車(chē)身結(jié)構(gòu)耐撞性與乘員保護(hù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)與實(shí)踐

段利斌， 江浩斌， 張學(xué)榮， 耿國(guó)慶， 曹曉輝

（江蘇大學(xué)汽車(chē)與交通工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212013）

0 引 言

汽車(chē)碰撞是最主要的道路交通事故形式，造成了巨大的生命與財(cái)產(chǎn)損失。提高車(chē)身結(jié)構(gòu)耐撞性和乘員保護(hù)的研發(fā)能力，可以從車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生的理論教育和實(shí)踐能力的培養(yǎng)做起［1-2］。我國(guó)許多高校的車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè)均開(kāi)設(shè)了《車(chē)身結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)》《汽車(chē)與交通安全》《汽車(chē)性能與仿真》等課程，這些課程均涉及車(chē)身結(jié)構(gòu)耐撞與乘員保護(hù)評(píng)價(jià)的理論和實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)［3-6］。開(kāi)展實(shí)車(chē)碰撞實(shí)驗(yàn)，不僅需要3000m2以上的場(chǎng)地，還需要昂貴的儀器設(shè)備、實(shí)驗(yàn)假人，單次實(shí)驗(yàn)費(fèi)用達(dá)20 萬(wàn)元以上，按標(biāo)準(zhǔn)流程操作整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程耗時(shí)約12 ～16 h。汽車(chē)碰撞實(shí)驗(yàn)過(guò)程復(fù)雜、所有操作必須由專(zhuān)業(yè)人員完成，學(xué)生的參與度低，還存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn)。因此，不適合在高校開(kāi)展實(shí)車(chē)碰撞實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

基于真實(shí)車(chē)輛建立高精度數(shù)字化車(chē)輛仿真模型，運(yùn)用數(shù)字化車(chē)輛、數(shù)字化假人、虛擬實(shí)驗(yàn)室與虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）等先進(jìn)教學(xué)技術(shù)［7-15］，開(kāi)發(fā)車(chē)身結(jié)構(gòu)耐撞性與乘員保護(hù)評(píng)價(jià)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“平臺(tái)”）。學(xué)生通過(guò)在自主交互的虛擬環(huán)境中開(kāi)展在線仿真實(shí)驗(yàn)，掌握汽車(chē)碰撞實(shí)驗(yàn)的基本內(nèi)容、儀器設(shè)備、操作流程、數(shù)據(jù)分析方法、國(guó)家新車(chē)評(píng)價(jià)規(guī)程（China New Car Assessment Procedure，C-NCAP）安全評(píng)價(jià)方法，達(dá)到“以虛補(bǔ)實(shí)，虛實(shí)結(jié)合，深度交互，理實(shí)融合”的教學(xué)效果。

1 實(shí)驗(yàn)原理與目的

對(duì)車(chē)身結(jié)構(gòu)耐撞性與乘員保護(hù)評(píng)價(jià)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)思想、體系、模式、內(nèi)容、方法、手段等進(jìn)行了系統(tǒng)化設(shè)計(jì)，使學(xué)生在自主交互的虛擬環(huán)境中完成實(shí)驗(yàn)，彌補(bǔ)實(shí)體實(shí)驗(yàn)的不足。本實(shí)驗(yàn)遵循以下基本原理：車(chē)輛數(shù)字化虛擬模型與真實(shí)車(chē)輛的可替代性；乘員約束系統(tǒng)模型的可驗(yàn)證性；虛擬假人與物理假人的動(dòng)力學(xué)性能的一致性，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容如圖1 所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)基本內(nèi)容

