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[摘 要]据调查显示，汽车正面碰撞是所有碰撞类型之中发生最频繁的，占事故发生数的半数以上。因此，汽车正面碰撞时的安全性研究对提高车辆性能、减少事故发生概率和保护人们的生命财产安全都有极其重要的意义。本文把整车碰撞假人伤害指标分解到车体结构防撞性指标，可通过前期结构仿真对指标进行有效管控，指导优化前期车身结构设计，并最终使整车碰撞性能达标。
[关键词]仿真技术；正面碰撞；结构优化
中图分类号：U467.14 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）33-0380-01
1引言
在20世纪70年代，美国LawrenceLivermore实验室率先研究了用于汽车碰撞的模拟仿真技术，将汽车碰撞研究带入了全新的领域。汽车碰撞模拟仿真技术真正的突破始于1986年，通过应用LS-DYNA仿真软件成功地模拟了整车大变形的过程。这说明将动态显式非线性有限元理论应用于整车碰撞仿真模拟领域是可行的，这一研究方法随后被世界各国广泛使用。
2仿真技术分析
仿真技术是上世纪80年代出现的一种新的综合集成技术；即用虚拟的电子信息系统对真实场景系统的一种模仿仿真技术，是由人机交互技术、人工智能、传感技术等多种现代三维构成系统的人工环境建设，通过多媒体放映对人体的视觉、触觉、听觉等感官上的逼真呈现，使人和相关虚拟环境有一定的交互性，并适时做出相应的反应。随着相关技术领域的不断发展，仿真技术逐渐形成出运用于自身的自成体系，从以前的某个物理现象、设备和系统的简单模拟，发展为能运用其原理对不同系统组成的系统结构体系进行更高级的仿真，使相关用户在符合人们客观意识环境下，贴近物体相关运动力学定律的基础上，充分满足现代虚拟仿真技术的发展需要。伴随着时代的发展，工业生产设备要求的操作水平愈来愈高，要求在最短的时间内，经济效益最大化的生产出最令人满意的产品，所以运用仿真技术进行研究，不仅可以缩短产品开发周期，优化生产过程，而且可以提高产品的质量，使企业在发展中处于领先地位。未来制造业的发展离不开仿真技术。
3正面碰撞法规
鉴于汽车碰撞事故给各国带来了巨大的经济损失和人员伤亡，许多国家相继出台了强制性碰撞法规，以此来降低碰撞过程中产生的损失。美国、欧洲等国家在很早以前已经制定了相关的碰撞法规，主要有美国的联邦机動车安全标准FMVSS和欧盟的ECE法规体系，其他国家的碰撞法规大多是参考美国、欧盟的法规体系来建立的。其中中国的碰撞法规主要参考欧盟的ECE法规体系来建立，于1999年10月颁布并实施的《关于正面碰撞乘员保护的设计规则》CMVDR294法规是参考欧洲正面碰撞法规ECER94。目前，我国关于汽车碰撞的强制性标准已有60余项，有16项涉及被动安全性标准，其中已用法规《乘用车正面碰撞的乘员保护》（GB11551—2003）代替《汽车乘员碰撞保护》（GB/T11551—1989），并规定汽车的碰撞速度是50km/h。
4基于仿真技术的汽车正面碰撞结构优化
4.1汽车正面碰撞仿真分析
