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商用车碰撞仿真研究

1，商用车碰撞仿真研究的国内外现状

1.1国外研究的现状

国外较早开展汽车碰撞研究的是美国。美国运输部于1970年公布了开发实

验安全车(ESV)的计划，一般认为，ESV计划的实施开始了汽车安全技术研究的

新时代。此计划要求开发以SOkm/h的速度进行正面碰撞时仍具有高度安全性能

的1800kg级试验样车。目的是弄清汽车碰撞时增加乘员生存的可能性；掌握如

何依靠改进设计来减少伤亡和经济损失的一般规律；促进世界汽车工业界安全研

究；将安全试验车试验研究所得到的技术资料用于制订新的安全标准。

在20世纪60年代，人们开展了计算机模拟碰撞技术。随着计算机技术的高

速发展和以有限元分析技术为突出代表的工程计算方法的发展和日趋成熟，汽车

耐撞性的数值分析正在逐步取代与改进部分实验室工作，给整个汽车碰撞模拟仿

真的分析和改进带来十分深刻的影响。

20世纪60年代和70年代,显式有限元程序在美国开发出来，各种算法已开

始成熟,如显式积分、壳单元和接触算法等。自20世纪80年代中期第一次用有

限元法进行汽车整车碰撞模拟仿真分析后，有限元法在汽车结构耐撞性分析方面

的应用迅速增长，美国各大汽车公司如通用(GE)、福特(FORD)等。日本的日产

(NISSAN)、丰田(TOYOTA)，西欧和韩国等国家的汽车公司有专门的分析人员配

备最先进的计算机设备从事汽车结构耐撞性的有限元分析。

在有限元法用于汽车碰撞模拟仿真分析的初期(上世纪80年代至90年代

初)，由于试验条件、计算机条件和分析软件的限制，汽车结构分析模型的建立

相对简单，也较为粗糙，考虑范围只限于部分零件，分析模型的规模也不大，单

元数目一般小于20000个，分析结果与试验的吻合程度也难于保证，如建立梁单

元模型进行汽车尾碰撞分析；建立18000个单元的整车有限元模型，对轿车进行

碰撞模拟仿真分析等。

上世纪90年代以来,伴随计算机技术的飞速发展，如超级计算机(Cray)的发

展，使碰撞仿真分析在汽车工业方面的应用成为可能。人们在cray巨型计算机

上应用RADI055-CRASH软件对轿车和美国福特某乘用车分别在正面全宽碰

撞。正面50%偏置壁障碰撞、侧面碰撞及车身顶盖压塌等条件下的模拟仿真分析，

整个碰撞分析模型约有60000个单元，文献中还给出了仿真结果与试验结果的比

较。同时，在美国和欧洲出现了许多成熟的用于汽车碰撞模拟分析的商业化软件，

如：LS-DYNA3D、PAM-CRASH、MADYMO、RODIOSS等，所有这些构成了

推动汽车碰撞数值模拟分析技术迅速发展的重要技术基础。

与此同时，在安全气囊模拟和人体特征和动力响应特性的模拟(假人模型)方

面，美国和欧洲等各大汽车公司开展了许多研究工作，并取得了一定成果；如建

立了较为完善的气囊模型，用于在安全气囊系统的设计和开发的早期阶段协助系

统的设计；而采用面一面接触算法模拟乘员与展开的气囊之间的碰撞接触关系，

则以得到较精确的接触力；利用MADYMO和RADI055软件，可建立刚体(或弹

性体)假人模型，模拟乘员在碰撞时的响应，假人模型的有限元网格是根据侧撞

假人图并用数字扫描所选人体部分形成的，由654个壳单元、540个块体单元、

29个弹簧单元及11个刚体单元组成，用计算机分析了三维头部有限元模型在多

种碰撞条件下的响应,通过头部模型质心的加速度值计算出头部质心在六个自由

度上的运动，应用脑损伤准则即可评估汽车碰撞造成的脑损伤的严重程度，该准

则将受伤程度作为有效加速度和冲击时间间隔的函数。

进入21世纪以来，国外在汽车碰撞计算机模拟方面的研究已具备了相当扎

实的基础，它经历了由大量的汽车碰撞试验研究向以此为基础而发展起来的计算

机模拟技术过渡，并逐步走向二者紧密结合的成熟阶段；同时，计算机技术的快

速发展，使汽车碰撞仿真分析的有限元模型规模达到了500000个单元，甚至上

百万个单元规模。下一步，计算机碰撞模拟仿真技术正朝着进一步提高分析精度，

模拟实车道路行驶、结合路面条件的碰撞模拟分析，将结构优化分析与碰撞模拟

相结合的方向发展。

1.2国内研究的现状

我国对汽车被动安全性进行系统研究是从上个世纪80年代后期开始的，汽

车碰撞研究工作也开始于这一时期。1988年，吉