基于LSDYNA的整车正面碰撞仿真分析及优化

(2020年6月上)机械装备研发《Research&Development of Machinery and Equipment97基于LS-dyna的某轻卡驾驶室正面碰撞安全性能研究黄勤，刘风华，何帆影，吴静，廖奇峰，刘世海(江西五十铃汽车有限公司产品开发技术中心，江西南昌330001)摘要：为验证某轻卡驾驶室正面碰撞安全性能是否满足设计要求，本文基于有限元方法对其进行碰撞分析，仿真分析结果显示，驾驶员和乘员生存空间充裕。

同时结合实车碰撞试验，试验结果显示驾驶员和乘员生存空间充裕。

因此该轻卡驾驶室正面碰撞安全性能满足法规和设计要求。

关键词：轻卡驾驶室；正面碰撞；安全性能中图分类号:U463.81文献标志码:A文章编号：1672-3872(2020)11-0097-02Study on the Frontal Crash Safety Performance of Cab of Light Truck with LS-dyna Huang Qin,Liu Fenghua,He Fanying,Wu Jing,Liao Qifeng,Liu Shihai(Product Development&Technical Center^Jiangxi-Isuzu Motors Co,Lt%,Jiangxi Nanchang330001)Abstract：In order to verify whether the frontal crash safety performance of a light truck cab meets the design requirements,In this paper, based on the finite element method,the crash analysis is carried out,the simulation results show that the driver and crew have plenty of living space.At the same time,combined with the real vehicle crash test,the test results show that there is plenty of living space for drivers and passengers,so the front impact safety performance of the light truck cab meets the requirements of laws and regulations and design. Keywords：light truck cab;frontal crash;safety performance0引言目前，轻卡行业驾驶室主要形式为平头驾驶室，发生正面碰撞事故时，车身飯金件会岀现较大塑性变形,进而会挤压前排乘员的生存空间，造成人员伤害事故，故平头驾驶室结构强度对乘员的生存空间有着直接决定性影响因此，开展轻卡驾驶室正面碰撞安全性能研究具有重要意义。

Internal Combustion Engine&Parts0引言与传统汽油车相比，纯电动汽车总质量及前后轴荷分配、结构总布置及储能形式方面存在明显差异，碰撞安全性是纯电动汽车设计中关键点，也是整车性能的关键指标[1]。

近年来，为与欧美技术先进汽车接轨和实现汽车电动化战略，国家车辆碰撞安全法规对碰撞性能要求不断提高，纯电动汽车在设计研发过程中汽车被动安全性能被重点关注。

与实车碰撞试验相比，采用计算机仿真技术对整车的碰撞性能进行仿真分析，可在样车试制前完成设计优化，缩短项目开发周期和降低研发费用。

本文采用LS-DYNA和Hyper mesh软件对某纯电动汽车正面碰撞性能进行了仿真分析，从B柱峰值加速度、前门压缩量、方向盘X、Y、Z方向位移量、前围板侵入量和碰撞过程中乘员舱的完整性方面对正面碰撞性能进行评价，并对车辆进行优化分析，为纯电动汽车的车身设计提供一定的依据。

1材料与方法采用Hyper mesh软件对纯电动汽车整车的CATIA模型进行网格划分，整车模型单元数量为1146371个，节点数量为772460个，焊点连接部位采用Rigid单元模拟[2-3]，整车重量为1068kg，包含前排主、副驾座椅上各75kg假人。

正面碰撞壁设置完全固定的刚性墙，碰撞速度为50km/h[4-5]。

图1为整车正面碰撞模型，图2为碰撞能量变化曲线。

图1正面碰撞模型图2能量变化曲线车辆在正面碰撞过程中，乘客受到主要伤害为承受的碰撞力过大、乘客留下的生存空间过小、承受的加速度①后处理器的阻尼很小，而且在做模态分析时，对模态频率和振型的贡献很小，所以通常将阻尼忽略，采取无阻尼假设。

