映数-汽车碰撞仿真科普

No.1 为什么需要碰撞仿真？作为重要的人类交通工具，毫无疑问，其本身的安全性能尤其重要。汽车的安全性能可以分为主动安全性和被动安全性。简单地说，主动安全性能是防止汽车发生安全事故的能力，主动安全性是各种汽车性能综合起来的一个评价体系，动力性、制动性、操纵稳定性等等都与主动安全相关联，例如车身电子稳定系统（ESP），制动防抱死系统（ABS）、电子制动力分配系统（EBD），以及当前汽车越来越多的路况检测、安全预警等等智能化系统等等，都是主动安全的重要技术手段。但是作为一辆车它太难了，在实际情况中，包括驾驶人在内，行驶条件是复杂多变的，不可避免会发生安全事故。被动安全性指的就是在这种无奈发生安全事故的情况下，尽可能保护驾乘人员少伤亡、货物少损失的能力，例如安全带、安全气囊、保险杠等汽车吸能结构等等。汽车作为人类的交通工具，那么具有保护乘员的能力是一个必要条件，碰撞是车辆使用过程中重大的安全事故形式，而在车辆的开发与性能评估中，被动安全的核心就是碰撞安全性能。想要知道一辆车的碰撞安全性能，当然很简单，拿去撞不就完事儿了。<img src="https://pic2.zhimg.com/v2-26b49386652d1cc800a3460e4bd849df_b.jpg" alt="动图封面" data-href="" style="width: 100%;"> 针对汽车碰撞这回事，很多国家和地区均出台了强制性的法规和标准。专业的汽车碰撞试验室已经发展得相当成熟，各大权威碰撞安全测试机构依据碰撞安全法规，提出了一整套基于碰撞试验的安全性能评估流程。对于量产车来说，即使碰撞试验花费颇大，为了验证车辆的耐撞性，同时保证车辆在安全方面的竞争力，碰撞安全性能试验与评估是必不可少的一环。但是对于处于开发阶段的车辆来说，一辆量产前的骡子车可比真正日后的量产车要贵多了，再加上结构设计方案的不断更改完善，从经济性和迭代效率来看，每每有新方案就拿去撞一撞是真的挺愚蠢的。撞一下很带感，但也很肉疼。相对于真实的物理试验，数值仿真可以大量重复进行，且模型调整快捷，其一大重要价值就在于其能够在一定程度上替代相对昂贵且低效的各种试验。简言之，对于汽车碰撞来说，试验撞的是白花花的银子，相比较之下，“廉价”的仿真不过一吊铜钱罢了。而仿真的这种特性，可以大大缩减设计方案变动的更新周期，使得便捷高效的设计成为可能。另外对于仿真模型来说，我们可以查看到任何我们想要查看到的部位的变形与失效等性能，而这在碰撞试验中很难操作。碰撞仿真要实现的效果是什么？简单来说就是通过虚拟仿真达到对真实物理碰撞过程的复现。这其中会包含关于变形、速度、加速度以及能量的考量，在算得准的前提下，以量化的各个指标评估碰撞性能，指导进一步的结构改动与优化设计。对于主机厂而言，在车型的开发过程中，必须把控住所有的性能指标。对于碰撞性能，碰撞的CAE仿真早已经固化为汽车开发过程中的重要一环，承担着在开发过程中评估被动安全性能的重要任务。No.2 碰撞仿真，有规可循汽车碰撞事关人类本身的安全，这理所当然的是一件大事，所以监管机构发布强制性的碰撞安全法规与标准必不可少。碰撞安全相关的法规主要规定的项目大致包括：碰撞形式，碰撞试验车辆要求，碰撞速度，碰撞障碍物的要求，假人形式，性能评价指标等。具体到碰撞安全法规，可以从汽车发展最成熟或者规模最大的几个市场来看。美国是汽车文化与产业发展最早的市场，时至今日也是最成熟的汽车市场之一，其碰撞安全法规方面可以说是走在了世界的最前列。