汽車碰撞建模與仿真軟件綜述

丁禮燈，李曉娜

（1.長(zhǎng)江職業(yè)學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.河南信息統(tǒng)計(jì)職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 450008）

在了解適用于研究汽車碰撞的建模與仿真軟件之前，首先應(yīng)了解汽車碰撞模擬的過(guò)程。在了解模擬過(guò)程的基礎(chǔ)上，據(jù)此來(lái)將可用的軟件分類，并詳細(xì)闡述各軟件的適用條件及優(yōu)缺點(diǎn)，以達(dá)到方便研究者選用合適的軟件以輔助研究之目的。

1 汽車碰撞模擬的過(guò)程

汽車碰撞的仿真過(guò)程可以分為四個(gè)階段，分別為：①建立研究對(duì)象的三維模型；②仿真的前處理階段，即用有限元軟件對(duì)已建立的三維模型劃分網(wǎng)格；③仿真碰撞的過(guò)程，即用有限元軟件顯示求解；④仿真的后處理階段，即計(jì)算結(jié)果處理，如繪制碰撞參數(shù)曲線等。

了解汽車碰撞的過(guò)程對(duì)理解后面提到的軟件適用于處理仿真的哪一階段有所幫助，也就是對(duì)各軟件的功能與適用范圍有更加系統(tǒng)化的認(rèn)識(shí)。

2 汽車碰撞仿真軟件的分類

根據(jù)汽車碰撞的仿真過(guò)程可以將汽車碰撞仿真軟件分為兩類：一類軟件是集上述四個(gè)步驟于一體的軟件，如：PC-CRASH、PAM-CRASH、RADIOSS、MADYMO 等，即用某一個(gè)軟件就可以將上述四個(gè)步驟完成，或者說(shuō)上述四個(gè)仿真步驟可以在選用的一個(gè)軟件中完成；二類軟件是將多種軟件組合起來(lái)成這四個(gè)步驟，或者說(shuō)是選擇不同的軟件以分別實(shí)現(xiàn)各個(gè)步驟，如：CATIA和 LS-DYNA的組合、3DSMAX與OPENGL的組合等。

一類軟件建立三維模型劃分網(wǎng)格仿真碰撞計(jì)算結(jié)果處理PC-CRASH、PAM-CRASH、RADIOSS、MADYMO、CAE、ADAMS等；二類軟件建立三維模型劃分網(wǎng)格仿真碰撞計(jì)算結(jié)果處理CAD、CAE、CATIA、UG、Solidworks、3DSMAXS、Pro/EANSYS、Hyper-meshLS-DYNA、OpenGL、VPGLS-PREOST（是 LS-DYN A中的模塊）、MATLAB。

3 碰撞仿真軟件詳述

3.1 一類碰撞仿真軟件

一類碰撞仿真軟件有 PC-CRASH、PAM-CRASH、RADIOSS、MADYMO、CAE、ADAMS等，這類仿真軟件的優(yōu)點(diǎn)是模型豐富、建模工作量小、仿真結(jié)束就能輸出碰撞期望參數(shù)，現(xiàn)分別進(jìn)行介紹。

（1）PC-CRASH。選用PC-Crash軟件進(jìn)行模擬，這樣就避免建立詳細(xì)的有限元模型，而是直接從PC-Crash的模型庫(kù)中直接調(diào)用行人和車輛模型，其中車輛模型外形尺寸能與實(shí)際車輛參數(shù)完全一致，并能夠顯示出車輛配備的電子系統(tǒng)（如ABS）在事故中所起的作用。這樣就可以大大減少車輛建模的工作量，從而大大縮短計(jì)算時(shí)間，提高仿真效率，同時(shí)還能提高仿真效率。PC-Crash多用于人車碰撞的分析，能夠再現(xiàn)事故過(guò)程，進(jìn)行行人碰撞接觸應(yīng)力分析，可詳細(xì)分析行人頭部的速度、角速度、拋射距離等技術(shù)參數(shù)。主要關(guān)注與人車碰撞的過(guò)程和碰撞后人的受傷害部位和程度，即關(guān)注與行人的安全性。

