汽車碰撞建模與仿真軟件綜述

丁禮燈，李曉娜

（1.長江職業學院，湖北 武漢 430074；2.河南信息統計職業學院，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，首先應了解汽車碰撞模擬的過程。在了解模擬過程的基礎上，據此來將可用的軟件分類，并詳細闡述各軟件的適用條件及優缺點，以達到方便研究者選用合適的軟件以輔助研究之目的。

1 汽車碰撞模擬的過程

汽車碰撞的仿真過程可以分為四個階段，分別為：①建立研究對象的三維模型；②仿真的前處理階段，即用有限元軟件對已建立的三維模型劃分網格；③仿真碰撞的過程，即用有限元軟件顯示求解；④仿真的后處理階段，即計算結果處理，如繪制碰撞參數曲線等。

了解汽車碰撞的過程對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，也就是對各軟件的功能與適用范圍有更加系統化的認識。

2 汽車碰撞仿真軟件的分類

根據汽車碰撞的仿真過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步驟于一體的軟件，如：PC-CRASH、PAM-CRASH、RADIOSS、MADYMO 等，即用某一個軟件就可以將上述四個步驟完成，或者說上述四個仿真步驟可以在選用的一個軟件中完成；二類軟件是將多種軟件組合起來成這四個步驟，或者說是選擇不同的軟件以分別實現各個步驟，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格仿真碰撞計算結果處理PC-CRASH、PAM-CRASH、RADIOSS、MADYMO、CAE、ADAMS等；二類軟件建立三維模型劃分網格仿真碰撞計算結果處理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，這類仿真軟件的優點是模型豐富、建模工作量小、仿真結束就能輸出碰撞期望參數，現分別進行介紹。

（1）PC-CRASH。選用PC-Crash軟件進行模擬，這樣就避免建立詳細的有限元模型，而是直接從PC-Crash的模型庫中直接調用行人和車輛模型，其中車輛模型外形尺寸能與實際車輛參數完全一致，并能夠顯示出車輛配備的電子系統（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，從而大大縮短計算時間，提高仿真效率，同時還能提高仿真效率。PC-Crash多用于人車碰撞的分析，能夠再現事故過程，進行行人碰撞接觸應力分析，可詳細分析行人頭部的速度、角速度、拋射距離等技術參數。主要關注與人車碰撞的過程和碰撞后人的受傷害部位和程度，即關注與行人的安全性。

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

PAM-CRASH軟件提供了專門的運動鉸單元（Kinematic Joint Elements），非線性6自由度彈簧／阻尼單元（Nonlinear 6DOF Spring/Dashpot Elements），焊點約束（Spotwelds）等多種實體（Entities）用于模擬機構間各種復雜的運動關系。例如，僅運動鉸單元中就含有球鉸（Spherical）、滑移鉸（Translational）、轉動鉸（Revolute）、圓柱鉸（Cylindrical）、平面鉸（Planar）、萬向節（Universal）、彎曲——扭轉鉸（Flexion-Torsion）以及用戶自定義鉸（General）8種類型。并且，各種類型的運動鉸在其未受約束的自由度上還可以定義剛度、阻尼及摩擦系數等多種參數。如此強大的功能才使得對轎車正面碰撞過程中其前部運動機構的模擬成為可能，這也是該軟件的優勢所在。

（3）RADIOSS。RADIOSS是用于工程仿真、按時間步驟積分的顯示有限元計算軟件，在撞擊模擬領域里，RADIOSS處于世界領先地位。RADIOSS能夠處理高速動力荷載下，高階非線性材料的力學響應問題；針對典型的鋼材、復合材料、泡沫、有機玻璃、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；強大的前處理功能，有效地縮短撞擊分析和人體防護分析的建模時間；直觀后處理分析功能，詳細演示結構變形的動態過程。

RADIOSS能進行高速撞擊模擬，包括：多方位的撞擊模擬、行人和駕駛員碰撞傷殘程度評估、安全裝置的有效性檢測、汽車翻滾模擬。還能進行靜態和準靜態下的應力分析，如：汽車頂棚強度的驗證、安全帶與車體連接的牢固性分析。RADIOSS即行人和駕駛員在發生碰撞時的安全性及車輛的被動安全性設計，是能夠模擬碰撞問題的一款具有強大仿真功能的軟件。

