一、引言

長(zhǎng)期以來，轎車安全性能一直是汽車工業(yè)界非常關(guān)注的課題。用實(shí)車碰撞試驗(yàn)可測(cè)定轎車安全性能，但因其需在實(shí)物樣機(jī)上安裝各種測(cè)試設(shè)備，進(jìn)行實(shí)地試驗(yàn)，成本高、時(shí)間長(zhǎng)，所以探索新的試驗(yàn)方法一直是汽車工業(yè)界所追求的目標(biāo)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和各種應(yīng)用軟件的出現(xiàn)，人們可以用計(jì)算機(jī)來模擬轎車碰撞試驗(yàn)。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)設(shè)計(jì)的汽車虛擬試驗(yàn)場(chǎng)可逼真地實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)過程，通過交互改變汽車設(shè)計(jì)參數(shù)、試驗(yàn)道路環(huán)境，可以驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案，從而達(dá)到縮短設(shè)計(jì)周期、降低開發(fā)成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量的目的。與傳統(tǒng)的實(shí)車試驗(yàn)相比，應(yīng)用虛擬試驗(yàn)場(chǎng)具有快速、逼真、可重復(fù)性等特點(diǎn)，可無危險(xiǎn)、無損壞地進(jìn)行碰撞、翻傾等極限試驗(yàn)。這種方法雖然不能完全取代實(shí)際的轎車碰撞試驗(yàn)，但卻使人們能夠根據(jù)計(jì)算機(jī)模擬試驗(yàn)的結(jié)果更好地、更精確地安排實(shí)際試驗(yàn)，以減少試驗(yàn)次數(shù)和時(shí)間，降低試驗(yàn)成本。

正面碰撞是汽車碰撞事故中最多、對(duì)人體危害最大的碰撞形式，也是國(guó)際上許多安全法規(guī)中規(guī)定的小型客車和轎車的最主要標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)。本文選取國(guó)產(chǎn)燃料電池轎車“超越二號(hào)”為虛擬試驗(yàn)對(duì)象，模擬其正面碰撞，從而預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)該車型的被動(dòng)安全性，對(duì)該車型安全設(shè)計(jì)的改進(jìn)具有指導(dǎo)作用。由于燃料電池轎車目前仍屬于前‘瞻型產(chǎn)品，其高昂的制造成本決定了暫時(shí)無法、進(jìn)行實(shí)車碰撞試驗(yàn)，而虛擬試驗(yàn)場(chǎng)由于其無危險(xiǎn)、無損壞、可重復(fù)性等特點(diǎn)正是非常合適的試驗(yàn)方法。

由于虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)計(jì)算，對(duì)計(jì)算速度要求較高。因此，實(shí)現(xiàn)虛擬試驗(yàn)場(chǎng)景及仿真必須要有相應(yīng)的軟硬件支持，本試驗(yàn)采用的操作系統(tǒng)為UNIX（多任務(wù)、多線程），硬件為雙CPU高速SCSI接口硬盤的HP可視化工作站。

作者利用HYPERMESH軟件對(duì)整車模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立了車輛的有限元模型，用PAM-CRASH軟件建立了虛擬試驗(yàn)場(chǎng)，并模擬了正面碰撞，把分析的數(shù)據(jù)傳送到虛擬環(huán)境中，驅(qū)動(dòng)場(chǎng)景中的車輛使之形象、逼真地實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)。

二、虛擬試驗(yàn)對(duì)象的建立

由于計(jì)算技術(shù)的局限性，在早期的計(jì)算機(jī)模擬碰撞試驗(yàn)中一般只獨(dú)立模擬乘員的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)或者整車的變形吸能，而很少將兩者結(jié)合起來研究。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)模擬碰撞試驗(yàn)的能力不斷提高，因此本文要將乘員及約束系統(tǒng)模型導(dǎo)入到“超越二號(hào)”燃料電池轎車整車碰撞計(jì)算模型中，其中主要包括儀表板、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、座椅、人體模型以及安全帶等，并將兩者結(jié)合起來作為一個(gè)整體進(jìn)行研究，這樣建立的虛擬試驗(yàn)對(duì)象更加符合實(shí)際情況，從而得出更可信的結(jié)果。

（一）建立燃料電池轎車的整車有限元模型

1.料電池轎車車身建模

燃料電池轎車車身CAE建模使用ALTAIRHYPERMESH軟件。

由于白車身零件基本上是薄壁板材結(jié)構(gòu)，所以單元類型選擇為殼單元，燃料電池車身模型總共劃分為177298個(gè)單元，其中燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)零部件及其車架、連接件模型單元數(shù)量為76082個(gè)（圖1）。

