汽车被动安全研究新动向——计算机仿真研究

 

 
 
 
 
1.汽车被动安全性的研究方法
汽车被动安全性的研究较早是通过上述的试验方法进行的。不论是模拟碰撞试验(滑车冲击试验)还是实车碰撞试验，都要涉及到试验数据的采集与处理。通常采用的数据采集系统为电测量和光测量相结合的系统。试验中要用到大量的传感器和数台高速摄像机，这些数据采集系统以及试验中采用的假人在试验前都要进行严格的标定，因此其试验准备工作十分费时；被动安全性试验，特别是整车试验是破坏性试验，其试验费用十分昂贵；并且，由于试验中一些随机因素的影响，使试验结果往往不够稳定，可重复性差。
随着计算机技术在计算速度、内存容量以及图形功能等方面的发展，以及有限元和多体系统动力学建模方法的发展，使得采用计算机仿真方法来进行汽车被动安全性研究成为可能。计算机仿真研究具有以下优越性：
(1)所需周期短。计算机仿真与CAD／CAM相结合，使得新产品的被动安全性能在产品的开发过程中就可以得到控制，减少产品的开发研制周期。
(2)所需费用低。由于不需大量传感器、高速摄像机、强光源、动力驱动装置等硬件设备，同时在进行整车被动安全性仿真时，不需要进行破坏性试验，因此可以节约大量的人力和物力。




(3)具有可重复性。由于试验过程受很多随机因素的影响，因此在研究不同的系统参数对安全性能的影响时，不易得到明确的结果，而计算机仿真依赖于计算机硬件本身，所以，当改变某一参数时，可以很容易地得到该参数对系统性能的影响。
(4)可以获得任意所需数据。试验中要获得较多的数据，就必须增加传感器和高速摄像机的数量，而且，由于传感器的安装位置要求以及不可摄像点的存在，有些数据是不可获得的。而计算机仿真在数据获得方面是不受限制的，只要在所关心的点上建立一个描述坐标即可。
(5)不受时间、空间、气候等条件的限制，可以随时进行。
需要指出的是，并不是说计算机仿真可以完全脱离试验和完全代替试验。这是因为计算机仿真方法中所建立的汽车整车或人体模型，本身有很多局限性，不可能完全反映真实的碰撞过程，因此，计算机仿真结果的正确与否最终需要试验来验证；同时，由于计算机性能和模拟方法的限制，特别是在进行车身结构的抗撞性研究方面，计算机仿真的周期也是很长的。随着计算机仿真技术的发展，特别是并行计算机技术和建模理论的发展，计算机仿真方法会越来越广泛地应用于被动安全性的研究中。尽管计算机碰撞仿真不能完全取代昂贵的碰撞试验，但在产品开发中，可以使样车试制、碰撞试验的次数减少到限度，从而节省开发费用、缩短开发周期。随着计算机碰撞仿真技术可靠性的不断提高，预计计算机碰撞仿真将来能部分地替代汽车碰撞试验。
2.计算机仿真研究
20世纪60年代中期国外就开始了计算机碰撞仿真技术的研究工作。尤其在最近20年来，计算机碰撞仿真技术发展十分迅速。这一方面是由于计算机软、硬件技术的发展，使计算机性能提高，应用日益普及；另一方面，汽车市场的激烈竞争，要求提高新车型开发的成功率，降低开发费用，缩短开发周期，为了适应需求，在汽车产品开发中必须采用先进的计算机辅助手段。进入20世纪80年代，在市场需求的激励下，有很多碰撞仿真的商业化软件包，有名的有美国LSTC公司的LS-DYNA、法国ESI公司的PAM-CRASH及PAM-SAFE、荷兰TNO开发的MADYMD等。这些功能强大的软件包使碰撞仿真不再只是算法本身的学术研究，在安全车身开发，碰撞试验用标准假人开发等工作中发挥了很大的作用。
在汽车碰撞模拟方面，主要有下列四类模型：
(1)模拟汽车事故的模型。
(2)模拟碰撞中结构大变形的模型。
(3)模拟人体整体动力学响应的模型。
(4)模拟人体局部结构的生物力学模型。


用于上述四类模型的建模方法可以分为：集总参数模型、多体系统模型和有限元模型。
集总参数模型将系统简化成质量、弹簧、阻尼器等力学元件，这类简单模型多用于预测交通事故中汽车的运动，在事故再现研究中大量使用。这种模型也可以用于建立正面碰撞中汽车结构的简单模型，用于新车概念设计阶段及参数辨识、性能优化等工作。
多体系统模型适合于人体动力学响应的模拟。在汽车碰撞中也称为碰撞受害者模拟。
有限元方法的优点在于能真实地描述结构变形，适用于建立汽车结构模型及人体结构的生物力学分析模型。瞬态有限元的直接积分有隐式算法和显式算法两类。现在碰撞仿真的有限元软件都使用显式算法。
计算机碰撞仿真的工程应用包括：(1)碰撞中人体伤害及评价标准的研究；(2)碰撞试验方法的研究；(3)汽车产品开发中的应用。汽车被动安全性是通过政府强制执行法规而不断提高的，汽车碰撞计算机仿真的工程应用与汽车安全法规的制订密切相关。20世纪80年代，欧美国家主要开展正面碰撞模拟。近几年随着侧面碰撞法规的制定、颁布及欧、美侧面碰撞法规协调等工作的开展，碰撞仿真应用转向了对侧面碰撞的仿真上。汽车碰撞过程数字仿真方法如本书4.2.3中内容。
我国对汽车被动安全性进行系统研究始于20世纪80年代后期，虽起步较晚，但已建成了几个台车碰撞和实车碰撞试验系统，初步具备了汽车被动安全性的试验研究条件；并且已对安全带等汽车乘员保护装置、汽车车身结构抗撞性等进行了计算机仿真研究。http://www.dgzhenghang.cn