（4）MADYMO。MADYMO軟件的原始設計意圖是要解決汽車碰撞過程中乘員的運動分析。但是目前MADYMO軟件經過不斷完善和擴充還可以用于諸如火車、飛機、摩托車甚至自行車等其它交通工具的碰撞分析；MADYMO程序亦可評價包括安全帶氣囊在內的乘員約束系統對保護乘員的作用。MADYMO提供了用多體方法和有限元方法解決機械系統運動學和動力學的方法，因而而它是非常實用的軟件系統。尤其是在交通工具被動安全領域內更顯示出其強大的功用。MADYMO軟件同時具有多體系統動力學和有限元性兩種分析功能，它將兩種分析方法有機地結合在一起。根據問題的實際情況建立多體系統模型和有限元模型，或建立多體——有限元模型。

（5）CAE。CAE對碰撞問題的研究多用于汽車產品設計開發或改型階段，一般是采用CAE實體造型和參數化建模，并進行應力應變分析、疲勞分析、動力學仿真分析、汽車被動安全性方面的分析以及震動噪聲分析等，從而在設計階段發現潛在的問題，進而對所出現的問題進行修改和優化，大幅度提高汽車產品的設計功能，縮短確定合理結構參數所需要的時間。CAE能用有限元法解決碰撞問題，實現碰撞問題的現實求解，但適用碰撞問題的研究范圍較窄且精度較低。

（6）ADAMS。ADAMS是全球運用最為廣泛的機械系統仿真軟件，用戶可以利用ADAMS在計算機上建立和測試虛擬樣機，實現事實再現仿真，了解復雜機械系統設計的運動性能。利用動力學仿真軟件ADAMS可以較方便地求解剛性體的碰撞問題，但計算參數的選取對計算結果的準確性有很大影響，計算參數如果設置的不夠準確，在進行碰撞仿真時可能會出現穿透現象，甚至會使計算終止。

ADAMS可以通過定義事故發生環境的人和車的具體參數來對事故進行模擬，輸出碰撞過程中位移軌跡等，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實現仿真步驟的不同可以分為三維建模軟件、有限元分析軟件、動態顯示碰撞仿真過程的軟件和碰撞結果處理軟件，各類軟件具體包含的軟件適用范圍和優缺點如下所述。

（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即計算機輔助設計（CAD-Computer Aided Design）利用計算機及其圖形設備幫助設計人員進行設計工作。在工程和產品設計中，計算機可以幫助設計人員擔負計算、信息存儲和制圖等項工作。CAE指工程設計中的計算機輔助工程CAE（Computer Aided Engineering），指用計算機輔助求解分析復雜工程和產品的結構力學性能，以及優化結構性能等。而CAE軟件可作靜態結構分析，動態分析；研究線性、非線性問題；分析結構（固體）、流體、電磁等。CATIA可以幫助制造廠商設計他們未來的產品，并支持從項目前階段、具體的設計、分析、模擬、組裝到維護在內的全部工業設計流程。CATIA系列產品已經在七大領域里成為首要的3D設計和模擬解決方案：汽車、航空航天、船舶制造、廠房設計、電力與電子、消費品和通用機械制造。UG是Unigraphics的縮寫，這是一個交互式CAD/CAM（計算機輔助設計與計算機輔助制造）系統，它功能強大，可以輕松實現各種復雜實體及造型的建構。Solidworks軟件是世界上第一個基于Windows開發的三維CAD系統，由于使用了Windows OLE技術、直觀式設計技術、先進的parasolid內核（由劍橋提供）以及良好的與第三方軟件的集成技術，SolidWorks成為全球裝機量最大、最好用的軟件。3DSMAXS是Autodesk公司開發的基于PC系統的三維動畫渲染和制作軟件，是Autodesk公司開發的基于PC系統的三維動畫渲染和制作軟件。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域中占有著重要地位，并作為當今世界機械CAD/CAE/CAM領域的新標準而得到業界的認可和推廣，是現今最成功的CAD/CAM軟件之一。從一些軟件使用者的經驗來看，建模最簡單的是Solidworks，三維模型成型效果最好的是3DSMAXS，其余的軟件學習的難易程度都差不多，要看建模者的軟件應用基礎，看使用者最熟悉和擅長使用哪一軟件建模。

