汽车碰撞模拟分析流程

ANSYS

汽车碰撞分析流程

Flow Chart of Auto Impact Analysis

Prepared By 史志远

Date: Nov.1, 2004

汽车碰撞模拟分析流程

一、碰撞安全性试验介绍：

在汽车模拟分析的过程中，提高汽车碰撞安全性的目的是在汽车发生碰撞时确保乘员生存空间、缓和冲击、防止发生火灾等等。但是从碰撞事故分析中可知，汽车碰撞事故的形态也千差万别，所以对汽车碰撞安全性能的评价也必须针对不同的碰撞形态来进行。按事故统计结果，汽车碰撞事故主要可分为正面碰撞、侧面碰撞、追尾碰撞和翻车等几种类型。但随着公路条件的改善，正面碰撞和侧面碰撞形态成了交通事故中最常见的碰撞形式。

按照碰撞试验的目的区分，现在碰撞试验大体可以分为三类： 1)

由政府法规要求的强制性试验：例如FMVSS208、ECE R94法规规定的正面碰撞试验，FMVSS214、ECE R95法规规定的侧面碰撞试验等等； 2)

由汽车制造厂自己制定的碰撞试验方法：例如用于提出改善汽车碰撞安全性的新措施等等； 3)

为消费者提供信息的试验：例如美国、欧洲等国家实施的新车评价程序（NCAP ）, 汽车安全法规中规定了达到政府规定的最低安全性能要求，NCAP 以更高的车速进行正面碰撞试验，以展示汽车产品的碰撞安全性能。

由于法规试验是政府强制实施的，所以，汽车碰撞试验法规是人们关注的热点。下表列出了一些美国FMVSS, 欧洲ECE 的汽车被动安全性法规的试验项目。

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二、人体伤害评价指标：

在碰撞试验或碰撞模拟分析的过程中，都使用了标准的碰撞试验假人，通过测量假人的响应计算出伤害的指标，用于定量的评价整车及安全部件的保护效能。 1) Hybrid III假人家族的伤害评价基准值：

下表列出了正面碰撞试验用的Hybrid III假人家族的伤害评价基准值。Hybrid III第50百分位男性假人是目前生物保真性最好的正面碰撞试验假人，另外，为了评价汽车对不同身材乘员的安全保护性能，按比例方法开发了第95百分位男性的大身材假人和第5百分位女性的小身材假人。

2) 侧面碰撞假人的伤害评价基准值：

下表所示为目前使用的用于侧面碰撞用的假人SID, EuroSID-1的伤害评价基准值：

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3) 伤害评价指标的计算

a ． 头部伤害指标HIC (Head Injury Criterion)

定量地评价头部碰撞忍受能力地基础是Wanyne State耐力曲线WSTC, Versace对WSTC 进行了进一步地研究，提出了新地头部伤害指标HIC ：

12. 5

[(HIC =m a x adt ) (t 2-t 1) ⎰t 2-t 1t 1

t 2

] (1)

式中： a － 头部质心点地合成加速度，g ； t1, t2 － 碰撞过程中地任意两个时刻，s ；

通常把最大地积分区间取为36ms, 即要求t2-t1

胸骨的挤压量指标不能很好地反应较高速度碰撞造成地伤害地可能性，对于更高地速度冲击，挤压变形速度对伤害显得更重要。

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粘性指标VC 是变形速度V(t) 和相对挤压变形量C(t)的乘积。VC 的单位与速度单位相同，为m/s，试验表明，造成严重伤害的概率为25％时的忍受水平VCmax ＝ 1m/s。 c ． 胸部伤害指数TTI (Thoracic Trauma Index)

TTI 是用于胸部侧面碰撞时伤害评价的指标，计算TTI 所用的加速度值是从第12根肋骨上得到的，对胸部伤害相关系数较大的是侧面加速度峰值，当然，还要考虑人体的质量和年龄。

TTI = 1.4 * AGE + 0.5 * (RIBY + T12Y) * MASS/Mstd (2)