不过在计算频率响应函数时，需要考虑阻尼的影响。

②原则上，当外界激振频率与结构频率相差3Hz以上时，才可以达到较好的避频效果。

本文后处理器一阶模态频率为31.4Hz，高于路面频率和点火频率，因此风险较低。

③后处理器的结构优化通常采用改进支架安装位置或者提高支架刚度的方式，增加壳体的厚度或更换材料这种方式较少采用。

客　车　技　术　与　研　究第4期 BUS &COACH TECHNOLOGY AND RESEARCH No.4　2019作者简介:彭　旺(1982 ),男,工程师;主要从事车辆结构设计方向的研究和客车研发管理工作㊂客车正面碰撞仿真分析及性能优化彭　旺,张雅鑫(比亚迪汽车工业有限公司,广东深圳　518118)摘　要:以某客车为研究对象,基于HyperMesh /Ls-Dyna 模块对其进行不同方案的正面碰撞安全仿真分析,验证碰撞能量管理及碰撞力传递路径优化对提升客车正面碰撞性能的效果㊂关键词:客车;正面碰撞;仿真分析;HyperMesh /Ls-Dyna 中图分类号:U467.1+4;U469.1 文献标志码:A 文章编号:1006-3331(2019)04-0009-03Simulation Analysis and Performance Optimization of Coach Frontal CollisionPENG Wang,ZHANG Yaxin(BYD Automobile Industry Co.,Ltd.,Shenzhen 518118,China)Abstract :Taking a coach as the research object,this paper does the simulation analysis of frontal collision safety based on the HyperMesh /Ls_Dyna module,and verifies the effect of collision energy management and collision force transmission path optimization method improving the coach frontal collision performance.Key words :coach;frontal collision;simulation analysis;HyperMesh /Ls-Dyna 据统计,客车正面碰撞事故约占客车事故的40%~60%,同时死亡人数占比达到60%左右[1-3]㊂客车在碰撞过程中,车辆前部结构会发生极大变形与溃缩,立柱㊁座椅和隔板等附件发生严重变形侵入驾驶员与乘客生存空间,造成大量人员伤亡事故[4-5]㊂因此,开展客车前部结构强度研究具有重要意义㊂本文基于HyperMesh /Ls-Dyna 模块对某客车进行正面碰撞安全分析研究,并根据实车正面碰撞试验结果,对客车正面碰撞仿真分析进行可行性验证㊂1　客车有限元模型建立2016年,重庆车辆检测研究院进行多种类型客车的100%正面刚性壁障碰撞试验,碰撞速度为30~32km /h,故本分析采用相同初始条件:客车整备质量状态下以30km /h 进行100%正面刚性壁障碰撞模拟㊂在建立客车有限元模型时需对其进行简化㊂本模型保留车架㊁车身骨架等主要承载结构,简化蒙皮㊁玻璃和内外饰件等非主要承载结构[6-8]㊂刚性壁障及地面采用刚性墙Rigidwalls 进行模拟;在Z 方向施加9.81m /s 2的重力加速度;在-X 向施加30km /h 速度;客车模型自接触采用自动单面接触算法[9]㊂整车骨架及轮胎等部件采用壳单元构建[5],其余电器件等通过Mass 点进行配重,焊接与铆接采用Rbe2单元进行连接处理㊂本模型采用10mm×10mm 单元尺寸进行划分网格,其中网格质量各项指标需满足建模要求:Warpage≤15°;Aspect Ratio≤5;Angle Quad =40°~135°;Angle Tria =25°~120°;Jacobian ≥0.6;三角形壳单元百分比不超过5%㊂图1为某客车正面碰撞有限元模型㊂图1　某客车正面碰撞有限元模型2　客车正碰分析方案研究2.1　客车前部结构优化思路客车正面碰撞过程中,客车前端吸能区未吸收的能量会通过车架车身结构传递至驾驶员所在的坚固区和前排乘客所在的后端吸能区,传递至后方的能量越大,坚固区变形越大,同时驾驶员和前排乘客产生的加速度越大,驾驶员侧结构变形量过大会导致驾驶9区结构侵入驾驶员生存空间;加速度过大会对人员造成强烈冲击伤害;乘客门侧A 柱位置变形量过大会导致乘客门无法打开影响救援㊂故为了保证驾驶员和乘客的安全,吸能区前部结构需要尽可能多地吸收碰撞能量,所以前部结构设计非常重要[10-13]㊂前部结构分区及碰撞力传递路径如图2所示㊂图2　前部结构分区及碰撞力传递路径2.2　客车正碰分析方案为进一步研究客车前部吸能区结构对提升客车正面碰撞性能的影响,对下列3种方案进行对比分析:1)原方案,未安装吸能防撞装置㊂2)改进方案1,安装吸能防撞装置,如图3所示㊂吸能防撞装置包括防撞梁主梁㊁防撞梁连接件和吸能盒等结构,主要材料为Q345B㊂图3　