本實(shí)驗(yàn)的主要目的是使學(xué)生在較短時(shí)間內(nèi)掌握汽車(chē)碰撞實(shí)驗(yàn)的基本內(nèi)容、儀器設(shè)備、操作流程、數(shù)據(jù)分析方法、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、C-NCAP 安全等級(jí)評(píng)價(jià)方法，為研究道路交通事故防控、開(kāi)發(fā)高安全性汽車(chē)產(chǎn)品奠定理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。預(yù)期達(dá)到以下目的：虛實(shí)結(jié)合、以虛補(bǔ)實(shí)，解決實(shí)體教學(xué)實(shí)驗(yàn)難以開(kāi)展的問(wèn)題；運(yùn)用先進(jìn)教學(xué)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)“深度交互、理實(shí)融合”學(xué)習(xí)效果；激發(fā)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣，培養(yǎng)學(xué)生分析復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。

2 項(xiàng)目開(kāi)發(fā)與交互式操作

2.1 項(xiàng)目開(kāi)發(fā)

本平臺(tái)運(yùn)用了三維建模軟件（如UG、Catia等）、有限元前處理軟件（如Altair Hyperworks）、后處理求解器軟件（LS-DYNA）、數(shù)據(jù)及動(dòng)畫(huà)后處理軟件（如Hyper View）、微軟虛擬化管理軟件、沉浸式虛擬交互系統(tǒng)以及Hybrid III及World SID 50 百分位虛擬假人。以計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為依托，借助開(kāi)放式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理平臺(tái)的支撐，采用面向服務(wù)的軟件架構(gòu)開(kāi)發(fā)，集實(shí)物仿真、創(chuàng)新設(shè)計(jì)、智能指導(dǎo)、虛擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果自動(dòng)批改和教學(xué)管理于一體，保證用戶能夠隨時(shí)隨地通過(guò)瀏覽器訪問(wèn)該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并通過(guò)平臺(tái)提供面向用戶的智能指導(dǎo)、自動(dòng)批改服務(wù)功能，盡可能幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)自主的實(shí)驗(yàn)，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開(kāi)放服務(wù)能力，提升開(kāi)放服務(wù)效果，具有良好自主性、交互性和可擴(kuò)展性的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 平臺(tái)運(yùn)行流程

2.2 交互式操作

平臺(tái)包括汽車(chē)正面碰撞和側(cè)面碰撞2 個(gè)模塊，如圖3 所示。學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)之前需要預(yù)習(xí)、查閱文獻(xiàn)資料、完成預(yù)習(xí)報(bào)告。在開(kāi)展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)，要通過(guò)軟件初始界面的“實(shí)驗(yàn)概況”“實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備”按鈕進(jìn)入相應(yīng)環(huán)節(jié)，了解實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)原理、認(rèn)知汽車(chē)結(jié)構(gòu)、認(rèn)知實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地與儀器設(shè)備。完成認(rèn)知后進(jìn)入實(shí)驗(yàn)操作環(huán)節(jié)，完成汽車(chē)碰撞、處理數(shù)據(jù)、分析碰撞結(jié)果，最后形成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

圖3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K

以汽車(chē)正面碰撞為例，說(shuō)明本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的學(xué)生交互性操作的主要步驟：

步驟1 車(chē)身結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)設(shè)置：包括前縱梁、前指梁、防撞梁、吸能盒等結(jié)構(gòu)的厚度和材料牌號(hào)，如圖4 所示。

圖4 車(chē)身結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)設(shè)置

步驟2 安裝HPM裝置（H點(diǎn)測(cè)量）：調(diào)整座椅位置，靠背角度到設(shè)計(jì)值（見(jiàn)圖5），完成后將裝置放回假人庫(kù)。

圖5 HPM（H點(diǎn)測(cè)量）裝置安裝

步驟3 安裝假人：從假人庫(kù)中選擇正確假人模型，安裝至座椅，調(diào)整假人坐姿，記錄各項(xiàng)假人定位參數(shù)，確保試驗(yàn)一致性。給假人系好安全帶，扣上安全扣，如圖6 所示。

圖6 三點(diǎn)式安全帶佩戴

步驟4 安裝數(shù)據(jù)采集儀和傳感器：將數(shù)據(jù)采集儀安裝在汽車(chē)后備箱、車(chē)身B 柱上安裝加速度傳感器、安全帶上安裝力傳感器，如圖7 所示。

