碰撞分析

目前前部碰撞主要有两类，一种是正面刚性墙碰撞，如GB 11551、FMVSS 208；另一种是偏置可变形壁障（ODB）碰撞，如ECE 94、IIHS。尽管这两种试验在试验设置和评价上不尽相同，但其主要目的都是为了使乘员在碰撞事故中得到保护，以及评价车辆结构性能。 

车辆结构性能包括转向柱的垂直和向后移动量、燃油系统完整性、在试验过程中车门不应打开、安全带固定点强度、风挡保持力、车上的零件不应侵入乘客箱、发动机盖的后边缘不应通过风挡侵入、碰撞后至少有一个门能打开。 

乘员的响应与以下条件有关：车辆的加速度、安全带约束系统、安全气囊约束系统、方向盘与转向柱、防火墙的侵入、膝垫的约束。由此可见，每个子系统的设计都与乘员有关。这使得问题很复杂，从设计和分析的观点看很难处理。于是传统的问题被分成设计与分析子系统，即先保证车辆结构性能，再进行乘员仿真来模拟台车试验。 

这里介绍车辆前碰结构性能分析。通过分析，在合理的精度下，能够预测A柱与转向柱的移动量、防火墙的侵入量、车辆与气囊传感器布置点的加速度波形、能量分布、载荷的传递、特殊的变形模式等。而燃油系统泄漏、车门的开启性无法直接模拟，只能根据变形情况做初步判断。 

1. 正面碰撞建模 

（1）模型质量匹配 

前碰分析中，车是运动的，因此车辆模型的质量分布、总质量、质心、轴荷分配是至关重要的，应该与实际状态一致。但模型是简化过的，其质量要比实际车的轻，质量分布也与实车有差别，为匹配模型的质量，一般采用添加集中质量（mass单元）的方法。 

质量单元要均匀分散加在车辆上刚度较大的地方。 如果模型中不包括假人，那么假人的重量也要合理匹配。 

（2）定义接触 

在前碰过程中，车辆中不同的部件、障碍墙、假人会发生自身和相互接触。因此，要定义接触面来表现这些相互关系。 

前碰中一般要定义下列接触： 

1） 将整个车辆定义为一个单一接触面； 

2） 在硬的和软的材料间定义接触面，例如座垫泡沫与结构； 

3） 要监测相互作用的部件，例如轮胎与门槛、燃油箱与周围部件； 

4） 假人与方向盘、仪表板、座椅、安全带、气囊、内饰、结构间的接触面应分开定义； 

5） 气囊和结构间应定义接触面；

 6） 局部边与边的接触。 

所有的接触类型用自动接触。接触面可以是节点集、单元集、part集、segement等，也可用BOX选取需要定义接触的区域。 

（3）定义壁障与地面 

一个固定的无限大的平面刚性墙barrier用于模拟壁障。刚性墙的定义要注意以下几点： 

1） 墙位于距离车辆最前端前1mm处（留出前保险杠的厚度），其法向量与车辆行进方向相对，即X轴的正方向； 

2） 将车辆前部可能与墙接触的节点定义为从节点集nodes to barrier，注意不要包括刚性墙上的节点； 

3） 定义滑动摩擦系数为0.6。 

一个固定的无限大的平面刚性墙ground用于模拟地面。刚性墙的定义要注意以下几点： 

1） 墙位于距离车辆最底部下1mm处（留出轮胎的厚度），其法向量沿车的高度方向，

即Z轴的正方向； 

2） 将地面到车轮中心以下的节点定义为从节点集nodes to ground，注意不要包括刚

性墙上的节点； 

3） 定义滑动摩擦，摩擦系数为0.3。 

（4）定义重力 

整个模型都要施加重力，包括车辆与假人。首先将要施加重力所有部件定义为一个part集parts for gravity，再定义重力加速度随时间变化的曲线，最后定义相应关键字，并选取已定义的part集和重力加速度曲线。 

（5）定义初速度 

碰撞车辆的所有节点要定义沿车辆行进方向（X轴负向）的初速度，在模型中该初速度应该设为-13888.9mm/s（50km/h）。 

（6）定义输出力的截面 

在图8-4所示的各处定义截面，关键字为*DATABASE_CROSS_SECTION_PLANE。

（7）定义控制与输出卡片 

正面刚性墙的碰撞模拟时间一般设定为0.09～0.12秒。

2. 侧面碰撞

目前侧面碰撞保护也主要有两类，一种是移动可变形壁障（MDB）碰撞，如FMVSS 214、IIHS、ECE 95/EuroNCAP；另一种是刚性柱撞，如FMVSS 201、EuroNCAP。尽管这些试验在试验设置和评价上不尽相同，但其主要目的都是为了使乘员在碰撞事故中得到保护，以及评价车辆结构性能。 