吸能防撞装置方案13)改进方案2,优化吸能防撞梁结构及吸能盒布置形式㊁数量,如图4所示㊂吸能盒表面变为褶皱结构,溃缩能力增强,单个吸能盒的吸能能力提升;主梁两端变为斜面结构,通过吸能盒满足吸能装置与车架的固定,同时吸能盒数量翻倍,吸能能力也显著增长㊂图4　吸能防撞装置方案23　客车正碰仿真结果分析及验证3.1　客车正碰仿真数据读取碰撞仿真结束后对结果进行分析,读取左右两侧立柱a-c 上5点的X 向相对变形量,位置如图5所示㊂同时读取转向管柱后部位置㊁驾驶员座椅椅脚位置㊁第一排乘客处座椅椅脚位置加速度仿真值,分别定义为ACC1㊁ACC2㊁ACC3,统计X 向加速度大小并进行数据分析[12-13]㊂图5　前部结构变形量测量位置图6为客车正面碰撞仿真结果中立柱a -c 上5点间的X 向相对变形量读取数据,其中Rab_11代表立柱a 和立柱b 上1号点之间的X 向相对变形量,以此类推;表1为各方案ACC1㊁ACC2㊁ACC33点的加速度峰值仿真值读取数据㊂图6　各方案前部结构变形量对比表1　各改进方案加速度峰值与原方案对比g方案序号ACC1ACC2ACC3原方案Max 109.1109.726.8Min-122.8-134.1-16.9改进方案1Max 85.978.518.7Min -71.3-66.4-6.1改进方案2Max 65.859.630.2Min -51.2-46.4-11.93.2　客车正碰仿真数据分析原方案正碰仿真结果中,乘客门侧ab 柱间最大变形量为375mm,可能导致乘客门无法打开㊂驾驶员侧ab 柱间最大变形量为213mm,变形量会侵入驾驶员生存空间㊂驾驶员处-X 向加速度峰值为134.1g ,驾驶员受到的冲击伤害会很大㊂改进方案1正碰仿真结果中,增加吸能防撞装置后,分析结果中乘客门侧ab 柱间最大变形量减小至01客　车　技　术　与　研　究 2019年8月281mm,对比原方案下降25%,乘客门侧ab柱间最大变形量为149mm,下降30%;ACC1㊁ACC2㊁ACC33处X向加速度最大峰值分别下降41.94%㊁50.48%㊁30.22%;变形量及加速度均有改善㊂改进方案2正碰仿真结果中,优化吸能防撞装置后,分析结果中乘客门侧ab柱间最大变形量降为202 mm,对比原方案下降46%,驾驶员侧ab柱间最大变形量降为71mm,下降66%;ACC1㊁ACC2㊁ACC33处X向加速度最大峰值分别下降58.31%㊁65.40%㊁30.22%;变形量及加速度改善程度较改进方案1更加明显㊂从各方案变形量及加速度峰值对比可知,改进方案1相对原方案变形量及加速度均有改善,改进方案2较改进方案1改善量更大,说明整车前部结构的优化可以很大程度地降低驾驶员区和乘客区结构受到的影响,降低乘员伤害,提高客车正面碰撞安全性㊂3.3　仿真可行性验证图7为改进方案1试验车碰撞转向管柱后部位置㊁驾驶员座椅椅脚位置㊁第一排乘客处座椅椅脚位置加速度曲线㊂试验车吸能防撞结构与改进方案1一致㊂试验车3处加速度曲线与改进方案1仿真分析曲线趋势基本一致,试验车3处加速度峰值分别为79g㊁81g㊁16g;改进方案1仿真分析3处加速度峰值分别为85.9g㊁78.5g㊁18.7g㊂通过加速度数据对比可以看出,改进方案1的加速度峰值与试验车偏差分别为13.3%㊁3%㊁16.9%,具有较高一致性;同时分析改进方案1能量曲线可知,滑移能㊁沙漏能均满足标准,初始总能与结束总能能量变化小于2%,故认为该正面碰撞仿真分析方法合理可行㊂图7　试验车各位置加速度曲线4　结　论通过正面碰撞仿真分析对比客车3种前部结构方案,表明优化前部吸能防撞装置能显著提升客车正面碰撞安全性,实车正面碰撞的试验结果对客车正面碰撞仿真分析的方法进行可行性验证㊂参考文献:[1]吴胜国.中日道路交通安全法规的比较研究[D].成都:四川大学,2006.[2]刘晓君.实车正面碰撞法规试验的发展趋势[J].世界汽车,1999(3):3-5.[3]王欣,颜长征.客车正面碰撞标准研究[J].交通标准化, 2011(8):6-10.[4]颜长征,王欣,赵东旭,等.客车正面碰撞乘员保护分析[J].机械研究与应用,2017,30(3):78-80.[5]孙治华.营运客车正面碰撞车身结构安全性仿真和评价[D].西安:长安大学,2011.[6]王钰栋,金磊,洪清泉,等.HyperMesh&HyperView应用技巧与高级实例[M].北京:机械工程出版社,2012:341-375.[7]谭继锦,张代胜.汽车结构有限元分析[M].北京:清华大学出版社,2009:196-200.[8]钟志华.汽车耐撞性分析的有限元法[J].汽车工程,1994 (1):1-6.[9]张胜兰,郑冬黎,郝琪,等.基于HyperWorks的结构优化设计技术[M].北京:机械工业出版社,2007:125-146. [10]胡玉梅.汽车正面碰撞设计分析技术及应用研究[D].重庆:重庆大学,2002.[11]张建,范体强,何汉桥.客车正面碰撞安全性仿真分析[J].客车技术与研究,2009,31(3):7-9. [12]胡远志,曾必强,谢书港.基于LS-DYNA和HyperWorks的汽车安全仿真与分析[M].北京:清华大学出版社, 2011:127-147.[13]王可,尹明德.客车正面碰撞仿真建模与分析[J].机械工程与自动化,2011(2):28-30.收稿日期:2019-01-2411　第4期 彭　旺,张雅鑫:客车正面碰撞仿真分析及性能优化。