（2）PAM-CRASH。PAM-CRASH軟件是法國(guó)ESI公司的碰撞模擬有限元分析程序包。它提供了強(qiáng)大的有限元前、后處理程序和算法優(yōu)良的解算器，目前已被世界各大汽車生產(chǎn)廠商廣泛采用作為碰撞模擬分析的專用平臺(tái)。

PAM-CRASH軟件提供了專門的運(yùn)動(dòng)鉸單元（Kinematic Joint Elements），非線性6自由度彈簧／阻尼單元（Nonlinear 6DOF Spring/Dashpot Elements），焊點(diǎn)約束（Spotwelds）等多種實(shí)體（Entities）用于模擬機(jī)構(gòu)間各種復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)關(guān)系。例如，僅運(yùn)動(dòng)鉸單元中就含有球鉸（Spherical）、滑移鉸（Translational）、轉(zhuǎn)動(dòng)鉸（Revolute）、圓柱鉸（Cylindrical）、平面鉸（Planar）、萬(wàn)向節(jié)（Universal）、彎曲——扭轉(zhuǎn)鉸（Flexion-Torsion）以及用戶自定義鉸（General）8種類型。并且，各種類型的運(yùn)動(dòng)鉸在其未受約束的自由度上還可以定義剛度、阻尼及摩擦系數(shù)等多種參數(shù)。如此強(qiáng)大的功能才使得對(duì)轎車正面碰撞過(guò)程中其前部運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的模擬成為可能，這也是該軟件的優(yōu)勢(shì)所在。

（3）RADIOSS。RADIOSS是用于工程仿真、按時(shí)間步驟積分的顯示有限元計(jì)算軟件，在撞擊模擬領(lǐng)域里，RADIOSS處于世界領(lǐng)先地位。RADIOSS能夠處理高速動(dòng)力荷載下，高階非線性材料的力學(xué)響應(yīng)問(wèn)題；針對(duì)典型的鋼材、復(fù)合材料、泡沫、有機(jī)玻璃、蜂窩狀材料、混凝土、塑料、織布等，軟件包提供35種不同的材料模型；強(qiáng)大的前處理功能，有效地縮短撞擊分析和人體防護(hù)分析的建模時(shí)間；直觀后處理分析功能，詳細(xì)演示結(jié)構(gòu)變形的動(dòng)態(tài)過(guò)程。

RADIOSS能進(jìn)行高速撞擊模擬，包括：多方位的撞擊模擬、行人和駕駛員碰撞傷殘程度評(píng)估、安全裝置的有效性檢測(cè)、汽車翻滾模擬。還能進(jìn)行靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)下的應(yīng)力分析，如：汽車頂棚強(qiáng)度的驗(yàn)證、安全帶與車體連接的牢固性分析。RADIOSS即行人和駕駛員在發(fā)生碰撞時(shí)的安全性及車輛的被動(dòng)安全性設(shè)計(jì)，是能夠模擬碰撞問(wèn)題的一款具有強(qiáng)大仿真功能的軟件。

（4）MADYMO。MADYMO軟件的原始設(shè)計(jì)意圖是要解決汽車碰撞過(guò)程中乘員的運(yùn)動(dòng)分析。但是目前MADYMO軟件經(jīng)過(guò)不斷完善和擴(kuò)充還可以用于諸如火車、飛機(jī)、摩托車甚至自行車等其它交通工具的碰撞分析；MADYMO程序亦可評(píng)價(jià)包括安全帶氣囊在內(nèi)的乘員約束系統(tǒng)對(duì)保護(hù)乘員的作用。MADYMO提供了用多體方法和有限元方法解決機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的方法，因而而它是非常實(shí)用的軟件系統(tǒng)。尤其是在交通工具被動(dòng)安全領(lǐng)域內(nèi)更顯示出其強(qiáng)大的功用。MADYMO軟件同時(shí)具有多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)和有限元性兩種分析功能，它將兩種分析方法有機(jī)地結(jié)合在一起。根據(jù)問(wèn)題的實(shí)際情況建立多體系統(tǒng)模型和有限元模型，或建立多體——有限元模型。