车辆结构性能包括燃油系统完整性、在试验过程中车门不能打开或与车脱离、侧围与车门的侵入量和侵入速度、碰撞后B柱内侧到座椅的距离、碰撞后能打开足够多的门。 

通过分析，在合理的精度下，能够预测B柱与车门的侵入量和侵入速度、气囊传感器和控制模块布置点的加速度波形、能量分布、载荷的传递、特殊的变形模式、乘员的伤害值等。而燃油系统泄漏、车门的开启性无法直接模拟，只能根据变形情况做初步判断。 

侧面碰撞建模应先完成车辆模型、座椅模型、乘员模型、移动可变形壁障模型，再将各系统集成为一个完整的模型。 

车门要详细建模，应包括内饰部件、玻璃升降系统，铰链与门锁要仔细处理。如果有的话，门内饰中的泡沫填充物材料特性需要指明应变率，可以使用与碰撞速度相近的材料试验的试验数据；为防止计算不稳定，泡沫避免细的网格，并使用固连接触“粘”到主面上。 

侧碰模型的质量匹配、重力定义、控制与输出卡片与前碰模型类似，不再赘述，下面仅说明后碰建模的特别之处。

（1）定位假人模型 

按试验要求将假人定位到正确位置。假人模型的精确定位很重要，即使数毫米的差别就可能会在响应上有很大变化。 

（2）定位壁障模型 

FMVSS 214壁障定位基于车辆的轴距，而欧洲是基于乘员参考点（R点）的。 壁障的位置满足条件： 

1） 放置于驾驶员一侧； 

2） 被撞面平行于车辆的纵向平面，壁障的纵向切面通过碰撞参考线； 

3） 壁障撞击试验车左（右）侧时，它的所有轮子与其纵向切面向右（左）成27±1角； 

4） 最前端可变性部分的下端面距地面的距离为279mm； 

5） 碰撞块与被撞车辆外表面的距离为1mm（要考虑壳单元的厚度）。 FMVSS 214规定轿车按下面的要求标定一条铅锤线作为碰撞参考线：

a）对轴距为2896mm或更小的轿车，碰撞参考线在轮距中心向前940mm的位置。 b）对轴距大于2896mm的轿车，碰撞参考线在轮距中心向后508mm的位置。 （本例车辆的轴距为2907mm，因此根据b）确定碰撞参考线。 

（3）定义地面 

地面的定义方法与前碰相同。车辆的“地面”与移动壁障的“地面”要分开定义，车辆与地面的摩擦系数设为0.6，移动壁障与地面的摩擦系数设为0.3。 

（4）定义接触 

为表现不同的部件及系统间的相互作用，侧碰中一般要定义下列接触：

 1） 将整个车辆定义为一个单一接触面； 

2） 在硬的和软的材料间定义接触面，例如座垫泡沫与结构； 

3） 要监测相互作用的部件，例如座椅与侧围和车门、燃油箱与周围部件；

 4） 假人与座椅、安全带、气囊（帘）、内饰、结构间的接触面应分开定义； 5） 气囊和结构间应定义接触面； 

6） 局部边与边的接触； 

7） 车与移动壁障的接触。 

车与移动壁障的接触中，车为主、壁障为从。先定义part集parts for contact_vehicle-MDB，选取车辆上可能与移动壁障接触的部件，再在壁障与车之间定义接触contact_vehicle-MDB。 

（5）定义初速度 

法规要求碰撞时被撞击车辆静止，移动壁障的速度为53±1km/h。 

移动可变形障碍物的所有节点要定义沿整车坐标系X、Y方向的初速度，X方向的初速度为6797mm/s，Y方向的初速度为13410mm/s。 先将移动壁障上的所有节点（注意不要包括刚性墙上的节点）定义为一个节点集nodes for velocity，再定义以下卡片： 

（6）定义输出力的截面

在图2-1所示的各处定义截面。 

（7）定义求解时间 

移动可变形壁障侧面碰撞的模拟时间一般设定为0.08～0.10秒