基于LS—DYNA的车辆碰撞仿真分析研究作者：孙志星来源：《科学与财富》2012年第12期摘要：本文运用大型显式动力分析软件LS-DYNA实现车辆的整车碰撞仿真模拟分析，实验结果对于车辆的设计和生产具有一定的参考价值。

关键词：LS-DYNA碰撞仿真引言随着社会的进步、交通行业的蓬勃发展，车汽行业在这些年也得到了迅猛的发展，但是，随之而来的交通的问题也日显突出，交通事故发生的次数逐年增多，事故的严重性也是与日俱增，给家庭和社会带来了极大的危害和损失。

所以，对车辆的安全性能及其综合性能的研究就显得十分迫切和必要[1]。

传统的车辆综合性能研究特别是安全性能方面的研究往往是采用真车进行碰撞实验，采用真车进行碰撞实验，虽然实验结果较为明显直观，但是真车的碰撞实验需要投入大量的人力、物力和财力，而且需要反复的实验才能得出实验结果，反复的实验无疑加大了实验成本与时间上的投入。

车辆研究者们急需寻找一种新的实验研究分析方法来取代真车碰撞实验，而且要保证实验效果。

这些年计算机辅助设计、分析软件被越来越多的学者运用于各类问题的研究分析当中，从简单的图纸设计、建模设计到大型有限元分析都广泛应用与各类工程问题的研究分析当中。

在建模方面，目前常用的软件有：Pro/E、UG、solidworks等等，在众多大型建模软件中，Pro/E 因其可以进行良好的参数化设计，所以被广泛应用于各种工程问题的建模分析当中。

在有限元分析方面，LS-DYNA凭借其良好的动态力学分析能力，成为有限元动态分析的主流大型软件。

大型软件LS-DYNA由美国国家实验室研发并发行，最初的LS-DYNA软件主要是应用于简单的自由体下落时所受到的冲击应力，随着LS-DYNA软件的不断完善和升级，LS-DYNA 的功能越来越强大，其材料库也越来越完善，模拟仿真实验的结果也逐渐可以代替真实实验的计算分析结果[2]。

而且随着LS-DYNA软件的不断完善和升级，LS-DYNA软件在各行各业应用的越来越广泛和深入。

LS-DYNA 碰撞分析调试LS-DYNA碰撞计算模型的主要检查、调试项目有：a、质量增加百分比小于5%；b、总沙漏能小于5%；c、滑移界面能；d、检查各部件之间的连接、接触关系是否定义正确，检查模型的完整性；e、检查数值输出的稳定性。

