Ansys整车碰撞及人体防护白皮书

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概述

根据世界卫生组织发布的《2018 年全球道路安全现状报告》中统计，全球每年约有 135 万人在道路交通事故中丧生，相当于每 24 秒就有 1 人因交通事故失去生命，另外还有 2000 万至 5000 万人受到非致命伤害，道路交通伤害已经成为全球第八大死因。

近年来，中国驾驶人数量、机动车保有量、道路里程持续增长，道路交通出行的体量巨大，从“硬件”来看，中国已进入汽车社会，成为交通大国。在我国，道路交通事故问题同样严峻。根据《中华人民共和国道路交通事故统计年报》统计，2017~2020年我国交通事故年均发生23.51万次，年均死亡人数达到 6.29 万人，另有 24.38 万人受到非致命伤害。另外，儿童道路交通伤害已经成为我国 1~14 岁儿童第二大伤害死因，15~19 岁青少年第一大伤害死因。

汽车的碰撞安全性能一直是汽车厂商、消费者和政府部门高度重视的问题。各个国家和地区的汽车上市销售之前，均需要满足当地的汽车碰撞安全性能测试法规。除此之外，各个地区的新车评价规程（NCAP）和保险协会制定的测试规程对于汽车的碰撞安全性能有着更严格的评价指标。汽车的的碰撞安全性能不仅直接关系到交通参与者的安全，对于汽车厂商的口碑和消费者购买意愿也会产生较大的影响。因此，汽车的碰撞安全性能开发已是汽车设计开发流程中不可或缺的关键环节。

碰撞安全法规与评价规程

由于汽车事故造成的巨大损失，世界各发达国家都对汽车碰撞安全性做出了强制性要求并建立了各自的法规。在所有市场，所销售车辆必须通过当地的法规认证才能够进行上牌，安全就会是其中一项必须满足的最低安全标准。

目前在全球的汽车碰撞安全标准法规发面，主要分为四大体系:欧洲、日本、美国和中国。总的来说，四大体系主要考核汽车正面碰撞、侧面碰撞和尾部碰撞，根据实际情况碰撞试验工况略微有些区别。除了规定车辆对于车内乘员的保护性能以外，对于车外行人的保护也有相应要求。具体工况如下面图1 和图 2 中所示。

世界各国家与地区碰撞安全法规概述

世界各国家与地区碰撞安全法规工况图

实际上，大多数消费者所熟悉的不是这些法规标准，而是表示碰撞安全程度的星级指标，也就是 NCAP的碰撞测试评级。NCAP（New CarAssessment Program，新车评价规程）是一个行业性组织，最早出现在美国，现以欧洲的最具影响力。该组织定期的将市场上出现的新车进行碰撞测试，它规定的实车碰撞的工况往往比以上政府制定的测试工况更为严苛，在更严重的环境下评价车内乘员和车外行人的伤害程度，得到了世界众多汽车生产企业和消费者的认同。中国汽车技术研究中心于2006年3月2日正式发布的首版中国新车评价规程(C-NCAP)。C-NCAP 以更严格、更全面的要求，对车辆进行全方位安全性能测试，包括乘员保护、行人保护、主动安全等，从而给予消费者更加系统、客观的车辆安全信息，促进汽车企业不断提升整车安全性能。中国新车评价规程每三年进行一次规程改版，先后完成6 个版本的制修订，已与全球 NCAP 体系全面接轨，最新版本为 2021 版。

世界各国家与地区新车评价规程（NCAP）概述

除了消费者，保险业也十分关心车辆的安全性能，因为其大量的保单产生在汽车领域，所以他们有对汽车安全指数评估的需求。在美国、德国等汽车发达国家，车型安全系数已作为车险中车型定价的重要因子。美国公路安全保险协会（Insurance Institute for Highway Safety，简称 IIHS）设立的碰撞安全测试标准是世界安全标准的重要组成部分。

在借鉴国际成熟经验（IIHS）的基础上，结合中国汽车保险与车辆安全技术现状，中国汽车工程研究院与中保研汽车技术研究院共同成立碰撞机构推出中国保险汽车安全指数（CIASI），并于 2018 年发布第一批车型的测评结果。

C-IASI 25%偏置碰撞测试

Ansys LS-DYNA：汽车碰撞安全仿真行业标杆

汽车的碰撞安全性能最终需要经过实车试验来检验，但实车试验不仅成本高昂，而且需要在车辆试制阶段才能开始进行，基于试验结果进行方案修改的成本和周期较长。通过 CAE 仿真方案，可以在设计阶段进行性能虚拟测试，快速且低成本的进行设计方案迭代，得到性能和成本最优方案，加快研发周期，降低研发和生产成本。

LS-DYNA 作为世界上最著名的通用非线性有限元分析程序，是公认的显式有限元程序的鼻祖和理论先导，适合求解各种结构的跌落、碰撞、冲击、爆破以及金属成型等高度非线性瞬态动力学问题。LS-DYNA 能在全合的数学框架中仿真车辆结构以及轮胎、座椅、安全带气囊、加速计、传感器、电池等所有部件的行为，能准确预测车辆行为以及汽车碰撞对乘员产生的影响。正因为如此，LS-DYNA 被汽车行业广泛的采用，成为汽车碰撞领域的黄金标准解决方案，为用户提供车身耐撞性和强度、乘员保护、约束系统、行人保护以及整车电安全的全方位解决方案，包括但不限于：