第一，在整车碰撞仿真过程中，计算的完成并不能保证计算结果完全准确可靠。因此，必须对计算结果进行分析。在碰撞仿真计算过程中，由于有限元单元采用多种积分运算法和接触算法，为了确保计算稳定并完成计算过程，系统会自动增加个别零部件的质量。但增加的质量需在一定的范围内，否则会导致计算结果的不准确。一般要求最终质量增加不超过5%，初始质量增加在10kg以内。计算结果文件中的质量增加曲线是判断计算结果准确性的一个重要指标。第二，B柱加速度变化。出于安全考虑，车辆结构设计原则要求在碰撞过程中尽量减少乘员舱空间的变形，以保证乘员有足够大生存空间，允许前后舱发生变形，以吸收碰撞中车辆的动能，保证乘员收到的碰撞冲击较小。因此，在正面刚性壁障碰撞中乘员舱加速度时一项重要的评价指标，并要求该值不得超过乘员的忍受极限。B柱是车身前后门之间的立柱。碰撞时变形通常发生在B柱之前的部分，B柱后面的部分和B柱下端的变形量很小，因此在B柱下端设置传感器能够得到稳定可靠的速度和加速度曲线，用该处获得的加速度值作为汽车安全性的重要指标从而反应乘员在实际碰撞过程中承受的加速度变化。第三，前围板入侵分析。汽车在碰撞过程中，汽车前端的零部件受到碰撞后会向后移动从而挤压前围板，造成前围板入侵乘员舱。前围板入侵是造成驾驶员与乘员伤害的主要原因，前围板入侵分析也是整车正面碰撞评价的一个主要因素。因此，必须对前围板入侵量进行分析。对前围板进行入侵分析时一般选取对乘员关键位置点、前方有较硬物体可能产生挤压的点、容易变形的点。碰撞安全法规中对乘员腿部伤害有明确规定，一般情况前围板入侵量小于150mm时能够满足安全法规的要求。
4.2整车正面碰撞仿真有限元模型搭建
以某A级车驾驶室的实际尺寸为基础，基于Hypermesh软件，建立正撞仿真模型。整车模型包含白车身、五门一盖、动力总成、前后悬架系统、前保险杠、座椅骨架等。模型中大部分网格为板壳单元，单元大小大部分控制在5～10mm内，单元总数为2663885。由于动力总成刚度较大，在碰撞中基本不变形，所以可以视为刚体，建模时根据动力总成外形轮廓建立壳单元模型，并将其设为刚体材料进行模拟，从而减少计算量；运用LS-DYNA中相应的单元正确的模拟焊接、螺栓等各种连接关系；材料的性能曲线考虑硬化系数，防止应力-应变曲线的不连续；在座椅上布置一定的质量点来代替假人的重量；通过附加一定的质量点来调节整车的质量中心，保持与实际的整车质量大小及质心位置一致。
4.3仿真结果提取及优化分析
首先对基础车进行碰撞仿真分析，把计算模型提交到分析软件中进行碰撞过程的计算，计算完成后按照碰撞后技术要求分解表提取车体结构要求指标项，有前门铰链、方向盘、制动踏板、油门踏板等的相对位移曲线及B柱下部加速度曲线等然后提取基础车碰撞过程结果，分析各曲线结果。从结果分析中，得出各位移考察点满足位移要求，说明乘员舱车体结构的总体变形达标；B柱下部最大加速度偏大，不达标，说明车身总体吸能偏硬，需要对前部吸能部位进行优化。通过进一步对碰撞变形情况分析，提出了以下优化措施。
措施一，碰撞吸能盒优化。现象：在碰撞初期吸能盒就产生了弯曲，部件的作用由于吸收能量小而被浪费。
措施：增加导向槽，引导轴向的碰撞压溃模式。
措施二：前部纵梁加强板位置优化。现象：纵梁产生了一定的弯曲变形，吸收能量少。
措施：重新布置加强板，在弯曲变形点上布置加强板，引导纵梁压溃吸能。
5结束语
文章把汽车整车正面碰撞的假人考核指标项分解到车身结构耐撞指标项，并结合一定的经验，制定具体的车体结构性能指标，可在开发前期通过仿真技术对结构碰撞性能指标进行有效管控，指导前期的车体结构设计。
参考文献
[1]宋玖志.汽车正面碰撞约束系统对第5百分位女性假人保护的研究[D].辽宁工业大学，2016.
