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摘要：当今世界每年因汽车交通事故造成了巨大的人员伤亡和社会财产损失，汽车安全问题因此成为汽车工业界的研究重点。由于汽车正面碰撞是最常见的交通事故之一，而且正面碰撞事故中造成的死亡人数占首位，因此，汽车正面碰撞抗撞性研究是汽车碰撞安全研究的核心内容。通过CAE仿真分析，可以对车身结构设计的合理性与有效性进行验证，提高车辆的被动安全性能。
关键词：CAE分析；正面碰撞；抗碰性能
引言
世界卫生组织2004年的研究表明，全世界每天大约有3000人死于交通事故。在我国，随着交通道路的迅速发展和汽车保有量的增多，交通事故次数和死亡人数也大幅上升。我国已成为汽车大国，随着EuroNCAP和CNCAP在中国认知度的提升，人们对于车辆安全性的重视程度也越来越高。汽车安全性分为主动安全性和被动安全性。对于车身结构而言，其被动安全性研究主要包括车体抗撞性、行人保护及车室内部保护等内容。其中，车体抗撞性研究包括车身结构特性、车身材料、能量管理、波形控制等。汽车碰撞又分为正面碰撞、侧面碰撞、后面碰撞等。现在对车身结构正面抗撞性做简要论述。
1正面碰撞事故模式归类
通过实际事故调查分析，正面碰撞模式可以从碰撞接触形式、碰撞速度两方面进行划分，碰撞接触形式分为正面壁障、左倾斜左偏置、右倾斜右偏置、左倾斜右偏置、右倾斜左偏置等共计23种；碰撞速度主要分成10m/h、15m/h、22m/h、25m/h、30m/h、35m/h、40m/h七种等级。目前主机厂所能实现的碰撞形式只占实际事故的2%。
正面碰撞中的几个典型物理量，如能量、位移、速度、加速度等与时间的关系，以及它们之间的相互关系，构成了正面碰撞的各种动力学模式。为了分析需要，还需加入能量密度、能量当量速度、刚度、强度等概念。在概念设计及工程定义阶段，利用这些物理量寻找等量碰撞条件（不同碰撞速度与模式下具有相同的碰撞强度）建立伤害指标与碰撞强度的对应关系，实现车身结构设计参数的性能控制。
图1反映出了不同等级车辆在正面碰撞中的作用力与位移的复杂关系，为了考虑问题方便，图中将某大型豪华轿车的曲线抽象成一条直线。可以看到曲线与直线的积分面积非常接近，即外力做功非常接近。
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图1 不同等级车辆在正面碰撞中的作用力与位移的关系
2正面抗碰性能定义
通过全面、完整地对标分析，对所有车型从车辆基本参数、性能参数和乘员保护参数进行比较，确定目标车型的正面抗撞性能等级和车体抗撞性参数。主要包括以下主要参数：车辆总长、总宽、整备质量、发动机尺寸、发动机前后端尺寸、加速度波形质心、最大动态变形对应的时刻、最大动态变形和车辆前端刚度等。
3正面碰撞性能概念设计
在概念设计阶段，为了快速确定各主要刚性区域的刚度特性，引入车体加速度波形拟合方法和多刚体系统动力学方法。对初始加速度非零的波形拟合采用平均方波ASW、等效方波ESW和尖顶等效方波TESW（见图2）；对初始加速度为零的波形拟合采用傅立叶等效波FEW、梯形近似波TWA、双梯度近似波 BSA和半正弦波与半正矢正弦波。
在概念设计阶段利用多刚体系统动力学方法，实现概念阶段预期波形的再现。在多刚体碰撞模型中提取碰撞结构的相关参数，实现概念设计阶段车辆车体碰撞加速度、车辆结构尺寸的控制。
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4正面碰撞性能工程设计及仿真分析
实现车身及相关部件的设计，并通过CAE仿真分析对工程设计的合理性与有效性进行验证。根据不同碰撞法规和实际事故归类模式，进行不同工况下的设计和分析，实现保险杠骨架、碰撞缓冲器、前纵梁和车身地板的逐步逐级设计。在结构设计中，不仅要充分考虑车辆结构对碰撞载荷分布的影响，同时也要考虑在载荷路径上各种级别钢板材料的分布，（见图3）。在设计与分析过程中，充分考虑材料在高速冲击下应变率的影响、拉延对材料的影响、多参数优化、稳健性分析和灵敏度分析。对不同的碰撞模式采用不同的车身结构特性限值进行评价，评定车身结构性能等级。
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碰撞结果暴露出车辆结构设计和仿真分析中遗漏的问题时，需对车辆结构进行设计更改。在设计改进过程中，必须将结构设计及性能分析结合在一起，仅采取单方面的措施不能从本质上实现产品性能的最优化。
5 结束语
汽车正面碰撞是导致事故死亡的主要原因之一，提高汽车正面碰撞能力及吸收碰撞能量提高生存率是难度很高的抗碰撞技术。我国汽车正面碰撞的乘员保护标准制定实施只是推行汽车碰撞试验标准的第一步。
但随着我国汽车工业的不断发展，法规标准的不断完善，实车碰撞试验技术的不断提高，我国汽车产品将在被动安全领域达到国际先进水平。
参考文献：
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