一、质量缩放Mass scale的检查：质量缩放——对于时间步长小于控制卡片中设置的最小时间步长的单元，我们通常采取增加单元材料密度的方法来增大其时间步长，以减短模型的计算时间。

关于LS-DYNA中单元时间步长的计算方法请参见附录一。

1、初步检查。

让模型在dyna中运行2个时间步，在Hyper view中调出glstat 文件并检查mass scaling项（质量增加应该小于5%）；调出matsum文件并检查各部件的质量增加情况，对于质量增加过大以及有快速增长趋势的部件应检查此部件的网格质量和材料参数设置（质量增加一般是由于单元的特征长度太小或者是材料参数E、ρ设置错误，导致该单元的时间步长低于控制卡片中设置的最小时间步长，从而引起质量缩放）。

2、全过程检查。

调整模型使其符合初步检查的标准，计算模型至其正常结束。

再按[初步检查]的要求检查调试整个模型直至达到要求。

一个计算收敛的模型在其整个计算过程中，最大质量缩放应小于总质量的5% 。

二、沙漏能Hourglass energy的检查：沙漏能的出现是因为模型中采用了缩减积分引起的，我们常用的B-T单元采用的是面内单点积分，这种算法会引起沙漏效应（零能模式）。

具体介绍参见附录二。

检查：在dyna中计算模型至其正常结束。

在Hyper view中调出glstat文件并检查energy的total energy 、Hourglass energy两项，整个计算过程中沙漏能应小三、滑移界面能sliding interface energy的检查：滑移界面能是由摩擦和阻尼所引起的。

剧烈的滑动摩擦会引起大的正值的滑移界面能；未能检测到的穿透（undetected penetrations）常常会引起大的负值的滑移截面能。

１７３　科技创新导报　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ　Ｈｅｒａｌｄ学　术　论　坛２００８ ＮＯ．０７Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ　Ｈｅｒａｌｄ应用ＬＳ－ＤＹＮＡ进行汽车正面碰撞模拟分析包宇波１ 胡斌２（１．同济大学汽车学院 上海 ２０００９２； ２．中国矿业大学（北京）机电学院材料系 北京 １０００８３）摘　要：应用ＬＳ－ＤＹＮＡ实现不带约束系统的整车的正面碰撞模拟，佐证了计算机模拟技术在现代汽车产品开发中的应用及其发挥的巨大作用。

关键词：ＬＳ－ＤＹＮＡ　汽车碰撞　车身耐撞性分析　计算机模拟中图分类号：ＴＰ３文献标识码：Ａ文章编号：１６７４－０９８Ｘ（２００８）０３（ａ）－０１７３－０２ＬＳ－ＤＹＮＡ　是世界上最著名的通用显式动力分析程序，能够模拟真实世界的各种复杂问题，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，同时可以求解传热、流体及流固耦合问题。

在工程应用领域被广泛认可为最佳的分析软件包。

与实验的无数次对比证实了其计算的可靠性。

由Ｊ．Ｏ．Ｈａｌｌｑｕｉｓｔ主持开发完成的ＤＹＮＡ程序系列被公认为是显式有限元程序的鼻祖和理论先导，是目前所有显式求解程序（包括显式板成型程序）的基础代码。

１９８８年　Ｊ．Ｏ．Ｈａｌｌｑｕｉｓｔ创建ＬＳＴＣ公司，推出ＬＳ－ＤＹＮＡ程序系列，并于１９９７年将ＬＳ－ＤＹＮＡ２Ｄ、ＬＳ－ＤＹＮＡ３Ｄ、ＬＳ－ＴＯＰＡＺ２Ｄ、ＬＳ－ＴＯＰＡＺ３Ｄ等程序合成一个软件包，称为ＬＳ－ＤＹＮＡ。

ＬＳ－ＤＹＮＡ的最新版本２００４年８月推出的９７０版。

ＬＳ－ＤＹＮＡ的发展与汽车碰撞仿真密不可分，在汽车行业中，ＣＡＥ仿真分析快速增长的需求和机遇主要是受碰撞法规的驱动，如在１９８５－２００２年之间，法规实验的要求增加了差不多２０倍。

