Total No. 301
2021，Number 1
总第301期2021年第1期HEBEI METALLURGY
张青，崔彦发，赵轶哲
(河钢集团钢研总院，河北 石家庄050023)
摘要：汽车的安全技术包括主动安全和被动安全两个方面。在汽车被动安全性的研究中，汽车碰撞安全 性研究是汽车被动安全技术的重要内容。随着汽车行业和计算机仿真技术的不断发展和进步，碰撞仿
真技术被广泛应用在汽车车身结构的耐撞性能、乘员保护系统、人体在受到撞击时的损伤机理及响应研 究中。论述了汽车碰撞仿真技术的基础理论和常用软件，并采用显式非线性软件LS - DYNA 对某车型
的前防撞梁系统100%正面碰撞过程进行仿真模拟，分析了前防撞梁的碰撞变形过程。研究结果表明: 相比于台车碰撞试验，碰撞仿真技术试验周期短、成本低，可以模拟任意试验条件和工况参数，轻松获取 各个位置变形数据。但是，现阶段的碰撞仿真技术还不能够完全实现整车碰撞过程中所有的结构变动
模拟，碰撞仿真和实车碰撞相结合仍是汽车碰撞安全性研究的重要手段。
关键词：汽车安全性；汽车碰撞；仿真；有限元；前防撞梁
中图分类号：U467. 14
文献标识码:A 文章编号：1006 -5008(2021)01 -0028 -06
doi ：10. 13630/j. chki. 13 - 112. 2021.2105
APPLICATION OFSIMULATION
TECHNOLOGY IN VEHIELE COLLISION ANALYSIS
Zhang Qing , Cui Yanfo , Zhao Yizhe
(HBIS Group Research Institute , Shijiazhuang , Hebei, 050023)
Abstract ：AuimoPile sefetu technology includes activa sefetu and passiva sefetu. And ie vabicle cdlision
sefetu research is an important centext of vabicle passiva sefetu technology. With the centinuous progress of
antomobile industro and computes simulation technology , cellision simulation technology is wiUely used in the research of CrasPwortPiness of antomopile body strocturc , occhpant protection system , human body dam ape mechanism and reshonse in impact. This papes dischsses the basic thevk and cemmon spftwarc of "山-
cle cellision simulation technology , and adopts explicit nonlineas seftwak LS - DYNA to simulate the 100% frontai cellision process of a vaViclet front bumpeo system , and analyzes the cellision deformation process of
the fropt bumpek. The reselts show that the crash simulation technology has the advantapes of short test ch- cle , low dst , which cen simulate any test conditions and operating parameters and easily oPtain the deforma
tion data of any position , compareb with the sled crash test. Howevas, the chrrext collision simulation tech nology cennot fully realize the stroctural changes simulation during the process of vabicle collision. Therefore
the combination of collision simulation and real vehicle collision is still an important means of vehicle co II-- sion sefetu research.
