一、引言

　　長期以來，轎車安全性能一直是汽車工業界非常關注的課題。用實車碰撞試驗可測定轎車安全性能，但因其需在實物樣機上安裝各種測試設備，進行實地試驗，成本高、時間長，所以探索新的試驗方法一直是汽車工業界所追求的目標。隨著計算機技術的發展和各種應用軟件的出現，人們可以用計算機來模擬轎車碰撞試驗。利用虛擬現實技術設計的汽車虛擬試驗場可逼真地實現試驗過程，通過交互改變汽車設計參數、試驗道路環境，可以驗證設計方案，從而達到縮短設計周期、降低開發成本、提高產品質量的目的。與傳統的實車試驗相比，應用虛擬試驗場具有快速、逼真、可重復性等特點，可無危險、無損壞地進行碰撞、翻傾等極限試驗。這種方法雖然不能完全取代實際的轎車碰撞試驗，但卻使人們能夠根據計算機模擬試驗的結果更好地、更精確地安排實際試驗，以減少試驗次數和時間，降低試驗成本。

　　正面碰撞是汽車碰撞事故中最多、對人體危害最大的碰撞形式，也是國際上許多安全法規中規定的小型客車和轎車的最主要標準試驗。本文選取國產燃料電池轎車“超越二號”為虛擬試驗對象，模擬其正面碰撞，從而預測和評價該車型的被動安全性，對該車型安全設計的改進具有指導作用。由于燃料電池轎車目前仍屬于前‘瞻型產品，其高昂的制造成本決定了暫時無法、進行實車碰撞試驗，而虛擬試驗場由于其無危險、無損壞、可重復性等特點正是非常合適的試驗方法。

　　由于虛擬現實系統需要實時計算，對計算速度要求較高。因此，實現虛擬試驗場景及仿真必須要有相應的軟硬件支持，本試驗采用的操作系統為UNIX（多任務、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軟件對整車模型進行網格劃分，建立了車輛的有限元模型，用PAM-CRASH軟件建立了虛擬試驗場，并模擬了正面碰撞，把分析的數據傳送到虛擬環境中，驅動場景中的車輛使之形象、逼真地實現試驗。

　　二、虛擬試驗對象的建立

　　由于計算技術的局限性，在早期的計算機模擬碰撞試驗中一般只獨立模擬乘員的運動響應或者整車的變形吸能，而很少將兩者結合起來研究。隨著虛擬現實技術的發展，計算機模擬碰撞試驗的能力不斷提高，因此本文要將乘員及約束系統模型導入到“超越二號”燃料電池轎車整車碰撞計算模型中，其中主要包括儀表板、轉向系統、座椅、人體模型以及安全帶等，并將兩者結合起來作為一個整體進行研究，這樣建立的虛擬試驗對象更加符合實際情況，從而得出更可信的結果。

　　（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構，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個單元，其中燃料電池動力系統零部件及其車架、連接件模型單元數量為76082個（圖1）。

 

　　由于研究的是整車的碰撞特性，因而單元劃分原則上采用四邊形單元。但是車身零部件結構形狀非常復雜，僅使用規則的四邊形單元會產生在邊界和結構形狀突變處的單元過于狹小，長寬比過大，所以在定義網格時，允許在局部（非平面處）使用內角大于45°的三角形單元，三角形單元數占單元總數的比值應盡量小，控制在10%左右，否則將會影響計算精度。單元邊長為10~30MM，如果值太小會減小時間步長，增加計算時間，

　　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力系統零件的質量會影響整車質量的分布和轉動慣量，因此需要進行質量的重新分配和局部配重，力求使模型的質量和重心位置與實際相差無幾。根據要求，鈑金件通常使用ST13及ST14號材料，屬于PAM-GENERIS中的103號彈性材料。燃料電池動力系統中，電機為剛體，對于高壓接線盒、低壓接線盒以及電動轉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。這樣可大大節省計算時間，提高計算效率。

　　4．連接的模擬

　　動力系統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焊連接。零部件與車架或梁的螺栓連接其實也可以簡化為桿單元連接焊點的方式，因為螺栓的失效表現為剪切和拉斷，只要定義此處焊點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號自接觸（SELFCONTACT），對于接觸參數的定義，如穿透厚度、懲罰系數、摩擦系數等的定義，則均通過多次模擬結果與試驗數據對比獲得。

　　（二）建立乘員約束系統的有限元模型

 

　　計算、模型中主要定義材料、剛體、爆點、接觸幾項。

　　1．材料（MATERIAL）

　　分別對儀表板、轉向系統零件以及座椅、假人進行材料定義。其中假人材料為PAM-SAFE軟件中自動生成的，儀表板材料定義為脆性材料，轉向系統零件材料為鐵。

　　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（SPOTWELD）

　　根據實際情況，將導入的轉向系統和儀表板與整車連接起來。

　　4．接觸（CONTACTINTERFACE）

　　由于導入了儀表盤、轉向系統以及含約束系統的座椅假人模型，在碰撞過程中，人體由于慣性作用力，會和乘員艙內部件發生二次碰撞，為了能較好地模擬出在碰撞過程中人體運動響應，我們分別以下三類接觸類型的共8對接觸對（CONTACTPAIR）。