式中： TTI － 胸部伤害指数， g ； AGE － 人体的年龄，岁；

RIBY － 第4、8根肋骨的侧面加速度峰值，g ； T12Y － 第12肋骨处的侧面加速度峰值，g ； MASS － 人体的质量，kg ；

Mstd － 标准人体的质量， Mstd ＝ 75 kg。 对于50％的假人，TTI 可简化为：

TTI = 0.5 * (RIBY + T12Y) (3) 三、汽车碰撞分析的软件介绍：

前后处理软件： eta/VPG3.0

简介：VPG 软件是ETA 在对各大汽车厂商（如FORD 、GM 、DAIMLER-CHRYSLER 、KIA 等）近20年合作的工程咨询和技术服务过程中，积累了丰富的汽车业CAE 技术服务经验而开发出的整车仿真软件。eta/VPG3.0 分为三个模块： VPG/PrePost: 前后处理器模块：

前处理包括：支持多种CAD 数据格式，强大的网格自动划分功能，焊点的生成，100％支持LS-DYNA 的关键字，支持多种CAE 数据格式等等；

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图1. eta/VPG3.0 前处理界面

后处理包括：云纹图的动画显示 (显示应力，应变，变形等) ，强大的GRAPH 功能等等； (X-Y曲线表示能量，力，位移，加速度，速度的变化历程等) VPG/Structure: 结构模块：

它是耐久性分析的环境，它包括：悬挂模块 (Suspension), 轮胎模型 (Tire) 和路面库 (Road) ；

1) VPG/Structure 中 Road 库的类型有：

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图2. Road库中的路面类型

图3. Road库中的路面类型

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2) VPG/Structure中的悬挂模型有：

图4. 前后悬挂的类型

图5. MACPHERSON A-ARM悬挂示意图

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3) VPG/Structure的轮胎模型：

图6. VPG 轮胎示意图

VPG/Safety: 安全模块：

它能帮助我们方便进行碰撞与安全性分析。它包括：美国和欧洲的各种碰撞法规，各种碰撞工具如运动壁障小车、头部模型以及摆锤模型等，还有家人模型，安全带模型等等。 1) VPG/Safety包括的碰撞法规有：

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图7. VPG/Safety的碰撞法规

2) VPG3.0的假人模型有：

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图8. VPG/Safety的假人模型

图9. VPG/Safety的假人模型示意图

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3) VPG3.0的运动壁障小车：

图10. VPG/Safety的运动壁障模型示意图

计算软件：LS-DYNA (version 970-PC)

简介：LS-DYNA 是一个通用非线性瞬态动力分析有限元软件，特别适合求解各种二维、三维非线性结构的高速碰撞、爆炸和金属成型等非线性动力冲击问题，其分布存储显式并行求解器提供了最快的计算速度，可运行在Ｕnix, Linux 和 Windows Clusters环境下。

LS-DYNA 还拥有更多的分析功能，包括：热耦合分析，流体动力学，流体-结构交互作用、光顺质点流体动力 (SPH) 、无网格分析 (EFG) 等。

LS-DYNA 可以解决高速碰撞、复杂的金属成型等问题，可以无缝地解决多物理场、多相位、多工况等方面的问题；它作为通用的多物理仿真软件，用户可以通过各种功能的组合将其运用到许多领域的分析。

LS-DYNA 可以运用在：汽车碰撞及乘员安全性分析；爆炸、穿甲分析；发动机的包容性分析；板材冲压成型模拟。

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四、汽车碰撞模拟分析的一般流程：

由于用实际的车来做碰撞分析（特别在设计开发阶段）一方面价格周期比较长，另外一个方面价格比较昂贵，所以，大量的碰撞模拟试验都在计算机上完成。而且，随着计算机技术的飞速发展，使这种分析模拟工作不但成为可能，而且越来越方便，越来越在设计开发过程中占有主导地位。下面就以侧面碰撞分析（正面碰撞也相类似）为例，来阐述如何在计算机上模拟整车的前碰撞分析的过程和方法并能够验证eta/VPG软件(含求解器Ls-dyna) 在使用过程中的性能。