Key Words ： animopile sefetu ； antomopile collision ； simulation ； finite element ； front bumpek
0 引言
伴随着我国汽车保有量的逐年增加，交通事故
收稿日期：2020 -08 -20
基金项目：河北省自然科学基金(编号:E2018318013)
作者简介：张青(190 -)，男，工程师，硕士 ,2016年毕业于燕山大学
美国总统座驾材料加工工程专业，现在河钢集团钢研总院主要从事用户服务工作,
E - mail : zhany_qing2018 @ 13. com
的发生率不断攀升。国家统计局的统计数据显示,
2018年汽车交通事故发生166 906起，死亡46 161 人⑴，汽车交通事故已成为威胁人民生命和财产安 全的主要形式之一。越来越多的人开始关注汽车安
东南富利卡怎么样全问题。改善汽车的碰撞安全性能已经成为汽车工 业中的重要研究课题。
美国是开展汽车碰撞研究较早的国家，主要是
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河北冶金2021年第1期
通过实车和模拟碰撞试验开展研究。实车碰撞试验能够较真实地反映汽车碰撞安全性的优劣，但试验成本高［2］且传统试验手段无法定量碰撞试验的安全指数，可能会造成结构设计的反复调整，延长汽车
的开发周期。从上世纪60年代开始，计算机模拟技术逐步被应用到汽车碰撞研究过程中。随着拉格朗
日-欧拉力学、多刚体动力学、生物力学、碰撞理论、材料塑性理论、有限元理论和计算机运算能力等理
论技术的发展提高，汽车碰撞仿真技术在不断完善，各软件服务商推出了多种用于碰撞仿真分析的商用
软件［3］。应用模拟仿真技术，不仅可以分析碰撞过程中车身结构的大变形和标准假人的动态响应，还可以按照法规试验要求设定碰撞仿真过程。汽车碰撞仿真技术在安全车身开发、人身保护系统优化、标准假人开发等过程中发挥了重要作用。
本文在论述汽车碰撞仿真技术的基础上，采用
显式非线性软件LS-DYNA对某车型前防撞梁系统的100%正面碰撞过程进行模拟仿真，分析前防撞梁统的形。
1汽车碰撞仿真技术
1.2汽车被动安全技术
在很大程度上，汽车所应用的安全技术决定了其安全性能。汽车的安全技术包括主动和被动两方面安全技术：(1)主动安全技术指在汽车上应用的
主动安全装置和技术，以此避免交通事故发生;(2)被动安全技术指在事故发生时，通过汽车的安全结
构和安全性装置，减人身受到伤害的程度⑷。虽然
汽车行业已经研究并运用了各种先进的主动安全技术，但是被动安全技术仍是研究的重点，是汽车乘员身安全的。
通常情况下，汽车被动安全技术的研究主要以
汽车碰撞的安全事故为研究基础，具体包括车身耐
撞性、乘员和车外行人保护等内容。汽车碰撞安全性决定了由于碰撞造成乘员伤害的程度。具体来说，通过对车身结构的材料和设计优化，使其获得合理的耐撞性和吸能性，从而保障车内乘员足够的生存空间以及车外行人最低限度的伤害；对乘员约束系统进行研究，通过合理布置安全带、安全气囊等，或者应用自适应约束系统技术，降低碰撞发生时乘员受到的冲击伤害以及二次碰撞伤害。另外，在人体生物力学基础上，对乘员及行人的损伤机理和撞击响应进行分析，对应设计车身安全结构和车外安全置，被动安全技术的点研究。
随着无人驾驶技术的发展，行人避让技术、行人安全气囊、车联网等新技术的应用，弱势道路使用体的保护需求日益增加。未来，汽车被动安全技术
的研究重点逐渐转向车身碰撞相容性、乘员自适应
奔驰b200报价及图片保护和弱势道路体的保护等，结合汽车的主动安全技术，实现人车路一体的智能化汽车安全技术［5］。
tinnove1.2碰撞仿真基本理论
碰撞安全研究被动安全技术的海马s3