[2]张颂安.小型轻量化电动汽车正面碰撞响应及结构优化[D].清华大学，2016.
[3]陈君毅，王宏雁，潘婷.从道路交通事故研究看我国汽车正面碰撞法规试验形式[J].汽车工程，2010，v.32；No.18702：168-172.
[关键词]仿真技术；正面碰撞；结构优化
中图分类号：U467.14 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）33-0380-01
1引言
在20世纪70年代，美国LawrenceLivermore实验室率先研究了用于汽车碰撞的模拟仿真技术，将汽车碰撞研究带入了全新的领域。汽车碰撞模拟仿真技术真正的突破始于1986年，通过应用LS-DYNA仿真软件成功地模拟了整车大变形的过程。这说明将动态显式非线性有限元理论应用于整车碰撞仿真模拟领域是可行的，这一研究方法随后被世界各国广泛使用。
2仿真技术分析
仿真技术是上世纪80年代出现的一种新的综合集成技术；即用虚拟的电子信息系统对真实场景系统的一种模仿仿真技术，是由人机交互技术、人工智能、传感技术等多种现代三维构成系统的人工环境建设，通过多媒体放映对人体的视觉、触觉、听觉等感官上的逼真呈现，使人和相关虚拟环境有一定的交互性，并适时做出相应的反应。随着相关技术领域的不断发展，仿真技术逐渐形成出运用于自身的自成体系，从以前的某个物理现象、设备和系统的简单模拟，发展为能运用其原理对不同系统组成的系统结构体系进行更高级的仿真，使相关用户在符合人们客观意识环境下，贴近物体相关运动力学定律的基础上，充分满足现代虚拟仿真技术的发展需要。伴随着时代的发展，工业生产设备要求的操作水平愈来愈高，要求在最短的时间内，经济效益最大化的生产出最令人满意的产品，所以运用仿真技术进行研究，不仅可以缩短产品开发周期，优化生产过程，而且可以提高产品的质量，使企业在发展中处于领先地位。未来制造业的发展离不开仿真技术。
3正面碰撞法规
鉴于汽车碰撞事故给各国带来了巨大的经济损失和人员伤亡，许多国家相继出台了强制性碰撞法规，以此来降低碰撞过程中产生的损失。美国、欧洲等国家在很早以前已经制定了相关的碰撞法规，主要有美国的联邦机動车安全标准FMVSS和欧盟的ECE法规体系，其他国家的碰撞法规大多是参考美国、欧盟的法规体系来建立的。其中中国的碰撞法规主要参考欧盟的ECE法规体系来建立，于1999年10月颁布并实施的《关于正面碰撞乘员保护的设计规则》CMVDR294法规是参考欧洲正面碰撞法规ECER94。目前，我国关于汽车碰撞的强制性标准已有60余项，有16项涉及被动安全性标准，其中已用法规《乘用车正面碰撞的乘员保护》（GB11551—2003）代替《汽车乘员碰撞保护》（GB/T11551—1989），并规定汽车的碰撞速度是50km/h。
4基于仿真技术的汽车正面碰撞结构优化
4.1汽车正面碰撞仿真分析
第一，在整车碰撞仿真过程中，计算的完成并不能保证计算结果完全准确可靠。因此，必须对计算结果进行分析。在碰撞仿真计算过程中，由于有限元单元采用多种积分运算法和接触算法，为了确保计算稳定并完成计算过程，系统会自动增加个别零部件的质量。但增加的质量需在一定的范围内，否则会导致计算结果的不准确。一般要求最终质量增加不超过5%，初始质量增加在10kg以内。计算结果文件中的质量增加曲线是判断计算结果准确性的一个重要指标。第二，B柱加速度变化。