1) 将车模型的CAD 数据导入VPG3.0：(Import)

在VPG 前处理中，有多种CAD 数据类型的接口，包括：UG ，CATIA ，IGES ，PRO-E ，STEP 等等，如图所示。VPG3.0 可以直接将这些类型的数据读进来。

图11. VPG3.0与CAD 数据的接口

2) 用网格的自动划分功能划分网格：(Auto-Mesh)

在VPG3.0中有一个强大的网格自动划分功能：即TOPOLOGY MESH功能。利用次功能可以将读入的CAD 模型数据划分成网格，在划分的过程中，可以同时选取整个模型的面来划分，也可以对单个面逐一划分，这样划分出来的网格质量比较好，看起来也很光滑。设置的参数如下：

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图12. TOPOLOGY MESH 参数设置

在表中你可以设置这样一些参数：单元网格的大小(ELEMENT SIZE), ，忽略孔的大小(IGNORE HOLE SIZE)，面与面的间隙(SURFACE BDY GAP)，还有一些控制网格质量的参数，如翘曲度(WARPAGE),，锥度(TAPER)，单元的长宽比值(ASPECT RATIO) 等等。一般我们选用的网格的大小为10mm 左右， 其他参数都可以选用默认值。如果整车模型的单元大小一样的话，那么整车模型的单元数就会比较多，因此，为了减少模型的大小，在碰撞分析不是很重要的地方，相应的网格尺寸可以取大一些，例如，如果是该模型已经确认好了要用于模拟前碰撞分析，那么对于车的前部的网格要求质量比较高，网格的大小也可以小一点，而车后部的网格可以划得粗略一些，网格的大小也可以相应的大一些；如果该模型已经确认好了要上海市长宁路1027号兆丰广场1803室 电话: 86-2152410707 传真: 86-21-52415351 www.ansys.com.cn

用于模拟侧碰撞分析，那么运动壁障车所要碰撞的那一侧边门网格要密一些，结构也要齐全一些，而对于它的对立面，网格尺寸可以大一些，甚至侧边门可以不画，用质量块单元来代替，所以，这是要视具体情况而定。

3) 网格质量检查 (Model Check)

在网格进行自动划分以后，需要对自动划分的网格进行质量检查。其实，每个公司或者每个人对网格质量的认识有所不同，因此，不同的人就可能会有不同的网格质量标准，而ETA 在多年的项目工程分析过程中也形成了一套自己的标准，对于VPG3.0里各项检查功能来讲，将ETA 自己的网格质量的标准设置成默认值，用户按照这个网格质量标准检查完的模型，在计算分析完所得到的结果也就比较可靠。具体的检查项目如图所示：

图13. 模型检查功能

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在对网格质量进行检查的过程中，如果存在网格质量不好的单元，可以用VPG3.0网格的自动修复功能(AUTO REPAIR功能) 对其进行网格的自动修复，或者手工进行修改。自动网格划分的结果如下图所示：

图14. 车身的有限元网格示意图

4) 创建焊点（Spotweld ）及质量块单元（Trim Mass）

在创建有限元模型的时候，建立焊点是一项重要的工作，在VPG3.0中多种连接方式可以提供给用户。一般情况下，在LS-DYNA 中，可以定义成*CONSTRAINED_NODAL_RIGID _BODY，也可以定义成*CONSTRAINED_SPOTWELD。在本模型中，一共产生了2000多个焊点，定义的方式是*CONSTRAINED_SPOTWELD。