　　（1）點對面的接觸

　　在PAM-GENERIS中提供了一種點對面的接觸類型，即1＃接觸。本文將這種接觸運用于上下轉向柱之間，以模擬他們之間的滑動運動副。因為在實際的轉向系統中，兩者在受到沖擊后將產生相對滑動，以減少對乘員的傷害。

　　（2）面對面的接觸

　　面對面的接觸是本文中運用的最多的一種接觸類型，譬如人體與乘員約束系統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，亦同樣會受到擠壓變形，所以還同時定義了一個座椅骨架的自接觸。對于接觸的參數如穿透厚度、懲罰系數、摩擦系數等的定義，則均通過多次模擬結果與試驗數據的對比獲得。

　　帶乘員約束系統的燃料電池轎車整車有限元模型如圖3所示，至此虛擬試驗對象建立完成。

 

　　三、虛擬試驗場的建立

　　根據中華人民共和國國家標準GB/T11551-89關于汽車乘員碰撞保護的規定，當車輛以48KM/H的速度向前行駛，與一個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，前排座位處用座椅安全帶束緊的假人，應滿足下列條件：

　　（1）假人的各部分自始至終都應在車廂內。

　　（2）假人頭部傷害指數（HIC）不得大于1000。

　　（3）當作用時間超過3MS時，假人胸部質心處的合成加速度應不大于60G。

　　（4）假人每條大腿軸向的合力應不大于LOKN。

 

　　作者在PAM-CRASH的前處理模塊GENERIS中依照國家標準定義了重力場、整車初速、垂直車速方向的剛墻等邊界條件。

　　根據法規，整車試驗是車撞剛性壁障。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）對碰撞的影響，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。

　　帶乘員約束系統的“超越二號”燃料電池轎車整車計算模型包括197047個節點，192308個殼單元，3578個體單元，18個桿單元，計算的時間步長為10-4S，碰撞時間為150MS，即直到假人回彈為止。至此虛擬試驗場建立完成。

　　四、虛擬試驗結果分析

　　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。

　　（一）頭部傷害指數日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價頭部損傷的標準，并且被認為是一個能適當區分接觸與非接觸沖擊的標準。

　　我國的相應法規將頭部傷害指數值1000定為正面碰撞過程中人體頭部所能忍受的極限，高于此值將被認為會造成對乘員的傷害。圖5為超越二號燃料電池轎車的HIC值的模擬計算結果：

 

　　在本文中，由模擬計算得出的超越二號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（Α3MS）

　　生理學的研究表明，對于人體胸部的傷害指標是，人體能夠忍受3MS或者更長時間的作用在上胸部（因為心、肺位于上胸腔）重心處的合成線加速度應小于60G,超出這個界限就很可能造成對人體胸腔內臟器的損傷。

　　圖6是超越二號燃料電池轎車的3MS胸部合成加速度指標的模擬計算結果：

 

　　超越二號模擬計算得出的值為54.481G,即533.914M/S+2。和國家安全性法規中人體3MS胸部合成加速度指標值60G相比，超越二號燃料電池轎車的人體3MS胸部合成加速度指標模擬值達到了國家規定標準。

　　（三）腿部軸向力荷載

　　在碰撞過程中由于車內的結構限制，人體的某些部位，主要是腿部會受到很大的軸向力載荷，這種大力載荷會造成如骨折、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傷情指數。

 

　　本文分別對假人的左右大腿骨受力進行了模擬，見圖7和圖8。

　　國際法規和我國的法規均規定在48KM/H正面碰撞中“假人每條大腿軸向的合力應不大于10000N”。模擬的結果表明，超越二號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，完全符合法規要求。

　　（四）碰撞動畫截圖

　　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、速度、加速度等。下圖即為在碰撞過程不同時刻轎車模型的變形：

 

　　由碰撞動畫截圖發現車身框架的變形并不大，因此可以推測碰撞發生后車門仍能正常打開，滿足法規要求。

　　在我國的國家標準GB11551-89中，對人體造成傷害的評價指標是頭部傷害指數、3MS胸部合成加速度指標和腿部軸向力載荷指標3個，并且作了相應的規定。超越二號的假人傷情指數見表1。

 

　　五、結語

　　由于超越二號燃料電池轎車是在國產桑塔納3000轎車的基礎上改裝而成的，而該型車的整車模型已經通過實車碰撞試驗數據修改并驗證了其模型的可信度，因此在此基礎上得到的燃料電池轎車整車模型的虛擬試驗結果具有相當的有效性和可信性。

　　通過分析可得出以下結論，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救生，滿足國家法規要求。在乘員傷害指數上燃料電池轎車的正面碰撞安全性尚不能完全滿足國家安全性法規的要求。3MS胸部合成加速度指標和腿部軸向力載荷指標已經合格，唯有頭部傷害指數略高于標準，但是考慮到本文在描述乘員約束時，沒有涉及安全氣囊。眾所周知，安全氣囊對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，而且在實車碰撞試驗中通常都啟用安全氣囊。因此，如果在今后進一步的虛擬碰撞試驗中，加人安全氣囊的模型，應該能使燃料電池汽車的正面碰撞安全性全面達標。

　　試驗分析也證明，用計算機模擬轎車碰撞試驗，對于提高轎車安全性能和開發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1萬個以上，而且只能在巨型計算機上、運行，且計算時間較長，但是隨著計算機技術的日益發展，汽車虛擬試驗技術會有良好的發展前景。