由于研究的是整車的碰撞特性，因而單元?jiǎng)澐衷瓌t上采用四邊形單元。但是車身零部件結(jié)構(gòu)形狀非常復(fù)雜，僅使用規(guī)則的四邊形單元會(huì)產(chǎn)生在邊界和結(jié)構(gòu)形狀突變處的單元過于狹小，長(zhǎng)寬比過大，所以在定義網(wǎng)格時(shí)，允許在局部（非平面處）使用內(nèi)角大于45°的三角形單元，三角形單元數(shù)占單元總數(shù)的比值應(yīng)盡量小，控制在10%左右，否則將會(huì)影響計(jì)算精度。單元邊長(zhǎng)為10~30MM，如果值太小會(huì)減小時(shí)間步長(zhǎng)，增加計(jì)算時(shí)間，

2.材料定義

由于在整車的正面碰撞模擬中，燃料電池汽車前艙中的動(dòng)力系統(tǒng)零件的質(zhì)量會(huì)影響整車質(zhì)量的分布和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，因此需要進(jìn)行質(zhì)量的重新分配和局部配重，力求使模型的質(zhì)量和重心位置與實(shí)際相差無幾。根據(jù)要求，鈑金件通常使用ST13及ST14號(hào)材料，屬于PAM-GENERIS中的103號(hào)彈性材料。燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)中，電機(jī)為剛體，對(duì)于高壓接線盒、低壓接線盒以及電動(dòng)轉(zhuǎn)向泵等材料為塑料的零部件，選用ABS塑料材料。

3.剛體的定義

剛體用于碰撞中變形很小或不變形的部分。如在正面碰撞模型中，可將BA立柱之后的部分定義成剛體。這樣可大大節(jié)省計(jì)算時(shí)間，提高計(jì)算效率。

4.連接的模擬

動(dòng)力系統(tǒng)零部件通過螺栓連接在車架上，在碰撞模擬中采用桿單元連接點(diǎn)焊連接。零部件與車架或梁的螺栓連接其實(shí)也可以簡(jiǎn)化為桿單元連接焊點(diǎn)的方式，因?yàn)槁菟ǖ氖П憩F(xiàn)為剪切和拉斷，只要定義此處焊點(diǎn)在這些方向上的失效就能代替螺栓連接。

5.接觸定義

將整車和車架模型分別定義為36號(hào)自接觸（SELFCONTACT），對(duì)于接觸參數(shù)的定義，如穿透厚度、懲罰系數(shù)、摩擦系數(shù)等的定義，則均通過多次模擬結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比獲得。

（二）建立乘員約束系統(tǒng)的有限元模型

計(jì)算、模型中主要定義材料、剛體、爆點(diǎn)、接觸幾項(xiàng)。

1.材料（MATERIAL）

分別對(duì)儀表板、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)零件以及座椅、假人進(jìn)行材料定義。其中假人材料為PAM-SAFE軟件中自動(dòng)生成的，儀表板材料定義為脆性材料，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)零件材料為鐵。

2.剛體（RIGIDBODY）

由于在碰撞過程中座椅骨架的變形很小，因此將座椅骨架部分定義為了剛體。

3.焊點(diǎn)（SPOTWELD）

根據(jù)實(shí)際情況，將導(dǎo)入的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和儀表板與整車連接起來。

4.接觸（CONTACTINTERFACE）

由于導(dǎo)入了儀表盤、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)以及含約束系統(tǒng)的座椅假人模型，在碰撞過程中，人體由于慣性作用力，會(huì)和乘員艙內(nèi)部件發(fā)生二次碰撞，為了能較好地模擬出在碰撞過程中人體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，我們分別以下三類接觸類型的共8對(duì)接觸對(duì)（CONTACTPAIR）。

（1）點(diǎn)對(duì)面的接觸

在PAM-GENERIS中提供了一種點(diǎn)對(duì)面的接觸類型，即1#接觸。本文將這種接觸運(yùn)用于上下轉(zhuǎn)向柱之間，以模擬他們之間的滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)副。因?yàn)樵趯?shí)際的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，兩者在受到?jīng)_擊后將產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，以減少對(duì)乘員的傷害。