其次是从１９８５年以来计算机硬件、软件的迅速发展和汽车厂商对计算机资源的广泛应用。

基于有限元法的电动汽车车身正面碰撞仿真及拓扑优化曲令晋;李仁【摘要】车辆正面碰撞的安全性是汽车被动安全性研究的重要方面.利用有限元法对电动汽车碰撞进行了研究,借助LS-DYNA分析了驾驶室最大加速度变化情况和车辆前舱的能量吸收情况,在此基础上,对车身进行了拓扑优化设计,依据优化结果对车身结构进行了改进.通过计算机仿真,分析了汽车的被动安全性,对下一步实车碰撞试验有极大的指导意义.【期刊名称】《新技术新工艺》【年(卷),期】2013(000)004【总页数】4页(P48-51)【关键词】电动汽车;正面碰撞;仿真;优化【作者】曲令晋;李仁【作者单位】河南工业职业技术学院,河南南阳473000;河南工业职业技术学院,河南南阳473000【正文语种】中文【中图分类】U462.3+5汽车的碰撞安全性能与驾乘人员的人身财产安全紧密相关，且至关重要。

依照中国新车评价规程C-NCAP，汽车的碰撞安全性评估包括100%正面碰撞、40%正面偏置碰撞和侧面碰撞。

正面碰撞事故造成的死亡人数最多[1]，正面碰撞对驾乘人员的人身安全威胁最大；因此，各国碰撞试验把正面碰撞形式作为主要研究对象，对降低交通事故死亡人数意义重大。

汽车的碰撞安全性研究有2种方法：1) 实车碰撞试验；2) 通过计算机模拟仿真汽车的碰撞过程。

早期由于计算机水平落后，因此，对汽车碰撞安全性的研究主要采用试验的方法。

试验的方法虽然贴近真实，可靠性高，但对场地设备的要求高，投入大，成本高，危险系数大，且可重复性差[2]。

计算机仿真法弥补了试验法的不足，在当今的汽车设计过程中，计算机仿真法常常作为试验法必不可少的补充，特别在前期设计阶段发挥了重要作用，为汽车的安全性设计提供了有效的依据。

近年来，随着国家对研发新能源汽车的政策和投入的不断推出和增大，电动汽车作为新能源汽车的主要发展方向，已被各大汽车制造厂商作为重点研究项目。

对于电动汽车的碰撞安全性，除了要考虑碰撞后汽车变形造成的安全生存空间问题，还要考虑电池组的安全，包括电池组的变形和位置变化、电解液的泄漏以及是否会发生爆炸等；因此，电动汽车的碰撞安全性相对传统汽车而言有了更高的要求。

基于仿真技术的汽车正面碰撞结构优化作者：蒋斌庆李兰芬来源：《中国科技博览》2018年第33期[摘要]据调查显示，汽车正面碰撞是所有碰撞类型之中发生最频繁的，占事故发生数的半数以上。

因此，汽车正面碰撞时的安全性研究对提高车辆性能、减少事故发生概率和保护人们的生命财产安全都有极其重要的意义。

本文把整车碰撞假人伤害指标分解到车体结构防撞性指标，可通过前期结构仿真对指标进行有效管控，指导优化前期车身结构设计，并最终使整车碰撞性能达标。

[关键词]仿真技术；正面碰撞；结构优化中图分类号：U467.14 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）33-0380-011引言在20世纪70年代，美国LawrenceLivermore实验室率先研究了用于汽车碰撞的模拟仿真技术，将汽车碰撞研究带入了全新的领域。

汽车碰撞模拟仿真技术真正的突破始于1986年，通过应用LS-DYNA仿真软件成功地模拟了整车大变形的过程。

这说明将动态显式非线性有限元理论应用于整车碰撞仿真模拟领域是可行的，这一研究方法随后被世界各国广泛使用。

2仿真技术分析仿真技术是上世纪80年代出现的一种新的综合集成技术；即用虚拟的电子信息系统对真实场景系统的一种模仿仿真技术，是由人机交互技术、人工智能、传感技术等多种现代三维构成系统的人工环境建设，通过多媒体放映对人体的视觉、触觉、听觉等感官上的逼真呈现，使人和相关虚拟环境有一定的交互性，并适时做出相应的反应。

随着相关技术领域的不断发展，仿真技术逐渐形成出运用于自身的自成体系，从以前的某个物理现象、设备和系统的简单模拟，发展为能运用其原理对不同系统组成的系统结构体系进行更高级的仿真，使相关用户在符合人们客观意识环境下，贴近物体相关运动力学定律的基础上，充分满足现代虚拟仿真技术的发展需要。