有限元模型中，质量块单元代表的是一些非结构质量，它是由于一些结构在创建有限元模型的时候被忽略了，例如电池，备用胎，仪表盘上的部件等等，但是在分析模拟的时候，如果这些部件完全不考虑的话，那么对整车模型的质量就会有影响，所以，我们就用一些质量块单元来代替这些被忽略部件的作用。在创建的时候，质量块单元的位置取在被忽略部件的质心，它有两种连接方式，一种是直接连接在节点上，另一种是当质心离连接点比较远的上海市长宁路1027号兆丰广场1803室 电话: 86-2152410707 传真: 86-21-52415351 www.ansys.com.cn

时候通过刚性连接来连接。焊点和质量块如下图所示。

图15. 焊点与质量块单元示意图

5) 创建悬挂 (Suspension)

悬挂的产生：

对于汽车的悬挂模型，如果用户有该悬挂的CAD 模型，则可以按照前面所说的方法：可以将该CAD 模型导入到VPG3.0中，然后利用网格自动划分功能对其进行网格划分来得到汽车悬挂的有限元模型，这里产生的悬挂是有二维或三维单元组成的。

但对VPG3.0来讲，还有另外一种方法，那就是在VPG/Structure 模块中，它包含有自动产生悬挂的功能，我们可以利用这个功能来产生悬挂的。在VPG 中的Suspension 菜单下，它有两种前悬挂和八种后悬挂，用户可以根据汽车的悬挂来选择一种悬挂类型, 产生的过程中界面比较友好，用户可以自己修改悬挂的几何参数以及弹簧的刚度，阻尼系数等等参数。用户也可以在该悬挂基础上继续进行修改，直到与汽车的真实悬挂一致，这里产生的悬挂都是有一维单元组成的。如果通过VPG3.0自动产生的悬挂需要进行几何位置上的调整，才能让悬挂和车身处于适当的位置，以便于悬挂和车身的连接。

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● 悬挂与车身的连接：

在悬挂与车身之间有多处需要连接，调节后的悬挂与周围部件的连接关系如下图所示。

图16. 焊点与质量块单元示意图

6) 创建轮胎(Tire):

在VPG/Structure 模块中，包含有自动产生轮胎的功能，因此，在这个模型中，我们就是利用这个功能来产生轮胎的。

● 轮胎的产生：

用VPG30来产生轮胎的过程中，需要定义一些参数，如下图所示。

(a). 定义轮胎压力：VPG 产生的轮胎它是可变形的轮胎，不是刚性的轮胎，而且在VPG 轮胎中带有安全气囊的，因此，在定义轮胎时需要定义轮胎的胎压。

(b). 定义轮胎的几何参数：对于轮胎的几何参数，都可以用VPG 提供的默认值，用默认值的好处是：这样产生的轮胎和实际一个这样的轮胎的刚度比较接近，不需要用户自己去调上海市长宁路1027号兆丰广场1803室 电话: 86-2152410707 传真: 86-21-52415351 www.ansys.com.cn

节轮胎的刚度。

(c). 定轮胎的重量和同时产生轮胎的个数；

(d). 轮胎的材料和特性：在轮胎产生的同时，VPG 会给轮胎的各个部位赋予材料与厚度，材料包括橡胶材料，刚性材料，弹性材料等等。

图17. 产生轮胎时参数的设置

轮胎与悬挂的连接：

VPG 中，轮胎和车轴之间可以定义成旋转的，它可以用一种铰接来定义。连接用的铰接以及轮胎和悬挂的连接如下图所示。

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图18. 轮胎和车轴之间的连接方式

图19. 轮胎和车轴之间的连接示意图

7) 在VPG3.0前处理中定义车身材料、单元特性以及接触：

在VPG3.0前处理中，对于LS-DYNA 的各种卡片是100％支持的，因此，如果用户需要定义任何卡片，都可以直接通过VPG3.0的前处理功能完成，这对于用户是很方便的。

对于悬挂和轮胎，如果是用VPG3.0自动产生的，则这部分单元的材料以及单元特性在自动产生的过程中VPG 也相应的创建并且也赋给了这些部件，只需对车身上的材料和单元特性需要到VPG3.0的前处理中去赋值。如果悬挂和轮胎也是通过用户自己划分网格产生的，上海市长宁路1027号兆丰广场1803室 电话: 86-2152410707 传真: 86-21-52415351 www.ansys.com.cn