早在20世纪60年代，美国运输部就开始发布汽车安全法规：联邦机动车安全标准FMVSS(Federal Motor Vehicle Safety Standard)，经过发展与沉淀，如今已经形成了完备的包含主动安全法规和被动安全法规在内的体系，对于全球的汽车开发都有非常高的参考价值。平时经常会听到的欧盟ECE认证，实际上这个认证是欧洲经济委员会ECE（Economic Commission of Europe）对车辆及零部件产品的技术质量标准要求。其中与碰撞安全性能相关的法规在世界范围内也被广泛采纳。ECE碰撞法规与FMVSS法规在逻辑上都是相通的，只是具体细节如家人模型、壁障类型、碰撞速度以及相应的评价指标等方面有差异。作为一个汽车强国，日本也推出了一系列日本道路运输车辆保安标准TRIAS(Traffic Safety and Nuisance Research Institute's Automobile Type Approval Test Standards)，包含了主动和被动安全法规，以及碰撞试验后的燃油泄漏检验的相关法规。我们作为目前最大的汽车市场，汽车产业相对美日欧等发展缓慢，碰撞安全法规方面也同样起步较晚，直到20世纪90年代才有安全相关的强制性标准出台。我国的标准可以称之为CMVDR(China Motor Vehicle Design Rule)，主要是参考ECE标准而制定，根据我国的国情做了相应的修改。除此以外，世界主流汽车法规与认证体系还有韩国KMVSS、加拿大CMVSS，澳大利亚ADR等等。在强制性的碰撞法规之外，世界上主流的碰撞机构也会制定一些碰撞相关的标准，甚至不同的机构都会有一些特色的碰撞试验项目。这些测试机构对安全评级是通过所有项目得分综合评比出最终结果。NCAP(New Car Assessment Program)严格来说是一个民间组织，在欧洲、日本、美国、澳大利亚等都有类似“分支”的评价机构。欧洲E-NCAP影响力是最大的，其中它的行人保护规则是最为完善的。日本的J-NCAP在很大程度上借鉴了E-NCAP的规则，其特别之处在于建立了6星评价体系（一般均为5星评价体系）。中国的C-NCAP是目前国内市场最有名的碰撞安全测试机构，值得一提的是，其核心组织为中汽研（中国汽车技术研究中心），所以事实上C-NCAP是一个企业，在独立第三方这一点上，确实与其它主流机构有所差别。而已最严苛著称的是美国公路安全保险协会IIHS(Insurance Institute for Highway Safety)，这是由美国各大保险公司承担运行资金的非盈利的独立测试结构。同时美国还有一家极具权威的测试结构美国高速公路安全管理局NHTSA(National Highway Traffic Safety Administration)。类似于IIHS，国内在2015年也由八大保险公司共同建立了一个碰撞测试机构保研汽车技术研究院有限公司（中保研，CIRI Auto Technology Institute，CIRI），并提出了中国保险汽车安全指数C-IASI(China Insurance Automotive Safety Index)，其测试标准和规则也参考IIHS。CIRI和IIHS都是RCAR(Research Council for Automobile Repairs)的成员，这个组织是成立于1972年的保险行业技术研究性组织。常见的碰撞事故形式包括前部碰撞、侧面碰撞、追尾碰撞、翻车、人与行人的碰撞等等，而碰撞安全相关法规或者标准也大多针对这些典型形式做了具体的规定，碰撞试验中在家人和结构上布置项目繁多的各路传感器，以尽可能多地获取各种性能指标的值。