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汽车碰撞安全性的限元分析研究现状及趋势摘要:汽车碰撞安全性研究已成为汽车安全研究领城的重要内容,运用有限元软件对车辆进行合理的简化及建模,阐述了有限元分析方法在汽车碰撞安全性运用的特点及研究现状和发展趋势关键词:汽车;碰撞:安全性:有限元0引言有限元方法FEA(FiniteElementAnaiysis)进行计算机科学技术的发展,汽车己经成为人们生活中必不可少的模拟计算是一种行之有效的方法。1整车正碰中计算机模拟仿真技术研究的意义交通安全是一个世界性的难题，据统计，每年因为车祸有70多万人死亡，1000多万人受伤。汽车安全性分为主动安全性和被动安全性，前者是指汽车防止发生事故的能力；后者是指当事故发生时汽车本身对乘员及行人提供保护的能力。调查的结果表明，汽车的主动性能再好，也只能避免很少量的事故，汽车的被动安全性实际上主宰着汽车的安全性能。随着我国汽车保有量的不断增加，交通事故呈上升趋势，如图1所示，而汽车的正碰是发生概率最多的一种，且对车内司乘人员生命财产安全最具危害性。随着我国正碰安全法规的颁布实施，汽车的被动安全性问题是汽车研究和设计人员必须面对的新课题，所开发车型的耐撞性能最终要通过实车碰撞试验来检验。但是此类的试验对车辆进行的是破坏性试验，为了检验一项设计目标往往需要反复的碰撞试验，试验费用相当昂贵，因此，通过CAE模拟仿真计算来指导和部分取代试验工作，成为汽车被动安全性研究的一种必然趋势。通过模拟仿真计算，可以在汽车设计和改进的过程中经济有效的提供一些基本规律和指导方向，减少试验次数，避免大量尝试性工作，这样既能减少研发成本，也能缩短开发周期。2有限元分析汽车碰撞安全性的特点经过几十年的发展,大变形非线性有限元方法在理论上已比较成熟,目前的相关商业软件包的功能已经相当强大。输出功能的软件:CATIA、uG、Pro/E、sTEP、IGEs等,强大的分析软件:PAMC，sH、Ls-DYNA3D等。而随着计算机硬件的发展,计算机的运算能力也大为提高,这一切都意味着用计算机模拟手段解决碰撞安全性问题已经比较方便。(l)经过几十年的发展,大变形非线性有限元方法在理论上已比较成熟,目前的相关商业软件包的功能已经相当强大,而随着计算机硬件的发展,计算机的运算能力也大为提高,这一切都意味着用计算机模拟手段解决碰撞安全性问题已经比较方便。(2)有限元方法能够得到丰富的信息和数据,这是实车试验当中无法做到或很难做到的一点,这些数据在设计改进过程中将起到非常重要和决定性的作用。(3)有限元法毕竟是一种验算方法,在确定设计改进方案时起决定作用的还是理论分析手段,根据理论分析结果,确定参数选取原则,然后再用计算机模拟来演算。(4)计算机虚拟试验技术不能代替实物试验,计算机模型需要用实际试验数据来检验,在建模过程中还需要根据实际试验结果进行设置与调整。3有限元方法分析汽车碰撞安全性的研究现状3.1国内的研究状况1992年我校宗子安教授将D丫NA3D引进我国,并利用该程序进行了假人碰撞试验的有限元分析等研究。钟志华校长提出汽车碰撞分析的有限元法,还用DYNA3D软件对驾驶员与安全带构造了碰撞模拟模型。吉林工业大学和长春汽车研究所合作在sGI图形工作站上建立了国内第一个比较完善的整车碰撞分析模拟,并通过可视化技术得到了车身结构碰撞变形完整过程的模拟结果。总的说来,国内在汽车碰撞安全性这一领域的研究起步较晚,所做的基础研究工作还相当有限,直到目前,也还受到计算机软件、硬件试验条件以及资金投入的限制。因此,仿真计算中车辆碰撞模型的建立、仿真计算参数的选择以及仿真方法的研究等方面的工作有待进一步深人,并且仿真计算的精度及其实用性也有待于提高。3.2国外的研究状况国外对汽车碰撞分析的研究比较早,较早开展汽车碰撞分析研究的是美国。早期汽车碰撞研究主要是进行各种条件下的碰撞试验,包括实车碰撞试验和模拟碰撞试验。90年代以后发展了基于碰撞有限元理论的计算机仿真技术,目前国外在这一领域的相关研究大多采用这一技术,。目前,对汽车碰撞安全性的仿真研究涉及面相当广泛,如车体结构、碰撞保护措施、人体生物力学等,具体的求解计算内容大致包括两个方面:¹用有限元方法计算汽车碰撞过程中车身、车架等的变形及动态响应;º用有限元方法或多刚体动力学法计算人体(即车内乘员)在各种碰撞条件下的响应。与这些研究相关的最基本也是最复杂的工作是建立能真实反映实际碰撞状况的数学模型,这些模型可分为集中质量模型、多刚体系统模型或有限元模型等,每一类模型的建立要根据不同的条件以及特定的分析目的。如:¹根据各种碰撞条件可建立车辆正面碰撞模型、侧面碰撞模型、尾部碰撞模型或者部件碰撞模型等;º根据不同的乘员特征建立各类假人模型;根据人体局部损伤分析的需要建立人体局部结构的生物力学模型;研究乘员与约束系统碰撞时建立约束系统的模型等。另外,目前国外对汽车碰撞的仿真研究大多强调最后的阶段,即建立大量有限单元的整车模型(单元数从2万到10万或更多),对整车结构进行最终碰撞性能的校核。然而,在一般车辆的初始设计阶段,可能没有制作详细的车辆碰撞校核模型所需要的信息和时间,因此,简单化的碰撞仿真设计方法和手段在实际的应用中更受欢迎。4有限元方法分析汽车碰撞安全性的发展趋势国际上早在20世纪50年代末、60年代初就投人大量的人力和物力开发具有强大功能的有限元分析程序。当今国际上有限元方法和软件发展呈现以下一些趋势特征:(l)从单纯的结构力学计算发展到求解许多物理场问题有限元分析方法,最早是从结构化矩阵分析发展而来,逐步推广到壳和实体等连续体固体力学分析,实践证明这是一种非常有效的数值分析方法。而且从理论上也己经证明,只要用于离散求解对象的单元足够小,所得的解就可足够逼近于精确值。(2)由求解线性工程问题进展到分析非线性问题,随着科学技术的发展,线性理论已经远远不能满足设计的要求。(3)增强可视化的前置建模和后置数据处理功能,早期有限元分析软件的研究重点在于推导新的高效率求解方法和高精度的单元。(4)与cAD软件的无缝集成,当今有限元分析系统的另一个特点是与通用cAD软件的集成使用,即在用cAD软件完成部件和零件的造型设计后,自动生成有限元网格并进行计算,如果分析的结果不符合设计要求,则重新进行造型和计算,直到满意为止,从而极大地提高了设计水平和效率。参考文献1HyperMesh从入门到精通[M].北京:科学出版社,2005.2谭继锦.汽车有限元法【M」北京:人民交通出版社2005,1:2429.33陈龙,上官文斌.基于有限元法的车辆碰撞事故的速度分析口].