（5）CAE。CAE對(duì)碰撞問(wèn)題的研究多用于汽車產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)或改型階段，一般是采用CAE實(shí)體造型和參數(shù)化建模，并進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析、疲勞分析、動(dòng)力學(xué)仿真分析、汽車被動(dòng)安全性方面的分析以及震動(dòng)噪聲分析等，從而在設(shè)計(jì)階段發(fā)現(xiàn)潛在的問(wèn)題，進(jìn)而對(duì)所出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行修改和優(yōu)化，大幅度提高汽車產(chǎn)品的設(shè)計(jì)功能，縮短確定合理結(jié)構(gòu)參數(shù)所需要的時(shí)間。CAE能用有限元法解決碰撞問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)碰撞問(wèn)題的現(xiàn)實(shí)求解，但適用碰撞問(wèn)題的研究范圍較窄且精度較低。

（6）ADAMS。ADAMS是全球運(yùn)用最為廣泛的機(jī)械系統(tǒng)仿真軟件，用戶可以利用ADAMS在計(jì)算機(jī)上建立和測(cè)試虛擬樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)事實(shí)再現(xiàn)仿真，了解復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)性能。利用動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS可以較方便地求解剛性體的碰撞問(wèn)題，但計(jì)算參數(shù)的選取對(duì)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性有很大影響，計(jì)算參數(shù)如果設(shè)置的不夠準(zhǔn)確，在進(jìn)行碰撞仿真時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)穿透現(xiàn)象，甚至?xí)褂?jì)算終止。

ADAMS可以通過(guò)定義事故發(fā)生環(huán)境的人和車的具體參數(shù)來(lái)對(duì)事故進(jìn)行模擬，輸出碰撞過(guò)程中位移軌跡等，但是ADAMS建立的三維模型比較粗糙。

3.2 二類碰撞仿真軟件

二類碰撞仿真軟件根據(jù)實(shí)現(xiàn)仿真步驟的不同可以分為三維建模軟件、有限元分析軟件、動(dòng)態(tài)顯示碰撞仿真過(guò)程的軟件和碰撞結(jié)果處理軟件，各類軟件具體包含的軟件適用范圍和優(yōu)缺點(diǎn)如下所述。

（1）三維建模仿真軟件。三維建模軟件有CAD、CAE、CATIA、UG、Solidworks、3DSMAXS、Pro/E 等。CAD即計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD-Computer Aided Design）利用計(jì)算機(jī)及其圖形設(shè)備幫助設(shè)計(jì)人員進(jìn)行設(shè)計(jì)工作。在工程和產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，計(jì)算機(jī)可以幫助設(shè)計(jì)人員擔(dān)負(fù)計(jì)算、信息存儲(chǔ)和制圖等項(xiàng)工作。CAE指工程設(shè)計(jì)中的計(jì)算機(jī)輔助工程CAE（Computer Aided Engineering），指用計(jì)算機(jī)輔助求解分析復(fù)雜工程和產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能，以及優(yōu)化結(jié)構(gòu)性能等。而CAE軟件可作靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析，動(dòng)態(tài)分析；研究線性、非線性問(wèn)題；分析結(jié)構(gòu)（固體）、流體、電磁等。CATIA可以幫助制造廠商設(shè)計(jì)他們未來(lái)的產(chǎn)品，并支持從項(xiàng)目前階段、具體的設(shè)計(jì)、分析、模擬、組裝到維護(hù)在內(nèi)的全部工業(yè)設(shè)計(jì)流程。CATIA系列產(chǎn)品已經(jīng)在七大領(lǐng)域里成為首要的3D設(shè)計(jì)和模擬解決方案：汽車、航空航天、船舶制造、廠房設(shè)計(jì)、電力與電子、消費(fèi)品和通用機(jī)械制造。UG是Unigraphics的縮寫(xiě)，這是一個(gè)交互式CAD/CAM（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)輔助制造）系統(tǒng)，它功能強(qiáng)大，可以輕松實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜實(shí)體及造型的建構(gòu)。Solidworks軟件是世界上第一個(gè)基于Windows開(kāi)發(fā)的三維CAD系統(tǒng)，由于使用了Windows OLE技術(shù)、直觀式設(shè)計(jì)技術(shù)、先進(jìn)的parasolid內(nèi)核（由劍橋提供）以及良好的與第三方軟件的集成技術(shù)，SolidWorks成為全球裝機(jī)量最大、最好用的軟件。3DSMAXS是Autodesk公司開(kāi)發(fā)的基于PC系統(tǒng)的三維動(dòng)畫(huà)渲染和制作軟件，是Autodesk公司開(kāi)發(fā)的基于PC系統(tǒng)的三維動(dòng)畫(huà)渲染和制作軟件。Pro/E是一款集CAD/CAM/CAE功能一體化的綜合性三維軟件，在目前的三維造型軟件領(lǐng)域中占有著重要地位，并作為當(dāng)今世界機(jī)械CAD/CAE/CAM領(lǐng)域的新標(biāo)準(zhǔn)而得到業(yè)界的認(rèn)可和推廣，是現(xiàn)今最成功的CAD/CAM軟件之一。從一些軟件使用者的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，建模最簡(jiǎn)單的是Solidworks，三維模型成型效果最好的是3DSMAXS，其余的軟件學(xué)習(xí)的難易程度都差不多，要看建模者的軟件應(yīng)用基礎(chǔ)，看使用者最熟悉和擅長(zhǎng)使用哪一軟件建模。