则这部分单元的材料和单元特性也需要定义。

● 定义车身的材料：

在LS-DYNA 中，关于材料的卡片就有近200种之多，用户可以在VPG 中选取材料种类，然后再定义材料参数，材料类型有：

图20. VPG3.0 中的材料列表

在汽车模型有限元中，并不是所有的材料模型都能用到，对于车身上柔性体定义的大多数是弹塑性材料(LS-DYNA中对应的是24号材料), 只是对于不同的部件它的强度有可能不一样，也就是材料的应力应变曲线以及屈服应力不一样; 对于刚体定义的材料是刚性材料(LS-DYNA中对应的是20号材料) 。另外，在整车模型中，可能还有塑料材料、泡沫材料，玻璃材料，橡胶材料等，对于不同的材料在VPG 中选择不同的材料模型以及定义不同的材料参数。

● 定义整车的单元特性:

在VPG3.0前处理中，不同的单元类型需要定义不同的单元特性，有一维单元，二维单元，三维单元等等，如图所示。

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图21. VPG3.0 中的单元特性列表

在汽车有限元模型中, 大多数的单元类型都是壳单元, 因此在定义壳单元特性时选用的LS-DYNA 卡片都是*SECTION_SHELL, 壳单元的积分方式都选用LS-DYNA 的默认值(Belytschko-Tsay), 而单元在厚度方向上的积分点个数一般取为2; 对于三维立体单元的特性选用*SECTION_SOLID， 对于一维梁单元的特性选用*SECTION_BEAM。

定义接触:

接触算法是LS-DYNA 中一个很重要的内容，对于模拟汽车的碰撞分析，接触算法是必不可少，因此，正确定义汽车各部件的接触就显得尤为重要。定义接触时，一方面选择正确的接触类型，另一方面还要确定会发生接触的各个部件，即主面和从面。主面和从面的定义可以有多种形式，可以是节点集，或单元集，或部件集等等，用户要根据接触类型以及定义的方便来选择主面和从面的定义方式。在定义接触时还要确定接触部件之间的静态和动态摩擦系数也很重要。下图所示的是3-dimension 的接触类型。

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图22. VPG3.0 中的接触类型列表

8) 利用VPG/Safety模块创建欧洲的侧碰撞分析模型（ECE R95）

一般在国内，要求做的汽车碰撞分析是前碰撞，汽车厂商自己可能会做的分析是侧碰撞分析，中国的碰撞法规可能参照更多的是欧洲的碰撞法规。对于前碰撞法规欧洲有ECE R94, 美国有FMVSS 208; 对于侧碰撞法规欧洲有ECE R95, 美国有FMVSS 214。这两种法规大同小异，它们的要求与试验内容之间的比较如下表所示。

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表四 ECE94 与FMVSS208法规的比较

表五 ECE95 与FMVSS214法规的比较

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从上表可以看出，欧洲ECE R95的试验内容是：在车内需要有一个欧洲侧碰撞假人，移动壁障是可变形的，移动壁中心线与汽车中心线垂直，碰撞时运动壁障的速度为50km/h，而且，对于移动壁障车的质量也有要求，要求移动壁障车的质量大小为950KG 。

在创建侧碰撞分析模型过程中，可以利用过程引导的方法（Process Guidance）一步一步（Step by step）创建ECE R95模型是非常简单的。

在创建ECE R95模型时，首先要确定两个参数：一是要确定运动壁障的位置，另外一个是由于ECE R95需要有一个欧洲侧碰撞假人，因此需要确定假人摆放的位置（H-Point ）。对于法规中的运动壁障车的要求，在VPG3.0 中都设置成了默认值。创建的方法如下： a). 将用户自己创建的整车模型导入到VPG3.0中；

b). 然后选择菜单/Safety/CrashWorthiness/ECE 95 EURO SIDE IMPACT;

c). 定义侧碰撞的信息，包括运动壁障车的位置和车速；如下图。

图23. 定义侧碰撞信息

d). 在汽车侧边上选择一个测量运动壁障车与汽车间距为20mm 的点；

e). 如果选择要用法规中的默认假人的话（欧洲侧碰撞假人），则需要定义假人的摆放位置，即H-Point ；

f). 定义假人与汽车之间和汽车与运动壁障车之间的接触；

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g). 定义一些控制卡，碰撞的结束时间以及一些以便于分析结果文件；