伴随着时代的发展，工业生产设备要求的操作水平愈来愈高，要求在最短的时间内，经济效益最大化的生产出最令人满意的产品，所以运用仿真技术进行研究，不仅可以缩短产品开发周期，优化生产过程，而且可以提高产品的质量，使企业在发展中处于领先地位。

２００８第３期总第１８４期现代制造技术与装备１前言随着轿车的大规模生产和使用，也由于车速的不断提高，汽车交通事故的发生率已经大大的增加了。

在汽车交通安全事故中，出现几率最高的是汽车碰撞，其中正面碰撞最普遍。

据资料显示，汽车发生正面碰撞的概率在４Ｏ％左右。

因此，研究正面碰撞特性，对降低乘员的伤害非常重要［１］。

而汽车结构中的保险杠是正面碰撞时主要的承载和吸能构件，提高保险杠的吸能能力，可以降低整车碰撞中的加速度，对乘员起保护作用［２］。

因此，对保险杠吸能特性的研究有着重要的意义。

有限元仿真分析的显著特点是速度快、效率高，能够节约大量的汽车开发成本。

目前，国外采用有限元方法对汽车碰撞安全性进行了大量的研究，并取得了显著的成效［３］。

而国内在这方面的研究还不够成熟，因此，我们更有必要对保险杠正面碰撞性能的有限元模拟仿真进行研究。

２碰撞仿真的有限元理论与方法碰撞是一个瞬态的复杂物理过程，它包含以大位移、大转动和大应变为特征的几何非线性，这使得汽车碰撞过程的精确描述和求解十分困难［４］。

目前对碰撞过程的仿真，一般都采用显式仿真算法。

采用中心差分法，将质量矩阵对角化，从而避免求解联立方程组。

采用分步积分法，将碰撞过程的时间域［０，Ｔ］分成许多子域，［ｔｉ－１，ｔｉ］，ｉ＝１，２，３．．．，Ｎ，其中ｔ０＝０，ｔｉ＞ｔｉ－１，ｔＮ＝Ｔ，于是得到子域时刻ｔ０，ｔ１，ｔ２…，ｔＮ。

为求ｔｎ＋１时刻的解，假设ｔｎ时刻的解是已知的，只要在这个假设条件下能够求出ｔｎ＋１时刻的解，任意时刻的解都能求出了，因为ｔ０时刻的解是已知的，可用来求出ｔ１时刻的解，依此类推，ｔＮ时刻的解便可求出。

在接触体系中ｔ０，ｔ１，ｔ２…，ｔｎ时刻的状体都是已知的，其中任何一个状态都可以作为参考状态去求下一状态的解。

将ｔｎ＋１记作ｔ，将ｔｎ记作τ，由拉格朗日列式法可得τ时刻的虚功原理式：（δＵ）Ｔ（τＦ－τＦｅ－τＦｃ＋τＦａ）＝０（１）其中：δＵ为虚位移；τＦ为内力矢量；τＦｅ为外力矢量；τＦｃ为接触力矢量；τＦａ为惯性力矢量，它们的计算式分别为：τＦ＝τΩ!ＢＴτσｄΩ（２）τＦｅ＝０Ω!ＱＴτｂｄΩ＋τΓＦ!ＱＴτｑｄＳ（３）τＦｃ＝τΓｃ２!ＱｃＴτｑｃｄＳ（４）τＦａ＝０Ω!ＱＴ０ρτａｄΩ（５）其中，Ｂ为应变位移矩阵；Ｑ为位移插值矩阵；τσ为应力张量；ｄΩ为微体积单元；τｂ为体积力分量；τａ为加速度分量；τｑ为单位面积上的力；０ρ为时刻０时的密度。

汽车发生正面碰撞时，主要是由车身前部“压溃区”的塑性变形来吸收碰撞动能，并且主要是端部底架结构的大变形来缓和冲击和吸收冲击动能，因此端部底架结构上的前纵梁的吸能特性和变形模式，将决定着车体在撞击时的响应。