（2）面對(duì)面的接觸

面對(duì)面的接觸是本文中運(yùn)用的最多的一種接觸類型，譬如人體與乘員約束系統(tǒng)之間的接觸均采用這種類型，包括頭-胸部之間的接觸、軀干-座椅之間的接觸、軀干與安全帶之間的接觸、肢體與內(nèi)飾之間的接觸和頭部與方向盤之間的接觸。

（3）自接觸

除了燃料電池轎車車身的自接觸外，由于考慮到座椅在碰撞過程中，亦同樣會(huì)受到擠壓變形，所以還同時(shí)定義了一個(gè)座椅骨架的自接觸。對(duì)于接觸的參數(shù)如穿透厚度、懲罰系數(shù)、摩擦系數(shù)等的定義，則均通過多次模擬結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比獲得。

帶乘員約束系統(tǒng)的燃料電池轎車整車有限元模型如圖3所示，至此虛擬試驗(yàn)對(duì)象建立完成。

三、虛擬試驗(yàn)場(chǎng)的建立

根據(jù)中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T11551-89關(guān)于汽車乘員碰撞保護(hù)的規(guī)定，當(dāng)車輛以48KM/H的速度向前行駛，與一個(gè)垂直于車輛行駛方向、或與車輛行駛方向成大于或等于60°角的固定屏障壁相碰撞時(shí)，前排座位處用座椅安全帶束緊的假人，應(yīng)滿足下列條件：

（1）假人的各部分自始至終都應(yīng)在車廂內(nèi)。

（2）假人頭部傷害指數(shù)（HIC）不得大于1000。

（3）當(dāng)作用時(shí)間超過3MS時(shí)，假人胸部質(zhì)心處的合成加速度應(yīng)不大于60G。

（4）假人每條大腿軸向的合力應(yīng)不大于LOKN。

作者在PAM-CRASH的前處理模塊GENERIS中依照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)定義了重力場(chǎng)、整車初速、垂直車速方向的剛墻等邊界條件。

根據(jù)法規(guī)，整車試驗(yàn)是車撞剛性壁障。在GENERIS中可通過剛墻來模擬壁障。在本次的正面碰撞模擬中還考慮了重力（即在Z方向加一9.8M/S的加速度場(chǎng)）對(duì)碰撞的影響，地面也采用剛墻方式定義，并考慮了輪胎與地面接觸部分的摩擦力。

整車初速度定義為48KM/H。

帶乘員約束系統(tǒng)的“超越二號(hào)”燃料電池轎車整車計(jì)算模型包括197047個(gè)節(jié)點(diǎn)，192308個(gè)殼單元，3578個(gè)體單元，18個(gè)桿單元，計(jì)算的時(shí)間步長(zhǎng)為10-4S，碰撞時(shí)間為150MS，即直到假人回彈為止。至此虛擬試驗(yàn)場(chǎng)建立完成。

四、虛擬試驗(yàn)結(jié)果分析

使用PAM-CRASH的后、處理模塊PAM-VIEW可以觀察轎車在碰撞過程中假人所受傷害指數(shù)。

（一）頭部傷害指數(shù)日HIC（HEADINJURYCRITERION）

在正面碰撞過程中，作用在人體頭部沿車身縱向的加速度是最主要的加速度荷載，因此HIC是汽車碰撞研究中最常用的評(píng)價(jià)頭部損傷的標(biāo)準(zhǔn)，并且被認(rèn)為是一個(gè)能適當(dāng)區(qū)分接觸與非接觸沖擊的標(biāo)準(zhǔn)。

我國(guó)的相應(yīng)法規(guī)將頭部傷害指數(shù)值1000定為正面碰撞過程中人體頭部所能忍受的極限，高于此值將被認(rèn)為會(huì)造成對(duì)乘員的傷害。圖5為超越二號(hào)燃料電池轎車的HIC值的模擬計(jì)算結(jié)果：

在本文中，由模擬計(jì)算得出的超越二號(hào)燃料電池轎車的人體頭部加速度模擬值HIC為1072.1。

（二）胸部3MS合成加速度指標(biāo)（Α3MS）

生理學(xué)的研究表明，對(duì)于人體胸部的傷害指標(biāo)是，人體能夠忍受3MS或者更長(zhǎng)時(shí)間的作用在上胸部（因?yàn)樾?、肺位于上胸腔）重心處的合成線加速度應(yīng)小于60G,超出這個(gè)界限就很可能造成對(duì)人體胸腔內(nèi)臟器的損傷。