◼ 车身耐撞性和强度

‐ 碰撞分析

‐ 顶盖静压分析

‐ 安全带固定点强度

‐ ISOFIX 强度

‐ 车门强度

‐ 车顶抗凹

◼ 乘员保护与约束系统

‐ 安全带、滑环、卷收器、预紧器单元

‐ 多种气囊展开方法（CV/ALE/CPM）

‐ OOP 离位气囊展开

‐ 座椅鞭打

‐ 儿童座椅

‐ 内饰碰撞

‐ 转向机构

‐ 车内显示屏

‐ 行李箱撞击

◼ 行人保护

‐ 行人保护头部碰撞

‐ 行人保护腿部碰撞

‐ 行人安全气囊

‐ 主动机盖

◼ 整车电安全

‐ 跌落分析

‐ 机械冲击分析

‐ 针刺、挤压

‐ 内部/外部短路

ANSYS LST 为 LS-DYNA 用户开发碰撞假人、冲击器、壁障以及轮胎有限元模型，帮助客户降低开发成本。模型均经过试验对标验证，包括：

◼ 壁障模型

‐ ODB 壁障

‐ OMDB 壁障

‐ MPDB 壁障

‐ FMVSS 214 MDB 壁障

‐ ECE R_95 MDB 壁障

‐ AE-MDB 壁障

‐ IIHS MDB 壁障

‐ RCAR 保险杠壁障

‐ FMVSS 301 MCB 壁障

◼ 假人模型

‐ HYBRID III 50th Percentile

‐ HYBRID III 5th Percentile

‐ HYBRID III 95th Percentile

‐ WorldSID 50th Percentile

‐ SID-IIs 5th Percentile

‐ ES-2 50th Percentile

‐ ES-2re 50th Percentile

‐ USSID

‐ HYBRID III 6-year-old

‐ Rigid Hybrid II Outer Shape for ECE-R29

◼ 冲击器模型

‐ Free Motion Headform (FMH)

‐ Pedestrian Headform Adult

‐ Pedestrian Headfrom Child

‐ Pedestrian Legforms

◼ 轮胎模型

‐ P155_65_R14, P234_45_R19, P235_55_R19

‐ P235_65_R17, P245_50_R20, P245_75_R17

‐ P255_70_R18, P275_65_R18, P305_35_R20

LS-DYNA 在全球范围内拥有非常广泛的用户群体，涵盖汽车、航空航天、国防、军工、加工制造、土木建筑、电子、石油化工、生物医学等多个领域。在全球市场 LS-DYNA 的全球用户会议收录了超过 2000 篇经过同行评议的高质量技术文章。全球 Top 20 整车 OEM 厂商和Top 20 的飞机 OEM 厂商中，LS-DYNA 的用户比例超过 85%。

在显式动力学商业软件领域，LS-DYNA 的全球市场份额更是处于绝对领先地位。根据招聘网站 Indeed 在 2018 年的一项统计数据，LS-DYNA 的岗位需求数量在同类软件中也是占据绝对主导。一方面佐证了 LS-DYNA 领先的行业地位，另一方面也说明了 LS-DYNA 拥有庞大的技术和工程师资源。

LS-DYNA先进技术用户案例

LS-DYNA 作为行业的先行者，经过超过 40 年的发展，其无论是功能的广度、深度和稳定性都在业内处于领先地位。在材料失效、安全气囊、安全带、假人模型、行人保护、电池分析等方面有者不可替代的技术。

Ansys/LST 和客户一起合作，不断探索、开发和完善 LS-DYNA 的先进技术和功能，引领技术潮流，保持行业前沿领先地位。以下是部分 LS-DYNA 先进技术客户应用案例。

1）奥托立夫使用 LS-DYNA 种的基于分子动力学开发的 CPM 方法进行气囊展开和冲击分析，得益于其在展开阶段的压力高精度和良好的并行加速，在侧气囊、侧气帘、离位气囊展开得到了很好的应用。