圖7 安裝數(shù)據(jù)采集儀

步驟5 碰撞前車(chē)身參數(shù)測(cè)量和整車(chē)稱(chēng)重：用掃描式三坐標(biāo)儀測(cè)量車(chē)身結(jié)構(gòu)參數(shù)，用地磅測(cè)得汽車(chē)整備質(zhì)量，如圖8 所示。

圖8 碰撞前車(chē)身結(jié)構(gòu)參數(shù)測(cè)量和整車(chē)稱(chēng)重

步驟6 安裝牽引鉸鏈：安裝鉸鏈，連接牽引滑塊和車(chē)身，如圖9 所示。

圖9 牽引鉸鏈安裝

步驟7 實(shí)施汽車(chē)碰撞：推動(dòng)控制臺(tái)上的“啟動(dòng)正面碰撞”推桿，進(jìn)行汽車(chē)正面碰撞，觀察汽車(chē)碰撞過(guò)程，如圖10 所示。

圖10 汽車(chē)碰撞過(guò)程

步驟8 碰撞后車(chē)身參數(shù)測(cè)量，如圖11 所示。

圖11 碰撞后車(chē)身參數(shù)測(cè)量

步驟9 碰撞數(shù)據(jù)處理和分析：從后備箱取出數(shù)據(jù)采集儀，下載高速攝像機(jī)視頻，連接電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；觀察碰撞波形時(shí)間歷程曲線，獲取a-t 曲線，計(jì)算v-t曲線與L-t曲線，如圖12 所示。

步驟10 車(chē)身變形及假人姿態(tài)查看分析：從正視、側(cè)視、俯視等不同角度查看車(chē)身結(jié)構(gòu)變形及假人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。例如，查看前縱梁、防火墻等關(guān)鍵部件的變形狀態(tài)及最大變形量，如圖13 所示。

圖12 碰撞數(shù)據(jù)處理和分析

圖13 車(chē)身變形及假人姿態(tài)查看分析

步驟11 假人損傷曲線查看和分析：包括頭部、胸部、髖部加速度，安全帶張力以及胸部壓縮量、頸部力矩、頸部張力、大腿軸向壓力、小腿軸向壓力、小腿力矩、膝部滑移量等，如圖14 所示。

圖14 假人損傷曲線查看和分析

步驟12 正面碰撞乘員保護(hù)評(píng)價(jià)：根據(jù)上述假人損傷曲線以及正面碰撞評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，得到乘員保護(hù)總評(píng)分。進(jìn)行乘員安全水平可視化顯示，如圖15 所示。

圖15 乘員安全水平可視化顯示

3 項(xiàng)目特色與創(chuàng)新

本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目堅(jiān)持“以虛補(bǔ)實(shí)，虛實(shí)結(jié)合、深度交互、理實(shí)融合”教學(xué)理念，主要特色和創(chuàng)新包括：

全面融合數(shù)字化車(chē)輛、數(shù)字化假人、虛擬實(shí)驗(yàn)室與VR等先進(jìn)教學(xué)技術(shù)，學(xué)生參與度高，解決了實(shí)體教學(xué)實(shí)驗(yàn)難以開(kāi)展的問(wèn)題；

不斷融入吸收最新教學(xué)實(shí)踐和科研成果，虛擬車(chē)輛模型、虛擬假人、虛擬乘員模型精度高，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果可信度高；

以工程認(rèn)證理念和新工科人才培養(yǎng)要求為導(dǎo)向，將理論、操作、仿真、標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用等知識(shí)融合貫通，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。