创建完的ECE R95侧碰撞分析模型如下图。

图24. ECE R95侧碰撞分析有限元模型

9) 计算与结果：

在提交分析之前，根据用户自己想要得到的分析结果，可以定义一些数据结果文件，以便在后处理中进行分析。创建好了前碰撞分析有限元模型以后，就可以交由LS-DYNA 进行分析，在该模型中，定义的碰撞结束时间是90ms 。分析所得到的结果可以用VPG/PrePost 来处理，得到的结果分析如下：

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1．汽车侧碰撞分析变形结果图：

t = 0.0 ms t = 15 ms

t = 30 ms t = 45 ms

t = 60 ms t = 75 ms

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t = 90 ms

图25. ECE R95侧碰撞分析变形结果示意图

2．汽车侧边门上某点在Y 方向上的位移变化示意图：

图26. 汽车边门上某点在Y 方向上的位移变化示意图

3．用户可以根据ECE R95法规的要求，得到一些其他的数据，例如可以输出欧洲侧碰撞假

人头颅质心位置点的加速度曲线，然后根据加速度曲线可以计算脑部损伤值HIC 等等。

10) 总结

除了本文列举的侧碰撞分析外，还有正碰撞分析。正碰撞分析的方法和本文的侧碰撞分上海市长宁路1027号兆丰广场1803室 电话: 86-2152410707 传真: 86-21-52415351 www.ansys.com.cn

析方法雷同。我们认为，不管做哪一种的碰撞分析，要使碰撞分析得到的结果比较可靠，需要注意以下一些环节：

1. 需要提供一个整车车身的CAD 模型，要注意车模型的完整性，有的时候最好能够提供

悬挂的CAD 模型；

2. 在创建有限元模型的时候，对于板与板之间的间隙要合适，需要避免模型中存在初始

穿透；

3. 在划分网格的时候，要注意网格的质量，不要有很多尺寸很小的网格，如果存在这种

尺寸很小的单元，可能会导致计算的时间比较长；

4. 要得到好的结果，材料的定义很重要，所以需要有整车的材料列表，包括材料的密度，

材料的弹性模量，材料的屈服极限以及材料的应力应变曲线等等；

5. 需要知道整车各覆盖件的厚度；

6. 需要知道整车的质量和质心的位置以及各个部件的质量与质心的位置；

7. 假如在模型中需要考虑发动机的作用，一般都是把发动机模拟成刚性的，因此，需要

知道发动机的质量，惯性矩以及质心的位置；

8. 在创建各种DYNA 卡片的时候，要注意输入数据单位的统一；

9. 对于悬挂系统，需要有弹簧的刚度和阻尼的系数，这些参数可以是一个常数，也可以

是力和位移关系曲线；

10. 对于悬挂系统，需要知道悬挂和车身的连接方式，如是铰接还是固接等等；

11. 对于轮胎模型，如果不是用默认的方式而是用自己定义的参数来创建轮胎的时候，就

需要轮胎的刚度实验结果数据，这样可以用VPG 来调整VPG 所创建的轮胎的刚度，以便和实验结果相符；

12. 如果碰撞模型中需要考虑假人的存在，那就需要确定假人的安放位置，如果假人身上

还存在安全带的划，那还需要确定安全带的连接位置等等。

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13. 接触的定义比较重要，而且要避免接触的重复定义； 上海市长宁路1027号兆丰广场1803室

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