离位气囊分析

侧气帘分析

2）戴姆勒利用 LS-OPT 工具进行 GISSMO 材料参数识别，并将其应用 LS-DYNA 模型中，B 柱变形和断裂与试验吻合较好。

B 柱冲击分析

3）宝马利用 LS-DYNA IGA 等几何分析技术，进行前舱碰撞仿真。

前舱 IGA 与 FEM 混合建模

4）延锋安道拓借助LS-DYNA Explicit和Implicit求解功能，进行座椅多个工况性能开发，利用 LS-OPT 进行设计参数优化。

座椅分析工况

5）福特使用 LS-DYNA EM 等效电路模型功能进行电池多物理场仿真。

多物理场电池挤压

6）南京福特使用 LS-DYNA SPG 技术模拟自冲铆过程。

自冲铆加工过程

7）长城使用*DEFINE_PRESSURE_TUBE 关键字，模拟行人保护压力管传感器。

压力管

8）Ansys/LST 与 FCA（菲亚特-克莱斯勒）合作研发轮胎模型，用于小偏碰工况的轮胎漏气性能仿真。

9）通用使用 LS-DYNA ISPH 算法进行悍马电动版涉水仿真模拟。

车辆涉水

总结

LS-DYNA 作为显式动力学软件的鼻祖和领导者，拥有超过 40 年的发展历史，在汽车碰撞领域拥有大量的独特前沿技术。帮助 LS-DYNA 的用户时刻处于行业技术领先地位。被业界公认为汽车碰撞领域的标准工具，积攒了大量的工程经验和社会人才资源，LS-DYNA 拥有超过 100 名开发人员，与客户进行深度合作，能够快速的响应客户的需求和反馈。汽车及其零部件行业选择 LS-DYNA 的十点理由：

1. 全球目前超过 85%的汽车公司使用 LS-DYNA。

随着宝马在 2020 年转向 ANSYS LS-DYNA，这一比例也在增加；

2. 汽车公司的供应商在普遍使用 LS-DYNA。

比如：安全气囊和约束系统供应商使用 LS-DYNA。这些公司一直在开发新技术，这些新技术会被引入到碰撞模型中，而这些新技术会在 LS-DYNA 中实现；

3. 假人制造商开发的碰撞模拟中使用的假人模型通常是为 LS-DYNA 开发的。

这是因为他们最大的用户群使用 LS-DYNA。这个庞大的用户群的好处是，它允许假人供应商愿意为其研发精确和稳定的虚拟模型。准确、可靠的假人模型是汽车企业所需要的，对汽车企业的产品安全技术至关重要。

4. 为商业用途开发的人体（生物）模型首先在 LS-DYNA 中开发。

然后，它被改动用于其他软件代码。这为 LS-DYNA 用户提供了更大的准确性优势。通过选择 LS-DYNA 作为第一个代码并发现它是成功的，LS-DYNA 在业界具有成熟的优势；

这对潜在的 LS-DYNA 用户来说是一大优势，因为他们可以使用成熟的 LS-DYNA 模型。其他软件代码的模型可能不那么准确，或者在一些竞争代码中不可用。

5. 今天的车辆广泛使用先进的安全气囊和安全带约束系统。

LS-DYNA 具备完善的安全气囊和约束系统建模功能，并保持技术更新，以满足大量用户对新技术的要求。ANSYS LST 为 LS-DYNA 用户提供安全气囊和约束系统相关高级功能；

6. ANSYS LST 向所有获得许可的 LS-DYNA 用户免费提供 LST 假人、壁障、轮胎模型。

LST 假人、壁障、轮胎模型是与我们的用户密切合作开发的。这些虚拟模型和壁障模型不断更新。所有更新均向 LS-DYNA 用户免费发布；

7. ANSYS LST 向所有许可的 LS-DYNA 用户免费提供参数优化软件 LS-OPT 和拓扑优化软件 LS-Tasc。

它们与 LS-DYNA 紧密集成，使用户能够使用优化技术开发其产品，以帮助快速开发产品；

8. 与 LS-DYNA 的竞争产品不同，LS-DYNA 在一个代码中包含所有模块。

LS-DYNA 中的单个模块已经成熟，这使得 LST 开发可以专注于提供多物理场功能，使用户能够在一个代码中解决紧密耦合的问题；

在一个代码中为用户提供的解算器（显式、隐式、热、ALE、SPH、电磁、ICFD 等）。这通过在一个代码中使用一个模型来解决问题，从而降低了用户的成本。其他代码要求用户具备使用不同代码分别解决这些问题的专业技能；

9. LS-DYNA 是全世界几乎所有相关研究机构的首选工具。

研究机构产生了满足未来需求的新技术，技术成熟后，ANSYS LST 会在软件中实现这些新方法，使其可用于商业用途，而不向用户收取额外费用；

10. 由于全球 LS-DYNA 用户群较大，与竞争代码相比，找到具有 LS-DYNA 经验的训练有素的工程师相对容易。

由于上述原因，大型汽车公司和航空航天、国防以及制造业、供应商、咨询公司和高校一直在使用 LS-DYNA，或者正在转向 LS-DYNA。

深圳市优飞迪科技有限公司成立于2010年，是一家专注于产品开发平台解决方案与物联网技术开发的国家级高新技术企业。

十多年来，优飞迪科技在数字孪生、工业软件尤其仿真技术、物联网技术开发等领域积累了丰富的经验，并在这些领域拥有数十项独立自主的知识产权。同时，优飞迪科技也与国际和国内的主要头部工业软件厂商建立了战略合作关系，能够为客户提供完整的产品开发平台解决方案。

优飞迪科技技术团队实力雄厚，主要成员均来自于国内外顶尖学府、并在相关领域有丰富的工作经验，能为客户提供“全心U+端到端服务”。

来源：IFD优飞迪

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首次发布时间：2023-04-12

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