前纵梁既是吸收汽车前部纵向碰撞能量的主要结构，又是控制碰撞能量在汽车中的分布情况的主要装置。

据研究，设计良好的汽车前纵梁在正碰时吸收的能量能达到总吸收能量的50%以上，是最重要的吸能元件［1］。

所以加强对前纵梁的变形和吸能特性的研究是建立整个车身变形和吸能特性与乘员保护之间的相关性模型的基础［2］。

在不改变汽车车身结构及造型的情况下，通过改进汽车前纵梁结构，使其具有较好的碰撞性能，是保证汽车具有良好正面碰撞性能的重要手段和方法［3］。

本文通过对长安微型车前纵梁进行正面碰撞仿真分析，研究其碰撞变形吸能特性，对该前纵梁的结构进行了优化设计，从而使前纵梁的碰撞特doi ：10.3969/j.issn.1008-5483.2010.02.005基于LS-DYNA 的汽车前纵梁碰撞性能仿真研究高伟，黎权波（湖北汽车工业学院汽车工程系，湖北十堰442002）摘要：立足于乘员的安全保护，前纵梁是保证汽车具有良好的正面碰撞性能的重要部件。

利用HyperMesh 和LS-DYNA 软件，对长安微型车的前纵梁的正面碰撞进行了仿真模拟，在此基础上对前纵梁的结构进了优化设计，比较了改进前、后前纵梁的吸能特性。

仿真结果表明：改进后的前纵梁的碰撞特性得到了加强，从而为进一步提高整车耐撞性能提供一定的参考。

关键词：前纵梁；碰撞；仿真中图分类号：U461.91文献标志码：A文章编号：1008-5483（2010）02-0021-06Simulation Study on Crashworthiness of Car ’s Front RailBased on LS-DYNAGao Wei ，Li Quanbo（Dept.of Automotive Engineering ，Hubei Automotive Industries Institute ，Shiyan 442002，China ）Abstract ：The front crash of the front rail for Chang ’an minicar was simulated by HyperMesh and LS-DYNA software.The front rail structure was optimized and the capability of absorbing energy of the front rail before and after improvement was compared.The simulation results show that the crashworthiness of the improved front rail is enhanced.It provides certain references for further improving the crashworthiness of the car.Key words ：front rail ；crash ；simulation收稿日期：2010-05-17作者简介：高伟（1978-），女，吉林长春人，硕士，从事汽车被动安全方面的研究。

江苏科技大学南徐学院2006届毕业设计（论文）基于LS-DYNA的乘用车后纵梁的碰撞分析系部：机械工程学院专业名称：机械电子工程班级：06428114学号：0642811429作者: 于宇指导教师: 赵希禄2010年06 月05 日江苏科技大学南徐学院本科毕业论文基于LS-DYNA的乘用车后纵梁的碰撞分析（理工类）：江苏科技大学毕业论文（设计）任务书学院：机械工程学院专业：(南徐)机械电子工程学号：0642811429 姓名：于宇指导教师：赵希禄职称：教授2010年06月05日注：1、如页面不够可加附页2、以上一～五项由指导教师填写摘要由于早期对车身结构抗撞性能的研究主要依赖于试验的方法，即通过试验检验整车及相关安全部件的耐撞性以及人体的损伤指标，这类研究需要通过反复设计，反复试验多辆汽车而完成，于是整车及安全部件的开发试验花费较大而且工期很长。

计算机仿真已经有比较成熟的理论体系和比较广泛的应用范围，尽管其并不能完全替代实车试验，但它可以作为实车试验的重要补充，在汽车研发过程中发挥巨大的作用，基于轿车薄壁构件碰撞的变形及吸能特性的仿真与分析具有现实的理论和工程应用背景，其研究工作可为车身吸能元件、整车抗撞性研究等奠定理论基础和依据。

因此，开展这方面的研究工作不仅具有重要的学术价值，同时也具有工程实用意义。

当前，薄壁构件作为一种低成本、高吸能的元件，广泛应用于飞机、汽车等几乎所有交通工具的碰撞冲击能量耗散系统中。

薄壁构件吸能元件主要通过自身塑性变形来耗散冲击能量，受到冲击载荷作用时结构产生很大的压溃行程，从而将冲击能量均匀地耗散，瞬时冲击载荷强度因而大大降低。

同时，薄壁管结构轴向变形所吸收的能量大约要比横向高一个数量级，因此研究薄壁管件在轴向冲击载荷作用下的动态吸能特性对结构抗撞性研究具有重要的指导意义。

本文基于显示非线性有限元理论基础，利用LS-DYNA软件对汽车后纵梁进行了碰撞分析，对有限元分析碰撞中模型的合理简化、网格划分和材料参数的设置等关键问题进行了探讨，主要分析与讨论了纵梁存在电焊横向、纵向误差，板厚和材料特性误差下的碰撞吸能特性。