要内容。汽车碰撞过程是一个包含大位移和大变形的动态过程，同时形成一个高自由度系统的瞬态动力学响应问题。碰撞发生时，变形和应力以波的形式从点到面传遍整个车身，车身结构的大位移、大转动和应变之间保持非线性关系。受到多方复杂接触和高速冲击载荷的影响，汽车碰撞过程包含几何非线性、材料非线性及边界非线性等，具有动态接触的特点，且两接触结构间的接触边界随时间而发生。
1.2.2有限元理论
目前，对于大位移、大变形、非线性问题，使用显式有限元算法，能够进行快捷地计算，并得到较精确
的结果。有限元方法是将连续的整体通过网格划分为有限个单元体，通过数值方法在离散化的有限单
元组合体上进行计算求解。显式求解算法简易、快捷，可避免大型，在碰撞仿真分析中得到广泛应用。值得注意的是，在显式积分方法的迭代过程中，必须保证其运算条件稳定。实践证明，显式积分方法所允许的时间步长与精确描述材料本构关系所需求的时间步长是同阶的。中心差分法是常用的一种显式积分算法［］。在碰撞仿真计算中，动态接触特点是一个重要影响因素，高效、精确、可靠的接触搜寻算法和接触力算法是计算的核心部分。常用的接触搜寻算法主要有主从面算法、单曲面算法、级域算法、一'体化算法和小球算法等。触力算法有迭法、触束算法和数学规划法等［7］。显式有限元理论能够处理复杂的结构大形，可身结构的撞能研究。
1.2.2多刚体理论
刚体研究碰撞体和
车各个部位的动态响应。多刚体动力学方法一般利用无质量的弹簧、阻尼和不同类型的较链等工具将多个刚体连接成树状的开环分析结构。通过多刚体对碰撞进行仿真算，可分析体的受伤机理和损伤程度，还能为事故过程再现提供依据。在乘员约束系统仿真计算中，采用多刚体理
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论能够模拟汽车驾驶员和乘客的运动情况，但是不能观察到对象的变形情况。
1.2.2多方法耦合
通常有限元方法比较复杂，计算假人的话会发生负体积错误，而多刚体方法不能观察对象的变形。因此，既能模拟车身变形又能计算假人损伤的耦合方法得到了大力推广。多方法耦合就是将有限元方法和多刚体方法结合，采用两种求解器同时运行，通过数据接口实现两者之间的数据传递与共享⑷。付荣荣等［9］分别采用耦合方法与单纯有限元方法对行人的头部冲击过程进行仿真计算，并对两个计算结果中的损伤曲线进行了相关性分析。
1.2碰撞仿真软件和应用
目前市场上已经有多种成熟的用于碰撞模拟的商用软件，最常用的有:PC-CRASH5PAM-CRASH、MADYMO、CAL3D、LS-DYNA3D和An-sysLS-DYNA等。随着计算机硬件技术水平的不断提高，个人计算机也可以完成中小模型的汽车碰撞仿真计算。另外，一些先进科技公司利用云服务技术，联合CAE软件服务商，为汽车制造企业提供高性能、简便安全的仿真解决方案。
一般来说，汽车碰撞的模拟仿真过程主要包含建立研究对象的三维模型、有限元模型网格划分及建立约束、有限元软件求解计算、对计算结果的处理，也称为建模阶段、前处理阶段、求解计算阶段、后
处理阶段。根据上述过程，可以将现有仿真软件分为两大类：（1）集4个步骤于一体的软件，如:PC-CRASH,PAM-CRASH、MADYMO、Ansys LS-DYNA等；（2）多软件配合计算，如:CATIA,HyperMesh和LS-DYNA组合，3DSMAX和OPENGL 组合,NASTRAN和ADAMS组合等。考虑各家软件的特长，使用多个软件联合计算，可以提高仿真精度和准确度［0］。
1.9.1PAM-CRASH
PAM-CRASH基于显式有限元算法，是法国ESI集团的三维碰撞冲击仿真模拟系统，能够模拟大位移、大旋转、大应变、接触碰撞等问题。技术特点主要包括：（1）针对大变形材料特有的适应性网格、非线性接触刚度等；（2）可以轻松处理复杂的边界条件；（3）可以灵活搜寻接触区间等。该软件已被汽车行业中的大型车企用作碰撞仿真研究的专用平台。赵世女青等［1］对某国产轿车后排安全带固定点进行了强度和刚度分析，调整安全带固定点位置后，提高了结构强度，改善了力的传递情况。张君媛等［2］建立车辆假人模型并进行正面25%重叠率碰撞分析，通过优化断面参数提高了效率，在一定程度上达到了正向设计的目的。