（2）有限元分析軟件。有限元分析軟件應(yīng)用最多的有ANSYS和Hyper-mesh，它們可以進(jìn)行網(wǎng)格劃分從而用有限元法對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行分析計(jì)算。ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)分析于一體的大型通用有限元分析軟件。由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國(guó)ANSYS開(kāi)發(fā)，它能與多數(shù)CAD軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的高級(jí)CAE工具之一。Hypermesh具有很高的有限元網(wǎng)格劃分和處理效率，應(yīng)用Hypermesh可以大大提高CAE分析工程師的效率；它所具有非常簡(jiǎn)潔和方便的用戶界面，大大節(jié)省了用戶學(xué)習(xí)Hypermesh所需要的時(shí)間；直接輸入CAD幾何模型及有限元模型，減少用于建模的重復(fù)工作和費(fèi)用；高速度、高質(zhì)量的自動(dòng)網(wǎng)格劃分極大地簡(jiǎn)化復(fù)雜幾何的有限元建模過(guò)程。

（3）動(dòng)態(tài)顯示碰撞仿真過(guò)程的軟件。動(dòng)態(tài)顯示碰撞仿真過(guò)程的軟件有LS-DYNA、OpenGL、VPG，可以進(jìn)行有限元顯示求解。LS-DYNA是世界上最著名的通用顯式動(dòng)力分析程序，能夠模擬真實(shí)世界的各種復(fù)雜問(wèn)題，特別適合求解各種二維、三維非線性結(jié)構(gòu)的高速碰撞、爆炸和金屬成型等非線性動(dòng)力沖擊問(wèn)題，同時(shí)可以求解傳熱、流體及流固耦合問(wèn)題。在工程應(yīng)用領(lǐng)域被廣泛認(rèn)可為最佳的分析軟件包。與實(shí)驗(yàn)的無(wú)數(shù)次對(duì)比證實(shí)了其計(jì)算的可靠性。OpenGL是行業(yè)領(lǐng)域中最為廣泛接納的 2D/3D圖形 API，是獨(dú)立于視窗操作系統(tǒng)或其它操作系統(tǒng)的，亦是網(wǎng)絡(luò)透明的。在包含CAD、內(nèi)容創(chuàng)作、能源、娛樂(lè)、游戲開(kāi)發(fā)、制造業(yè)、制藥業(yè)及虛擬現(xiàn)實(shí)等行業(yè)領(lǐng)域中，OpenGL幫助程序員實(shí)現(xiàn)在PC、工作站、超級(jí)計(jì)算機(jī)等硬件設(shè)備上的高性能、極具沖擊力的高視覺(jué)表現(xiàn)力圖形處理軟件的開(kāi)發(fā)。OpenGL是個(gè)與硬件無(wú)關(guān)的軟件接口，可以在不同的平臺(tái)如 Windows 95、Windows NT、Unix、Linux、MacOS、OS/2 之間進(jìn)行移植。因此，支持OpenGL的軟件具有很好的移植性，可以獲得非常廣泛的應(yīng)用。由于OpenGL是圖形的底層圖形庫(kù)，沒(méi)有提供幾何實(shí)體圖元，不能直接用以描述場(chǎng)景。但是，通過(guò)一些轉(zhuǎn)換程序，可以很方便地將AutoCAD、3DS/3DSMAX等3D圖形設(shè)計(jì)軟件制作的DXF和3DS模型文件轉(zhuǎn)換成OpenGL的頂點(diǎn)數(shù)組。

