时间较长，但是随着计算机技术的日益发展，汽车虚拟试验技术会有良好的发展前景。