汽车碰撞安全开发案例库建设与教学实践

任立海，胡远志，陈 浩，肖明杨

（重庆理工大学车辆工程学院，重庆 400054）

案例库教学是一种开放的、互动的新型教学模式，学生通过自身融入到案例当中进行研讨或学习能够提高动手能力以及创新能力[1]。通过案例库进行教学可以培养学生自主学习兴趣，提升其分析和解决问题的能力[2]。

汽车碰撞安全性开发是整车开发过程中必不可少的一部分且涉及机械、车辆、材料、力学等多个学科，是一个较为复杂的工程问题。同时也是车辆工程专业汽车安全方向硕士研究生所需要的能力之一。然而，当前与汽车碰撞安全相关研究生课程主要以课堂理论授课为主，缺少实际工程开发项目的训练。本文通过一系列整车碰撞安全开发的实际案例的教学和实践，使学生了解汽车行业的碰撞安全法规要求、试验流程和评价方法，掌握先进的汽车碰撞安全设计理论、方法和技术，以及现代汽车开发设计所需要的软件技能，培养具备面向汽车碰撞安全研发的多学科交叉背景下的产品研发与试验验证能力、能够为复杂工程问题提供可行的工程解决方案的汽车碰撞安全研发人员。

1. 汽车碰撞安全开发案例库建设的创新性

1.1 虚拟现实场景与高精度CAE模型耦合

受限于试验场地与设备，当前汽车碰撞安全相关课程教学内容在试验环节存在严重缺失。借助于虚拟现实技术，构建试验场地虚拟现实场景，能够为开展汽车碰撞安全测试试验教学提供了虚拟现实仿真平台。结合面向汽车碰撞安全研发的整车高精度CAE模型，构建基于虚拟现实场景与高精度CAE模型耦合的汽车碰撞安全研发案例库，为研究生提供了汽车碰撞安全工程研发与试验验证的集成虚拟仿真平台。

1.2 全方位、全流程与产业无缝链接

依托项目组所在的重庆市汽车性能CAE开发技术创新团队在汽车碰撞安全领域的科学研究与工程开发的优势，构建了面向整车碰撞安全开发的全流程、全方位与产业无缝链接的教学案例库，能保障汽车安全方向专业研究生培养与产业的紧密结合。

2.汽车碰撞安全开发案例库建设的必要性

不同于侧重理论和研究的学术学位研究生，专业学位研究生教育以培养兼具良好理论基础和专业实践能力的高层次应用型人才为主。汽车碰撞安全开发案例库的建立能够提升课程教学质量和学生的工程素质。

2.1 案例库有利于实现碰撞安全理论与实践相结合

学生一方面能够通过实际的案例了解汽车产品开发需要面对的安全法规要求和汽车安全设计理论，另一方面能够参与汽车安全理论指导车身结构设计开发的实际过程，并学习现代汽车开发的先进技术和软件。

2.2 案例库有利于调动学生的主动性和创造性

通过实际案例的开发和设计过程，学生能够在案例的讨论和实操中，充分理解汽车安全设计理论，并能主动地将创造性加入结构设计来实现汽车安全的设计开发。

2.3 案例库有利于提高学生解决复杂工程实际问题的能力

通过案例的学习，学生能够参与到整个汽车碰撞案例的实践，并能加入自身的理解去实现相关零部件的结构设计，通过仿真分析确认自身的优化设计是否能够满足碰撞安全开发的要求。在这一过程中，能够充分提高学生解决碰撞安全等类似复杂工程实际问题的能力。

3.汽车碰撞安全开发案例库内容设计

案例库项目组主要成员具有丰富的汽车碰撞安全开发经验和研究生教育基础。项目组依托学院汽车虚拟仿真分析实验室、整车性能CAE仿真分析实验室、沉浸式虚拟现实仿真平台，借助于先进的计算机虚拟仿真技术与虚拟现实技术，开发了汽车碰撞安全虚拟仿真实验。

本案例库运用虚拟现实场景与高精度CAE模型耦合的方法，依据企业通用汽车碰撞安全开发流程，在构建整车碰撞安全测试试验虚拟现实场景的基础上，建设了虚拟现场场景与高精度 CAE 模型耦合的仿真教学平台。同时根据相应法规（C-NCAP， C-IASI， NHTSA， U-NCAP， IIHS， ECE， E-NCAP）体系构建了不同研发阶段对应的案例群。主要包括汽车碰撞仿真前处理与建模、汽车碰撞虚拟仿真、汽车碰撞仿真后处理以及零部件性能试验在内的20个案例。汽车碰撞安全案例库具体架构如图1所示。

图1 汽车碰撞安全开发案例库架构

3.1 案例简介

本案例库按照整车碰撞安全开发流程将新开发的20个案例分为5个模块，即：汽车碰撞仿真前处理案例模块、汽车碰撞仿真建模案例模块、整车碰撞仿真分析案例模块、零部件性能仿真案例模块、汽车碰撞仿真后处理案例模块。

3.1.1 汽车碰撞仿真前处理案例模块

本模块包含“几何模型清理”和“有限元网格划分”两个基础案例。两个案例均以某车型前纵梁几何模型（图2）为蓝本，通过Hypermesh软件的学习，掌握面向整车碰撞仿真建模的薄板结构几何清理技术和的四变形壳单元网格划分技术。