（2）有限元分析軟件。有限元分析軟件應用最多的有ANSYS和Hyper-mesh，它們可以進行網格劃分從而用有限元法對研究對象進行分析計算。ANSYS軟件是融結構、流體、電場、磁場、聲場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ANSYS開發，它能與多數CAD軟件接口，實現數據的共享和交換，是現代產品設計中的高級CAE工具之一。Hypermesh具有很高的有限元網格劃分和處理效率，應用Hypermesh可以大大提高CAE分析工程師的效率；它所具有非常簡潔和方便的用戶界面，大大節省了用戶學習Hypermesh所需要的時間；直接輸入CAD幾何模型及有限元模型，減少用于建模的重復工作和費用；高速度、高質量的自動網格劃分極大地簡化復雜幾何的有限元建模過程。

（3）動態顯示碰撞仿真過程的軟件。動態顯示碰撞仿真過程的軟件有LS-DYNA、OpenGL、VPG，可以進行有限元顯示求解。LS-DYNA是世界上最著名的通用顯式動力分析程序，能夠模擬真實世界的各種復雜問題，特別適合求解各種二維、三維非線性結構的高速碰撞、爆炸和金屬成型等非線性動力沖擊問題，同時可以求解傳熱、流體及流固耦合問題。在工程應用領域被廣泛認可為最佳的分析軟件包。與實驗的無數次對比證實了其計算的可靠性。OpenGL是行業領域中最為廣泛接納的 2D/3D圖形 API，是獨立于視窗操作系統或其它操作系統的，亦是網絡透明的。在包含CAD、內容創作、能源、娛樂、游戲開發、制造業、制藥業及虛擬現實等行業領域中，OpenGL幫助程序員實現在PC、工作站、超級計算機等硬件設備上的高性能、極具沖擊力的高視覺表現力圖形處理軟件的開發。OpenGL是個與硬件無關的軟件接口，可以在不同的平臺如 Windows 95、Windows NT、Unix、Linux、MacOS、OS/2 之間進行移植。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用。由于OpenGL是圖形的底層圖形庫，沒有提供幾何實體圖元，不能直接用以描述場景。但是，通過一些轉換程序，可以很方便地將AutoCAD、3DS/3DSMAX等3D圖形設計軟件制作的DXF和3DS模型文件轉換成OpenGL的頂點數組。

VPG（Virtual Proving Ground）虛擬試驗場是美國ETA（Engineering Technology Associates，Inc.） 公司總結汽車 CAE長期工作經驗，在LD-DANA軟件平臺上開發的，是美國ETA/LSTC/ANSYS三個公司合作推出專門應用于汽車工程的軟件。VPG技術是ETA公司在多年汽車CAE仿真工作經驗基礎上，總結豐富的汽車專業工作經驗而開發的。LD-DYNA軟件優秀的本質，保證了VPG具有先進的功能、豐富的數據庫為用戶提供了極大的方便，應用方法簡單標準，深受汽車工程界的歡迎。VPG技術應用于當前汽車產品開發中的前沿——整車系統疲勞、整車系統動力學、NVH和整車碰撞安全及乘員保護等最熱門仿真問題。VPG虛擬試驗場可以進行有關整車系統全部試驗項目，包括：道路條件下，整車系統疲勞壽命分析；柔性和剛性體組合體（含整車系統）的非線性系統動力學分析；整車系統NVH分析；碰撞仿真和乘員保護及評價。

（4）計算結果處理軟件。計算結果處理軟件有LS-PREOST（是 LS-DYNA中的模塊）、MATLAB等。LS-PREOST（是LS-DYNA中的模塊）能進行結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；變形顯示及各種動畫顯示；圖形的PS、TIFF及HPGL格式輸出與轉換等。MATLAB在數學類科技應用軟件中在數值計算方面首屈一指。MATLAB可以進行矩陣運算、繪制函數和數據、實現算法、創建用戶界面、連接matlab開發工作界面其他編程語言的程序等，主要應用于工程計算、控制設計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設計與分析等領域。在碰撞問題的研究中主要應用的是MATLAB的數值分析和數值計算功能。

3.3 常用軟件組合

前面已經介紹了各種可用于汽車碰撞仿真領域的軟件，這些軟件往往組合起來使用，可以將第一類軟件與第二類軟件組合起來使用，也可第二類軟件之間相互組合，以提高仿真精度和實現仿真目的。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劃分網格，再用LS-DYNA分析碰撞安全性，后處理用LS-PREPOST（LS-DYNA的一個模塊）。用3DSMAX建立逼真的汽車實體模型，用MATLAB編程，以在圖形接口程序OPENGL中讀入車輛運行參數及輸出所需數據。用CAE建立轎車實體三維模型，再用VPG輔助建模，提高整車建模精度，然后在VPG中實現仿真及結果輸出。

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