1.9.2MADYMO
MADYMO是多刚体动力学计算和显式有限元算相结的型。研究员可使刚体在概念设计初期快速完成建模，然后在结构设计过程中进行有限元细致建模。针对安全带和气囊仿真计算,MADYMO提供了Gasfl
ow模式。该模式使气囊张开的模拟过程更贴近现实，为气囊模拟提供了重要手段。颜萍等［13］通过MADYMO分析某国产轿车驾驶员约束系统在正面碰撞中的运动响，了束统仿真型的，同优
设计提供了参考。王含玉等z计算安全带和膝部气囊的设计参数对驾驶员下肢损伤的影响，基于多目标遗传算法对其优化分析，降低驾驶员下肢损伤风险。
1.9.9Ansys LS-DYNA
Ansys是一个大型通用分析软件，可用于结构分析、流体分析、电磁场分析和声场分析等多个方面，之后购买了LS-DYNA3D求解器的使用权，形成了Ansys LS-DYNA软件。Ansys LS-DYNA 拥有丰富的材料模型、求解器和相互作用方式，主要面向跌落碰撞、板类零件成型问题的仿真计算。梁建术等［5］应用非支配排序遗传算法，采用多目标优化方式，为吸能盒的结构优化设计提供了合理的理论依据。曹弋［1］分析两车碰撞过程中的应力分布状态、速度与加速度变化和动能转化等规律，弥补了在事故再现领域中经典力学方法的局限性。
1.2.2多软件组合使用
HyperMesh软件是有限元仿真领域常用的前处理软件，具有高速度和高质量的自动网格划分功能，可以有效地提高有限元建模中的处理效率，减少建模阶段的重复工作。LS-DYNA是世界上知名的动态显
式非线性仿真软件，主要算法是拉格朗日算法，兼有欧拉算法和Arkitrary Laprange-Euleo算法，其显式算法能快速求解短时间动态大变形问题和复杂多重非线性接触碰撞问题。李妨等［1］结合HyperMesh和LS-DYNA软件，模拟计算铝制防撞梁在高碰撞的形，对结构有
价值。王琦等［8］以交通事故为对象，运用PC-CRASH故辆的行驶度，度条件代入LS-DYNA进行碰撞仿真计算，并验证了计算结果的有。
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河北冶金2021年第1期
碰撞仿真技术可以多参数多方面的研究汽车碰撞安全性，通过快成各种条件的，弥补了实法的多样性不足。，碰撞仿真技术的真实性和实还有待提高，并不能完全
。现阶段可以通过碰撞仿真技术与模的有机配合，评价汽车碰撞安全性能以及安全零部件的耐撞性和吸能性等，以此高汽车的被动安全性。
2碰撞仿真实例分析
据统计，在汽车碰撞事故中，正面碰撞发生的概率约有64%，因此，可碰撞撞击仿真的研究重点。汽
车50%正面碰撞，实际上只有前端结构发生大变形，这里布置了的吸能结构，可以降低乘客所受到的冲击。为了研究某车型碰撞防撞梁系统的变形情况，非线性有限LS-DYNA防撞梁系统的碰撞仿真模型，分析采用先进高强度的汽车钢的碰撞仿真结果。型的复杂,2算，对碰撞仿真模型进行的简化，符合CAE'。的前防撞梁系统主防撞梁、吸能盒、连接板、前纵梁组成，左前纵梁通过右前纵梁对称生成，前纵梁后方设置质量点
郎逸量。前防撞梁与吸能盒、吸能盒与板、板与前纵梁、前防撞梁开口处均采缝焊，前纵梁内外板点焊。
碰撞模型全部钢的材料属性，全部定义为弹材料，数为：材料密度7.550 xW9t/mm3，泊松比0.3，杨氏模量2.1x104 MPa。碰撞仿真模型采用的汽车钢牌号如表1所ZKo其中，双相钢具有咼强度、咼韧性，与同样强度的低合金高强度钢相比，双相钢的均匀延伸率和总率高1/3或1倍以上，且焊能，具有较高的碰撞吸收能力。
表1前防撞梁系统钢板牌号