这些法规不仅是碰撞试验的详尽指导，同时也给“虚拟碰撞”即碰撞CAE仿真提供了详实的模型设置以及性能评价指标，而仿真结果与试验的对标也是其中比较重要的工作。碰撞仿真从其出发点，到具体的技术实现手段，都是有很严密的逻辑性，或者说任何虚拟的CAE仿真本就不应该是脱离实际的空中楼阁。No.3 碰撞仿真难不难？当我们的分析对象是在整车这个维度的时候，那么首先遇到的难点就在于整车结构的复杂性。通常一辆整车是由2万多个零部件组成的，在一个完备的整车碰撞仿真建模中，即使采用了大量的简化方式，需要涉及到繁多的总成，例如：白车身，车身开闭件（四门两盖：前后车门、发动机舱盖、后备箱盖）、座椅、乘员保护系统（安全带和安全气囊）、底盘结构（悬架系统、转向系统、传动系统等）、发动机/电驱动系统、内饰结构、轮胎、玻璃等等。其次，数目繁多的零部件想要构成完整的车辆，必然需要有效而复杂的连接形式，例如一般整车拥有大概4000-6000个焊点，车身结构也有焊缝连接，同时对应于不同的材料结构铆接和胶接也有其必要，铰链与弹簧连接也需要考虑。对于包括连接形式在内的每一个结构系统，做单独的性能仿真都需要解决各种具体的建模技术难点，更不用说最终集结而成整车结构。再者，从数值仿真的角度来看，整车碰撞仿真是一个高度非线性的过程。碰撞是一个瞬时大变形的过程，在碰撞仿真过程，性能响应早已超出了简单的弹性行为，几何非线性、边界非线性、接触非线性和材料非线性都得到了充分的体现。对于材料和连接建模来说，还必须考虑应变率相关的特性。准确的材料模型以外，大量的接触等非线性因素也对求解过程有直接的影响。碰撞仿真是一个相对耗时的过程，需要在仿真的准确性和效率之间找到平衡。整车碰撞仿真是一个兼具大工作量与技术难点的过程，也很难做到尽善尽美。当我们面对所遇到的事情，不会做的时候会觉得很难，掌握了其逻辑和方法之后兴许就觉得驾轻就熟，整车碰撞仿真亦如此。No.4 碰撞仿真工具工欲善其事必先利其器，整车碰撞仿真作为业已成熟的手段，随着当今计算机硬件能力的高速发展，大型复杂模型的求解成为可能，超级计算机等高性能计算(HighPerformance Computing，HPC)硬件有力保证了计算求解的效率。在硬件条件之外，整车碰撞仿真也离不开各种商用CAE软件的功劳。对于碰撞仿真来说，核心在于求解器。目前在业界使用最广泛的首推LSTC(Livemore Software Technology Corporation)推出的LS-DYNA求解器。而在20世纪90年代，LSTC与ANSYS公司合作推出了ANSYS/LS-DYNA，使用的仍然是LS-DYNA核心求解器，而用户可以充分利用ANSYS本身的统一前后处理和数据库。作为显式积分计算程序的鼻祖，几乎可以说，LS-DYNA是目前世界上最著名的通用显式动力分析程序，特别适合求解各种非线性结构的碰撞、冲击、爆炸、金属成型等非线性动力冲击问题，在整车碰撞仿真中也是应用最为广泛的。当然，LS-DYNA同样也有一定的静力分析功能，可以进行隐式求解，甚至在有限单元法(FEM)之外，还有SPH、EFG、控制体积等算法。Radioss也是以显式求解功能强大著称的通用有限元求解器，最初由法国Mecalog公司开发，2006年Altair公司将其纳入旗下，其汽车行业的用户包括福特、标致雪铁龙、法拉利、东风等著名主机厂。PAM-CRASH也来源于法国，是ESI公司推出的碰撞仿真分析软件，同样在在一批主机厂中应用广泛，例如大众、雷诺，宝马、福特等。实际上LS-DYNA的模型可以转换成PAM-CRASH模型，例如通过前处理工具Hypermesh作为接口，或者PAM-CRASH本身就具有Conversion DYNA to PAM的模型转换工具。