圖6是超越二號(hào)燃料電池轎車的3MS胸部合成加速度指標(biāo)的模擬計(jì)算結(jié)果：

超越二號(hào)模擬計(jì)算得出的值為54.481G,即533.914M/S+2。和國(guó)家安全性法規(guī)中人體3MS胸部合成加速度指標(biāo)值60G相比，超越二號(hào)燃料電池轎車的人體3MS胸部合成加速度指標(biāo)模擬值達(dá)到了國(guó)家規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。

（三）腿部軸向力荷載

在碰撞過程中由于車內(nèi)的結(jié)構(gòu)限制，人體的某些部位，主要是腿部會(huì)受到很大的軸向力載荷，這種大力載荷會(huì)造成如骨折、組織拉傷或挫傷等傷害，因此有必要用軸向力載荷來做為一個(gè)傷情指數(shù)。

本文分別對(duì)假人的左右大腿骨受力進(jìn)行了模擬，見圖7和圖8。

國(guó)際法規(guī)和我國(guó)的法規(guī)均規(guī)定在48KM/H正面碰撞中“假人每條大腿軸向的合力應(yīng)不大于10000N”。模擬的結(jié)果表明，超越二號(hào)燃料電池轎車的人體左大腿骨最大受力值為5800N，右大腿骨最大受力值為3300N，完全符合法規(guī)要求。

（四）碰撞動(dòng)畫截圖

借助PAM-CRASH的后處理模塊PAM-VIEW還可以觀察轎車在碰撞過程中的變形、受力狀態(tài)、速度、加速度等。下圖即為在碰撞過程不同時(shí)刻轎車模型的變形：

由碰撞動(dòng)畫截圖發(fā)現(xiàn)車身框架的變形并不大，因此可以推測(cè)碰撞發(fā)生后車門仍能正常打開，滿足法規(guī)要求。

在我國(guó)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB11551-89中，對(duì)人體造成傷害的評(píng)價(jià)指標(biāo)是頭部傷害指數(shù)、3MS胸部合成加速度指標(biāo)和腿部軸向力載荷指標(biāo)3個(gè)，并且作了相應(yīng)的規(guī)定。超越二號(hào)的假人傷情指數(shù)見表1。

五、結(jié)語

由于超越二號(hào)燃料電池轎車是在國(guó)產(chǎn)桑塔納3000轎車的基礎(chǔ)上改裝而成的，而該型車的整車模型已經(jīng)通過實(shí)車碰撞試驗(yàn)數(shù)據(jù)修改并驗(yàn)證了其模型的可信度，因此在此基礎(chǔ)上得到的燃料電池轎車整車模型的虛擬試驗(yàn)結(jié)果具有相當(dāng)?shù)挠行院涂尚判浴?/p>

通過分析可得出以下結(jié)論，燃料電池轎車基本上能夠滿足碰撞安全性要求。從正面碰撞模擬結(jié)果分析來看，車門及門框變形不大，碰撞后可以正常打開以及時(shí)救生，滿足國(guó)家法規(guī)要求。在乘員傷害指數(shù)上燃料電池轎車的正面碰撞安全性尚不能完全滿足國(guó)家安全性法規(guī)的要求。3MS胸部合成加速度指標(biāo)和腿部軸向力載荷指標(biāo)已經(jīng)合格，唯有頭部傷害指數(shù)略高于標(biāo)準(zhǔn)，但是考慮到本文在描述乘員約束時(shí)，沒有涉及安全氣囊。眾所周知，安全氣囊對(duì)于減小乘員所受傷害尤其是頭部傷害所起的作用是巨大的，而且在實(shí)車碰撞試驗(yàn)中通常都啟用安全氣囊。因此，如果在今后進(jìn)一步的虛擬碰撞試驗(yàn)中，加人安全氣囊的模型，應(yīng)該能使燃料電池汽車的正面碰撞安全性全面達(dá)標(biāo)。

試驗(yàn)分析也證明，用計(jì)算機(jī)模擬轎車碰撞試驗(yàn)，對(duì)于提高轎車安全性能和開發(fā)新型轎車具有重要的意義。雖然目前轎車有限元模型單元多達(dá)1萬個(gè)以上，而且只能在巨型計(jì)算機(jī)上、運(yùn)行，且計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)，但是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的日益發(fā)展，汽車虛擬試驗(yàn)技術(shù)會(huì)有良好的發(fā)展前景。