車身結構耐撞性與乘員保護虛擬仿真實驗開發與實踐

段利斌， 江浩斌， 張學榮， 耿國慶， 曹曉輝

（江蘇大學汽車與交通工程學院，江蘇鎮江212013）

0 引 言

汽車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產損失。提高車身結構耐撞性和乘員保護的研發能力，可以從車輛工程專業學生的理論教育和實踐能力的培養做起［1-2］。我國許多高校的車輛工程專業均開設了《車身結構與設計》《汽車與交通安全》《汽車性能與仿真》等課程，這些課程均涉及車身結構耐撞與乘員保護評價的理論和實驗環節［3-6］。開展實車碰撞實驗，不僅需要3000m2以上的場地，還需要昂貴的儀器設備、實驗假人，單次實驗費用達20 萬元以上，按標準流程操作整個實驗過程耗時約12 ～16 h。汽車碰撞實驗過程復雜、所有操作必須由專業人員完成，學生的參與度低，還存在較大的安全風險。因此，不適合在高校開展實車碰撞實驗教學。

基于真實車輛建立高精度數字化車輛仿真模型，運用數字化車輛、數字化假人、虛擬實驗室與虛擬現實（Virtual Reality，VR）等先進教學技術［7-15］，開發車身結構耐撞性與乘員保護評價虛擬仿真實驗平臺（以下簡稱“平臺”）。學生通過在自主交互的虛擬環境中開展在線仿真實驗，掌握汽車碰撞實驗的基本內容、儀器設備、操作流程、數據分析方法、國家新車評價規程（China New Car Assessment Procedure，C-NCAP）安全評價方法，達到“以虛補實，虛實結合，深度交互，理實融合”的教學效果。

1 實驗原理與目的

對車身結構耐撞性與乘員保護評價虛擬仿真實驗的教學思想、體系、模式、內容、方法、手段等進行了系統化設計，使學生在自主交互的虛擬環境中完成實驗，彌補實體實驗的不足。本實驗遵循以下基本原理：車輛數字化虛擬模型與真實車輛的可替代性；乘員約束系統模型的可驗證性；虛擬假人與物理假人的動力學性能的一致性，實驗內容如圖1 所示。

圖1 實驗基本內容

本實驗的主要目的是使學生在較短時間內掌握汽車碰撞實驗的基本內容、儀器設備、操作流程、數據分析方法、相關標準、C-NCAP 安全等級評價方法，為研究道路交通事故防控、開發高安全性汽車產品奠定理論和實踐基礎。預期達到以下目的：虛實結合、以虛補實，解決實體教學實驗難以開展的問題；運用先進教學技術，實現“深度交互、理實融合”學習效果；激發學生的實驗興趣，培養學生分析復雜工程問題的能力。

2 項目開發與交互式操作

2.1 項目開發

本平臺運用了三維建模軟件（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）、數據及動畫后處理軟件（如Hyper View）、微軟虛擬化管理軟件、沉浸式虛擬交互系統以及Hybrid III及World SID 50 百分位虛擬假人。以計算機仿真技術、多媒體技術和網絡技術為依托，借助開放式虛擬仿真實驗教學管理平臺的支撐，采用面向服務的軟件架構開發，集實物仿真、創新設計、智能指導、虛擬實驗結果自動批改和教學管理于一體，保證用戶能夠隨時隨地通過瀏覽器訪問該實驗項目，并通過平臺提供面向用戶的智能指導、自動批改服務功能，盡可能幫助學生實現自主的實驗，加強實驗項目的開放服務能力，提升開放服務效果，具有良好自主性、交互性和可擴展性的虛擬實驗教學平臺，結構如圖2 所示。

圖2 平臺運行流程

2.2 交互式操作

平臺包括汽車正面碰撞和側面碰撞2 個模塊，如圖3 所示。學生進行實驗之前需要預習、查閱文獻資料、完成預習報告。在開展虛擬仿真實驗時，要通過軟件初始界面的“實驗概況”“實驗準備”按鈕進入相應環節，了解實驗目的、實驗原理、認知汽車結構、認知實驗場地與儀器設備。完成認知后進入實驗操作環節，完成汽車碰撞、處理數據、分析碰撞結果，最后形成實驗報告。

圖3 虛擬仿真實驗模塊

以汽車正面碰撞為例，說明本實驗平臺的學生交互性操作的主要步驟：

步驟1 車身結構和材料參數設置：包括前縱梁、前指梁、防撞梁、吸能盒等結構的厚度和材料牌號，如圖4 所示。

圖4 車身結構和材料參數設置

步驟2 安裝HPM裝置（H點測量）：調整座椅位置，靠背角度到設計值（見圖5），完成后將裝置放回假人庫。

圖5 HPM（H點測量）裝置安裝

步驟3 安裝假人：從假人庫中選擇正確假人模型，安裝至座椅，調整假人坐姿，記錄各項假人定位參數，確保試驗一致性。給假人系好安全帶，扣上安全扣，如圖6 所示。

圖6 三點式安全帶佩戴

步驟4 安裝數據采集儀和傳感器：將數據采集儀安裝在汽車后備箱、車身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 安裝數據采集儀