图2 前纵梁几何模型

3.1.2 整车碰撞仿真建模案例模块

本模块包含“材料模型与参数设置”、“零部件与整车连接建模”和“基础碰撞及控制卡片”三个案例。本模块的三个案例是整车碰撞有限元建模的核心内容之一，也是决定仿真精度和模型预测有效性的根本之一。本模块在前述案例建立的前纵梁有限元网格基础上开展以下内容的学习与实践：在“材料模型与参数设置”案例中，在熟悉汽车常用材料及其本构模型的基础上，重点掌握高强度钢材料和多线性弹塑性材料模型的设置；在“零部件与整车连接建模”案例中，在熟悉车身结构常用连接形式的基础上，分别完成对螺栓连接、焊接、粘胶连接（发动机罩内外板的连接）、铰链连接（车门、发动机罩与车身的连接）等常见连接的有限元建模，并进一步掌握刚体与刚体、刚体与柔体之间的连接建模。在“接触与控制卡片设置中”，需要全方位学习面向整车碰撞仿真的LS-Dyna环境下的各种控制卡片设置，包括能量控制、壳单元控制、实体单元控制、计算时间长度控制、计算步长控制、数据输出控制、沙漏控制等；同时，需要在有限元接触碰撞理论学习的基础上完成常用的面-面接触、零部件自接触、刚性墙接触碰撞设置等。

3.1.3 整车碰撞仿真分析案例模块

本模块的建设充分依托团队在过去多年几十款自主品牌整车碰撞开发的经验积累，同时融合整车碰撞安全开发需要满足的国内外主流法律法规（图1），构建了包括正面100%刚性壁碰撞、正面40%偏置碰撞、正面25%偏置碰撞、渐进式可变形移动壁障碰撞（Mobile Progressive Deformable Barrier，MPDB）、正面柱碰撞、侧面移动壁碰撞、侧面柱碰撞、追尾碰撞、顶压碰撞、低速碰撞以及行人碰撞等13个案例。对标工程开发实际情况，本模块案例的开发在载荷与边界条件的设置严格按照法规执行，以MPDB为例：运用团队开发的标准可变形移动壁障小车，对某SUV车型进行正面偏置碰撞模拟，两车以50 km/h的对冲速度并且与被碰撞车辆有50%的重合度来撞击具有同样速度的被碰撞车辆（图3），分别从障碍壁变形以及对障碍壁击穿与否的判断等来分析交通事故中被撞车辆的动态响应和车身结构的变形损伤情况。

图3 渐进式可变形移动壁障碰撞

3.1.4 零部件性能仿真案例模块

本模块选取在汽车碰撞安全开发中具有重要乘员保护性能的座椅作为典型案例，构建满足法规试验要求的座椅鞭打试验仿真工况。本案例采用C-NCAP法规规定的BioRID II假人进行鞭打试验的模拟，BioRID II假人是专门用来进行后碰仿真模拟的假人，其后碰撞运动响应和损伤预测均具有较高的生物逼真度。

3.1.5 汽车碰撞仿真后处理分析案例模块

本模块参考汽车碰撞安全法规的评分规则和测试试验流程，将后处理分析分为“结构耐撞性评估”“关键曲线数据分析与处理”“人体损伤评估”三个案例。本模块的三个案例均选取正面25%偏置碰撞工况，参考C-IASI和IIHS中关于此工况的评价规程和考察规范对仿真模型的结构耐撞性和人员损伤进行分析评估，分析和总结该车型在结构耐撞性、乘员保护方面存在的问题，为需后续学生进行目标车型的小偏置工况的优化提供理论基础和依据。

3.2 汽车碰撞虚拟仿真试验

依托学院汽车虚拟仿真分析实验室、整车性能CAE仿真分析实验室、沉浸式虚拟现实仿真平台，借助于先进的计算机虚拟仿真技术与虚拟现实技术，开发了汽车碰撞安全虚拟仿真实验。该虚拟仿真实验已在《汽车CAD/CAE技术》和《汽车安全技术》两门课程中得以应用。

3.2.1 汽车前纵梁虚拟碰撞上机实验

以汽车前纵梁碰撞建模仿真为实例，学生上机操作完成几何清理、网格划分及网格质量检查、碰撞建模、结果分析，整套的汽车虚拟碰撞建模仿真分析流程，掌握基于有限元方法的汽车碰撞安全建模与仿真。

3.2.2 整车虚拟碰撞仿真

依托沉浸式虚拟现实仿真平台，项目组开发了整车碰撞虚拟仿真。学生进入整车虚拟碰撞场景中，在虚拟现实环境下通过人机交互完成整车碰撞参数设置、碰撞仿真，并对整车碰撞仿真进行结果分析。学生可以在虚拟现实的体验中学习整合碰撞实验流程，掌握整车碰撞安全评估的基本方法。

整车碰撞仿真除了包含正面100%刚性碰撞、正面40%偏置碰撞、正面25%偏置碰撞、正面和侧面柱碰撞、追尾碰撞、顶压试验、低速碰撞试验以及行人保护等试验外，为保证在不同形式车对车碰撞事故中较小尺寸车辆保护乘员的能力，参考相关文献[3-4]进行了正面移动壁障偏置碰撞和侧面移动壁障碰撞仿真试验。

学生能够在虚拟现实场景中进行开展汽车碰撞安全基础建模与仿真分析、碰撞安全测试试验以及汽车结构耐撞性和约束系统优化设计。

4.结语

针对涉及多个学科的汽车碰撞安全相关研究生课程主要是以课堂理论授课为主，缺少实际工程开发项目训练的情况。通过整车碰撞安全测试试验虚拟现实场景的建模，面向学生高精度CAE模型开发以及两者耦合的仿真教学平台的建立，推进了理论与实践操作的结合，使得学生能够自主学习，培养了其创新能力以及解决复杂实际问题的能力。