4 項(xiàng)目推廣應(yīng)用

4.1 面向高校的教學(xué)推廣應(yīng)用

以車(chē)輛工程、交通工程、運(yùn)輸工程方向的專(zhuān)業(yè)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)為主，擴(kuò)展面向其他專(zhuān)業(yè)方向，汽車(chē)服務(wù)工程、環(huán)境工程和安全工程等專(zhuān)業(yè)相關(guān)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。通過(guò)在線選課、自主實(shí)驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力與查閱文獻(xiàn)資料能力、增強(qiáng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能和動(dòng)手能力?，F(xiàn)已在車(chē)輛工程、交通運(yùn)輸?shù)? 個(gè)專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)本實(shí)驗(yàn)，教學(xué)效果良好。

向國(guó)內(nèi)高校和企業(yè)、社會(huì)辦學(xué)機(jī)構(gòu)開(kāi)放，2018 ～2019 年主要面向省內(nèi)本科院校，并邀請(qǐng)部分國(guó)內(nèi)院校參與；2020 ～2021 年向國(guó)內(nèi)本科院校開(kāi)放，并對(duì)國(guó)內(nèi)主要汽車(chē)企業(yè)開(kāi)放；2022 年開(kāi)始面向國(guó)內(nèi)高校和企業(yè)及實(shí)驗(yàn)室、檢測(cè)站開(kāi)放，允許符合條件的社會(huì)機(jī)構(gòu)接入。

4.2 面向社會(huì)的推廣與持續(xù)服務(wù)

通過(guò)舉辦會(huì)議、成立論壇、接待參訪等形式，與校內(nèi)外及國(guó)內(nèi)外院校、汽車(chē)企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)建立有效的資源共享平臺(tái)；國(guó)內(nèi)其他相關(guān)專(zhuān)業(yè)的學(xué)校和學(xué)生能共享我們的建設(shè)成果，為培養(yǎng)學(xué)生的綜合創(chuàng)新能力服務(wù)。目前，本平臺(tái)已向省內(nèi)部分高校和南京、上海等多家相關(guān)企業(yè)開(kāi)放。

綜合應(yīng)用多媒體、大數(shù)據(jù)、三維建模、人工智能、人機(jī)交互、傳感器、超級(jí)計(jì)算、虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、云計(jì)算等網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化技術(shù)手段，合理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，豐富虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容；舉辦相關(guān)技能大賽，促進(jìn)和提升學(xué)生的專(zhuān)業(yè)實(shí)踐能力。

5 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)汽車(chē)碰撞虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源相對(duì)匱乏的現(xiàn)狀，運(yùn)用虛擬車(chē)輛模型、虛擬假人、虛擬儀器、虛擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)，借助3D可視化、人機(jī)交互、VR、智能網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)代信息等技術(shù)，開(kāi)發(fā)了車(chē)身結(jié)構(gòu)耐撞性與乘員保護(hù)評(píng)價(jià)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)堅(jiān)持“以虛補(bǔ)實(shí)，虛實(shí)結(jié)合、深度交互、理實(shí)融合”教學(xué)理念，以工程認(rèn)證理念和新工科人才培養(yǎng)要求為導(dǎo)向，全面融合數(shù)字化車(chē)輛、數(shù)字化假人、虛擬實(shí)驗(yàn)室與VR等先進(jìn)教學(xué)技術(shù)，對(duì)車(chē)身結(jié)構(gòu)耐撞性與乘員保護(hù)評(píng)價(jià)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)思想、體系、模式、內(nèi)容、方法、手段等進(jìn)行系統(tǒng)化設(shè)計(jì)，為研究道路交通事故防控、開(kāi)發(fā)高安全性汽車(chē)產(chǎn)品奠定理論和工程基礎(chǔ)。

本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目面向國(guó)內(nèi)高校和企業(yè)、社會(huì)辦學(xué)機(jī)構(gòu)開(kāi)放，主要用于企業(yè)員工的崗前培訓(xùn)和高校專(zhuān)業(yè)課的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。目前，已向南京理工大學(xué)、南京航空航天大學(xué)等高校和南京、上海等多家相關(guān)企業(yè)開(kāi)放，具有廣闊的應(yīng)用前景。