汽车的碰撞与有限元分析法

个 、有 限大小的多边形网格 ，这样，我们就能把连续整个的物பைடு நூலகம்分解成 车结构进行最终碰撞胜能的校核是 目前国外对汽车碰撞的仿真研究大
了多个 小 的网格 。
多强调的最后阶段。可是 ，在一般车辆的初始设计 阶段，可能没有制作
４ 有 限元分 析法 的步骤
详细的车辆碰撞校核模型所需要 的信息和时间 ，所 以，简单化的碰撞仿
，
关键词：汽车；有限元分析法；实用性
随着人们物质生活水平不断的提高，汽车 已经成为人们生活中必 １９９３年 ，英 国交 通 研 究 实 验 室
不可少的交通工具 ，然后每年在汽车交通事故中死亡的人数 已经超过 （Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ Ｒｃｓｃａｒｃｈ Ｌａｂｏｒａｔｏ—
了世界的局部战争。可见交通事故已成为人类社会的重大公害之一 ，因 ｒｙ）Ｘ￣ 车的正面碰撞进行了仿真计
的、计算机能力和精度等要求来选择合适的尺寸。一般来说 ，碰撞区域 多物理问题 ，最早是从结构化矩阵分析发展而来 ，逐步推广到壳和实体
的网格长度大小是 １０—１５ｒ ａｍ左右 ，最小不能超过 ８ｍｍ；￣碰撞 区域的 等连续体固体力学分析，实践证明这是一种行之有效的数值分析方法。
网格 可在 ２０—３０ｍｍ之 间。
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汽车 的碰撞 与有 限元分析 法
张 镝 （沈阳理工 大学汽车与交通学院，辽宁 沈 阳 １１００００）
摘 要：随着计算机技术的发展，有限元计算分析方法被应用到汽车的碰撞模拟仿真试验 中，这种方法的应用不但降低 了汽车的设计成本和
周期 ，也将试验数据更加精确化和准确化。
域 ，碰撞区域即主要变形区，非碰撞区域的车身变形很小或基本不变 能的有限元分析程序 ，也取得了众多成果 ，为汽车碰撞安全 『生做 出了重
形 。
大贡献。当今 国际上有限元分析方法和软件相结合的发展呈现如下一
４．２划分网格 。在划分有限元网格时 ，应根据车型的特点 、试验 目 些趋势 ：５．２．１有限元分析方法是从单一的结构力学计算发展到求解许
１汽 车碰撞 的定 义
撞分析软件。由 ３ １５００个节点、３０８００个单元组成的整车模型。单元类
汽车碰撞过程是—个瞬态受到剧烈的冲击载荷而大变形的过程并 型包含有壳单元 、实体单元 、梁单元以及非线性 弹簧单元等 。计算得到 伴有复杂的接触非线 ｆ生和材料非线性等诸多不定 因素。这种过程既涉 了撞击时仪表板等侵 ＾驾驶室的尺寸、车辆撞击变形及车辆中的成员
而且从理论上也足以证明，只要用于离散求解对象 的发 、单元 足够小 ，
４．３验证模型。因为有限元分析试验数据 息非常大，且受到碰撞 所得的解就可足够逼近于精确值。５．２．２随着科学技术的 日益发展 ，很多
４．１实体建模。实体建模是—个复杂的过程 ，在整个仿真试验 中占 真设计方法和手段在实际中的应用中更受欢迎 。
到了很大的比例。车辆在碰撞时 ，车身的主要吸能区域包括车架 、车轮 ５．２汽车碰撞安全．１生有 限元方法分析的发展。在 ２０世纪 ５０年代
和底盘总成。所以在整车建模时 ，车身大致可分为碰撞区域和非碰撞区 末 、６０年代初 ，国际上就投 ＾了大量的人力物力财力来开发具有强大功
及到物体结构的位移和转动，又受到了材料物理陛能的影响。
损伤情况等。 目前 ，对汽车碰撞安全 『生的仿真研究涉及面相当广泛 ，如
２ 非线 性理 论
碰撞保护措施 、车体结构 、人体生物力学等，具体 的求解计算 内容大致
任意瞬间内，物体所占的空间区域为 ｖ（ｖ被称作物体构型 ），令事 包括两个方面：乱汽车碰撞过程 中车身 、车架等的变形及动态响应用有
图 １
限元计算分析方法被应用到汽车的碰撞模拟仿真试验中，这种方法的 小时，计算得到了车辆碰撞过程 中的加速度变化曲线及车辆的碰撞变
应用不但降低了汽车的设计成本和周期 ，也将试验数据更加精确化和 形等。５．１．２ １９９５年，美国 Ｆｏｒｄ公司进行了轿车与护栏前撞的仿真计
准确 化 。
算。计算采用 ＣＲＡＹ Ｃ一９０型巨型机和 ＲＡＤＩＯＳＳ商用非线 陛有限元碰
件 ｔ＝Ｏ，物体 的初始构型 Ｖ。，将初始构型参考到固定的直角坐标系ｆ）（Ｉｌ 限元方法计算 ；ｂ－人体在各种碰撞条件下的响应用有限元方法或多刚体
中，物体上任一质点 Ｐ的位置可由坐标（ｘ ，ｘ ，ｘ，…）表示 ，构型 ｖ。为物 动力学法计算 。其中，建立能真实反映实际碰撞状况 的数学模型是与这
此 ，怎样提高汽车的被动安全 陛能是世界各国的工程技术人员都在不 算 ，计算机采用 ＲＡＹＹ—ＭＰ巨型机
遗余力研究的重要问题。
和 ＱＡＳＹＳ—ＤＹＮＡ３Ｄ动态非线性有
早期的汽车被动安全 陛研究主要通过大量的试验来进行 ，反复的 限元计算分析软件 。由 ２５０００个变
进行相同的碰撞过程，采集数据并依靠研究人员的经验来判断 ，然而这 形单元组成 了整车模型 ，计算 １００ｍ 种方法需要消耗大量的人力 、物力和财力。随着计算机技术的发展 ，有 的车辆碰撞响应过程 ，耗 时 ３０ｃｐｕ
体 的初始状态 ，在某一瞬时 ｔ，物体被移动到空间另一位置后 的构型为 些研究相关的最基本也是最复杂的工作 ，这些模型包括集中质量模型 、
Ｖ，这时物体 已发生变形 ，这种变形状态用直角坐标系ｆＹＩ】表示。物体由 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
初始构型的 Ｐ点被移动至变形后的 Ｐ点 ，可 由 Ｐ（Ｘ，，Ｘ ，Ｘ ）确定 ，如果 件 以及特定的分析 目的 ，如 ：ａ根据各种碰撞条件可建立车辆正面碰撞
｛ｘ 与（Ｙ 完全重合 ，那么将会有如下的二维隋况见 图 １。
模 型 、侧 面碰 撞模 型 、尾部 碰撞模 型或 者部 件碰 撞模 型 等 ；ｂ．根据 不 同 的
３ 有 限元 的定 义
乘员特征建立各类假 凡 模型 ；ｃ．根据人体局部损伤分析的需要建立人体
有限元方法是运用离散的概念，将连续整个 的物体分割成有限多 局部结构 的生物力学模型。另外，建立大量有 限单元的整车模型 ，对整