VPG（Virtual Proving Ground）虛擬試驗(yàn)場(chǎng)是美國(guó)ETA（Engineering Technology Associates，Inc.） 公司總結(jié)汽車 CAE長(zhǎng)期工作經(jīng)驗(yàn)，在LD-DANA軟件平臺(tái)上開(kāi)發(fā)的，是美國(guó)ETA/LSTC/ANSYS三個(gè)公司合作推出專門應(yīng)用于汽車工程的軟件。VPG技術(shù)是ETA公司在多年汽車CAE仿真工作經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，總結(jié)豐富的汽車專業(yè)工作經(jīng)驗(yàn)而開(kāi)發(fā)的。LD-DYNA軟件優(yōu)秀的本質(zhì)，保證了VPG具有先進(jìn)的功能、豐富的數(shù)據(jù)庫(kù)為用戶提供了極大的方便，應(yīng)用方法簡(jiǎn)單標(biāo)準(zhǔn)，深受汽車工程界的歡迎。VPG技術(shù)應(yīng)用于當(dāng)前汽車產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中的前沿——整車系統(tǒng)疲勞、整車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、NVH和整車碰撞安全及乘員保護(hù)等最熱門仿真問(wèn)題。VPG虛擬試驗(yàn)場(chǎng)可以進(jìn)行有關(guān)整車系統(tǒng)全部試驗(yàn)項(xiàng)目，包括：道路條件下，整車系統(tǒng)疲勞壽命分析；柔性和剛性體組合體（含整車系統(tǒng)）的非線性系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析；整車系統(tǒng)NVH分析；碰撞仿真和乘員保護(hù)及評(píng)價(jià)。

（4）計(jì)算結(jié)果處理軟件。計(jì)算結(jié)果處理軟件有LS-PREOST（是 LS-DYNA中的模塊）、MATLAB等。LS-PREOST（是LS-DYNA中的模塊）能進(jìn)行結(jié)果的彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、等值面、粒子流跡顯示、立體切片、透明及半透明顯示；變形顯示及各種動(dòng)畫(huà)顯示；圖形的PS、TIFF及HPGL格式輸出與轉(zhuǎn)換等。MATLAB在數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件中在數(shù)值計(jì)算方面首屈一指。MATLAB可以進(jìn)行矩陣運(yùn)算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接matlab開(kāi)發(fā)工作界面其他編程語(yǔ)言的程序等，主要應(yīng)用于工程計(jì)算、控制設(shè)計(jì)、信號(hào)處理與通訊、圖像處理、信號(hào)檢測(cè)、金融建模設(shè)計(jì)與分析等領(lǐng)域。在碰撞問(wèn)題的研究中主要應(yīng)用的是MATLAB的數(shù)值分析和數(shù)值計(jì)算功能。

3.3 常用軟件組合

前面已經(jīng)介紹了各種可用于汽車碰撞仿真領(lǐng)域的軟件，這些軟件往往組合起來(lái)使用，可以將第一類軟件與第二類軟件組合起來(lái)使用，也可第二類軟件之間相互組合，以提高仿真精度和實(shí)現(xiàn)仿真目的。常用的一些軟件組合有：用三維建模軟件CATIA建立汽車模型，前處理用ANSYS劃分網(wǎng)格，再用LS-DYNA分析碰撞安全性，后處理用LS-PREPOST（LS-DYNA的一個(gè)模塊）。用3DSMAX建立逼真的汽車實(shí)體模型，用MATLAB編程，以在圖形接口程序OPENGL中讀入車輛運(yùn)行參數(shù)及輸出所需數(shù)據(jù)。用CAE建立轎車實(shí)體三維模型，再用VPG輔助建模，提高整車建模精度，然后在VPG中實(shí)現(xiàn)仿真及結(jié)果輸出。

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