步驟5 碰撞前車身參數測量和整車稱重：用掃描式三坐標儀測量車身結構參數，用地磅測得汽車整備質量，如圖8 所示。

圖8 碰撞前車身結構參數測量和整車稱重

步驟6 安裝牽引鉸鏈：安裝鉸鏈，連接牽引滑塊和車身，如圖9 所示。

圖9 牽引鉸鏈安裝

步驟7 實施汽車碰撞：推動控制臺上的“啟動正面碰撞”推桿，進行汽車正面碰撞，觀察汽車碰撞過程，如圖10 所示。

圖10 汽車碰撞過程

步驟8 碰撞后車身參數測量，如圖11 所示。

圖11 碰撞后車身參數測量

步驟9 碰撞數據處理和分析：從后備箱取出數據采集儀，下載高速攝像機視頻，連接電腦進行數據處理；觀察碰撞波形時間歷程曲線，獲取a-t 曲線，計算v-t曲線與L-t曲線，如圖12 所示。

步驟10 車身變形及假人姿態查看分析：從正視、側視、俯視等不同角度查看車身結構變形及假人運動姿態。例如，查看前縱梁、防火墻等關鍵部件的變形狀態及最大變形量，如圖13 所示。

圖12 碰撞數據處理和分析

圖13 車身變形及假人姿態查看分析

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 正面碰撞乘員保護評價：根據上述假人損傷曲線以及正面碰撞評分標準，得到乘員保護總評分。進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 項目特色與創新

本實驗項目堅持“以虛補實，虛實結合、深度交互、理實融合”教學理念，主要特色和創新包括：

全面融合數字化車輛、數字化假人、虛擬實驗室與VR等先進教學技術，學生參與度高，解決了實體教學實驗難以開展的問題；

不斷融入吸收最新教學實踐和科研成果，虛擬車輛模型、虛擬假人、虛擬乘員模型精度高，虛擬仿真實驗結果可信度高；

以工程認證理念和新工科人才培養要求為導向，將理論、操作、仿真、標準應用等知識融合貫通，培養學生分析和解決復雜工程問題的能力。

4 項目推廣應用

4.1 面向高校的教學推廣應用

以車輛工程、交通工程、運輸工程方向的專業課程實驗教學為主，擴展面向其他專業方向，汽車服務工程、環境工程和安全工程等專業相關課程的實驗教學。通過在線選課、自主實驗，激發學生的實驗興趣，培養學生的自學能力與查閱文獻資料能力、增強學生實驗技能和動手能力?，F已在車輛工程、交通運輸等5 個專業開設本實驗，教學效果良好。

向國內高校和企業、社會辦學機構開放，2018 ～2019 年主要面向省內本科院校，并邀請部分國內院校參與；2020 ～2021 年向國內本科院校開放，并對國內主要汽車企業開放；2022 年開始面向國內高校和企業及實驗室、檢測站開放，允許符合條件的社會機構接入。

4.2 面向社會的推廣與持續服務

通過舉辦會議、成立論壇、接待參訪等形式，與校內外及國內外院校、汽車企業和研究機構建立有效的資源共享平臺；國內其他相關專業的學校和學生能共享我們的建設成果，為培養學生的綜合創新能力服務。目前，本平臺已向省內部分高校和南京、上海等多家相關企業開放。

綜合應用多媒體、大數據、三維建模、人工智能、人機交互、傳感器、超級計算、虛擬現實、增強現實、云計算等網絡化、數字化、智能化技術手段，合理實驗項目，豐富虛擬仿真實驗內容；舉辦相關技能大賽，促進和提升學生的專業實踐能力。

5 結 語

針對汽車碰撞虛擬仿真實驗教學資源相對匱乏的現狀，運用虛擬車輛模型、虛擬假人、虛擬儀器、虛擬實驗場，借助3D可視化、人機交互、VR、智能網絡和現代信息等技術，開發了車身結構耐撞性與乘員保護評價虛擬仿真實驗平臺。

本實驗平臺堅持“以虛補實，虛實結合、深度交互、理實融合”教學理念，以工程認證理念和新工科人才培養要求為導向，全面融合數字化車輛、數字化假人、虛擬實驗室與VR等先進教學技術，對車身結構耐撞性與乘員保護評價虛擬仿真實驗的教學思想、體系、模式、內容、方法、手段等進行系統化設計，為研究道路交通事故防控、開發高安全性汽車產品奠定理論和工程基礎。

本實驗項目面向國內高校和企業、社會辦學機構開放，主要用于企業員工的崗前培訓和高校專業課的實驗教學。目前，已向南京理工大學、南京航空航天大學等高校和南京、上海等多家相關企業開放，具有廣闊的應用前景。