出于安全考虑，车辆结构设计原则要求在碰撞过程中尽量减少乘员舱空间的变形，以保证乘员有足够大生存空间，允许前后舱发生变形，以吸收碰撞中车辆的动能，保证乘员收到的碰撞冲击较小。因此，在正面刚性壁障碰撞中乘员舱加速度时一项重要的评价指标，并要求该值不得超过乘员的忍受极限。B柱是车身前后门之间的立柱。碰撞时变形通常发生在B柱之前的部分，B柱后面的部分和B柱下端的变形量很小，因此在B柱下端设置传感器能够得到稳定可靠的速度和加速度曲线，用该处获得的加速度值作为汽车安全性的重要指标从而反应乘员在实际碰撞过程中承受的加速度变化。第三，前围板入侵分析。汽车在碰撞过程中，汽车前端的零部件受到碰撞后会向后移动从而挤压前围板，造成前围板入侵乘员舱。前围板入侵是造成驾驶员与乘员伤害的主要原因，前围板入侵分析也是整车正面碰撞评价的一个主要因素。因此，必须对前围板入侵量进行分析。对前围板进行入侵分析时一般选取对乘员关键位置点、前方有较硬物体可能产生挤压的点、容易变形的点。碰撞安全法规中对乘员腿部伤害有明确规定，一般情况前围板入侵量小于150mm时能够满足安全法规的要求。
4.2整车正面碰撞仿真有限元模型搭建
以某A级车驾驶室的实际尺寸为基础，基于Hypermesh软件，建立正撞仿真模型。整车模型包含白车身、五门一盖、动力总成、前后悬架系统、前保险杠、座椅骨架等。模型中大部分网格为板壳单元，单元大小大部分控制在5～10mm内，单元总数为2663885。由于动力总成刚度较大，在碰撞中基本不变形，所以可以视为刚体，建模时根据动力总成外形轮廓建立壳单元模型，并将其设为刚体材料进行模拟，从而减少计算量；运用LS-DYNA中相应的单元正确的模拟焊接、螺栓等各种连接关系；材料的性能曲线考虑硬化系数，防止应力-应变曲线的不连续；在座椅上布置一定的质量点来代替假人的重量；通过附加一定的质量点来调节整车的质量中心，保持与实际的整车质量大小及质心位置一致。
4.3仿真结果提取及优化分析
首先对基础车进行碰撞仿真分析，把计算模型提交到分析软件中进行碰撞过程的计算，计算完成后按照碰撞后技术要求分解表提取车体结构要求指标项，有前门铰链、方向盘、制动踏板、油门踏板等的相对位移曲线及B柱下部加速度曲线等然后提取基础车碰撞过程结果，分析各曲线结果。从结果分析中，得出各位移考察点满足位移要求，说明乘员舱车体结构的总体变形达标；B柱下部最大加速度偏大，不达标，说明车身总体吸能偏硬，需要对前部吸能部位进行优化。通过进一步对碰撞变形情况分析，提出了以下优化措施。
措施一，碰撞吸能盒优化。现象：在碰撞初期吸能盒就产生了弯曲，部件的作用由于吸收能量小而被浪费。
措施：增加导向槽，引导轴向的碰撞压溃模式。
措施二：前部纵梁加强板位置优化。现象：纵梁产生了一定的弯曲变形，吸收能量少。
措施：重新布置加强板，在弯曲变形点上布置加强板，引导纵梁压溃吸能。
5结束语
文章把汽车整车正面碰撞的假人考核指标项分解到车身结构耐撞指标项，并结合一定的经验，制定具体的车体结构性能指标，可在开发前期通过仿真技术对结构碰撞性能指标进行有效管控，指导前期的车体结构设计。
参考文献
[1]宋玖志.汽车正面碰撞约束系统对第5百分位女性假人保护的研究[D].辽宁工业大学，2016.
[2]张颂安.小型轻量化电动汽车正面碰撞响应及结构优化[D].清华大学，2016.
[3]陈君毅，王宏雁，潘婷.从道路交通事故研究看我国汽车正面碰撞法规试验形式[J].汽车工程，2010，v.32；No.18702：168-172.