Tab.1Steei plate band of front bumpee system 厚度：牌号厚度/mm服强度/MPa A80/%前防撞梁MS1300 1.510304
吸能盒DP59023424
连接板DP59023424
前纵梁外板DP780 1.54216纵梁板QP98 1.55502
整个前防撞梁系统的有限元模型中，全部零件采用2D进行，的厚度如表1所。缝焊和点焊均实体，刚性墙采用刚进行。的质量点配置在左右前纵梁尾部对点，质量设置为1.3(°网格划分动划分处理，如图1所示，前防撞梁统的有限型共生成63144-点、61599个，整个有限型误及警。模型各置触类型，防止出现穿1题，零件间的摩擦系数设定为0.2o刚性墙设置为型运动的边界，刚性墙与模型触类型，碰撞不能超过刚性墙。
图1前防撞梁系统碰撞仿真模型
Fig.1Collision simulation modei of front bumpee system
根据我国碰撞试验法规标准CMVDR294，使用45km/h的初速度进行碰撞仿真分析，模型将正面冲击设置防撞梁的刚性墙。为了
设置中的单位统一，将45km/h换算成15333mm/s，碰撞仿真型的所有。
正面撞上刚性墙0.06s后，前防撞梁系统模型的变形情况如图2所示。在前防撞梁统模型发撞击过程中，各结构逐级溃缩吸能。
防撞梁首先与刚性墙接触，防撞梁在冲击力I 下由弯曲状被压至平直，缓冲层吸收部分冲击力，并将其分吸能盒上。随后吸能盒通过溃缩吸收部分冲击力，继续击力纵梁传递，前纵梁内外板发形产生大幅度的弯曲。防撞梁统的逐溃吸能较强的碰撞能量部分吸收可其后部的车身尽可能发生小变形，这样使得事故发门仍然可正常打开，方便员逃生。
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(a)幽本变形情况1.030e+03-i
9.267e+02-l
8.237e+02J
7.208e+02-
6.178e+02-
5.148e+02-
4.119e+02-
3.089e+02-
2.059e+02-.
1.030e+02J
O.OOOe+OO-1
(b)前防撞梁和吸育磕变形情况
Effective Stress(V-m)
1.030e+03-.
9.267e+02_l
8.237e+02_l
7.208e+02_
6.178e+02_
5.148e+02_
4.119e+02_
3.089e+02_
2.059e+02
1.030e+021
O.OOOe+OO J
图2碰撞0.26s后的模型变形情况和应力云图Fig.2Model deformation and stress ne/hogram after0.46s collision
碰撞仿真如图3所示。整个过程中前防撞梁系统总体能量基本保持恒定，移动部分的动能逐渐减小，各形吸能导致内能不断，碰撞满足能量守恒定律。另外，由数值计算引起的沙漏能和滑移能均在较小范围内，仿真结果。
算结果来看，吸能盒与前纵梁的变形量最冲击刚性墙，前防撞梁截面较小且强度较高，产生的形较小，吸能盒首先发生纵向压缩，随纵梁发弯曲。碰撞，吸能盒的溃缩起到很好地吸能，纵梁产弯不是纵向压缩，吸能效果不良。因此，可以对前纵梁的材料和结构进行优，增加其吸能效果。
大，其中吸能盒已经完全溃缩。前防撞梁系统正面
Fig.3Acceleration and envoy corvas during collision
3结语
在汽车碰撞安全性试验研究方面，各汽车厂商投入了大量人力物力，政府和相关先后颁布和法规并提出了严苛要求。随算机碰撞仿真技术的发展，汽车的被动安全性研究有了很大进步。在汽车碰撞研究中，应用碰撞仿真技术能够多角度地分析各结构碰撞变形，了解溃形式，通过不同钢材料性能和结构优化来提
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