計(jì)算固體力學(xué)及其在汽車碰撞安全性優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

譚碩 溫海峰 張浩 谷暢

摘 要：社會(huì)與科學(xué)技術(shù)水平的不斷發(fā)展，給汽車的普及以及其重大突破與發(fā)展帶來(lái)了良好的契機(jī)。但隨之而來(lái)的是由汽車造成的安全事故屢見不鮮，這給我國(guó)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)了嚴(yán)重的危害，因此對(duì)汽車碰撞安全性優(yōu)化的研究已經(jīng)迫在眉睫。本文主要通過(guò)介紹計(jì)算固體力學(xué)及其在汽車碰撞安全性優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，并且還介紹了在汽車安全性優(yōu)化設(shè)計(jì)中具體應(yīng)用的以計(jì)算固體力學(xué)為支撐的有限元法與汽車輕量化法。

關(guān)鍵詞：計(jì)算固體力學(xué)；汽車碰撞安全性優(yōu)化；有限元法；汽車輕量化

科學(xué)技術(shù)水平不斷取得重大的突破，使得多領(lǐng)域技術(shù)的互相融合與應(yīng)用取得了更進(jìn)一步的完善與發(fā)展。在當(dāng)前社會(huì)大環(huán)境下，安全、環(huán)保以及節(jié)能是汽車行業(yè)目前以及未來(lái)發(fā)展的主題。現(xiàn)階段，借助計(jì)算固體力學(xué)來(lái)促進(jìn)汽車碰撞安全性的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義，其能夠在極大保證碰撞安全優(yōu)化設(shè)計(jì)科學(xué)合理性的同時(shí)減少其工作量。另外值得注意的是，目前在汽車碰撞安全性優(yōu)化設(shè)計(jì)中應(yīng)為相當(dāng)廣泛的有限元法以及汽車輕量化法就是以計(jì)算固體力學(xué)作為其支撐的。

一、計(jì)算固體力學(xué)及應(yīng)用

目前多領(lǐng)域技術(shù)互相融合這一趨勢(shì)日益明顯，由于計(jì)算力學(xué)在各種領(lǐng)域中都能發(fā)揮著較強(qiáng)的仿真能力，因此在多領(lǐng)域中都得到了廣泛的應(yīng)用。特別是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷突破與發(fā)展，逐漸構(gòu)建了一套科學(xué)先進(jìn)的智能化力學(xué)體系，這對(duì)于解決各種復(fù)雜的固體力學(xué)問(wèn)題有著及其重要的現(xiàn)實(shí)意義，一方面能夠在極大程度上保證固體力學(xué)得到正確科學(xué)的解答，另一方面也極大的提高了固體力學(xué)問(wèn)題的解決效率進(jìn)而節(jié)省了大量的人力物力。計(jì)算固體力學(xué)在汽車碰撞安全性優(yōu)化中的應(yīng)用一方面是現(xiàn)代物理學(xué)本身的突破，另一方面也是借助計(jì)算固體力學(xué)的優(yōu)勢(shì)來(lái)極大的完善與發(fā)展汽車碰撞安全性的優(yōu)化設(shè)計(jì)。在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中計(jì)算固體力學(xué)常常表現(xiàn)為離散化的數(shù)值方法，在應(yīng)用現(xiàn)代力學(xué)知識(shí)的基礎(chǔ)上結(jié)合現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)就可以有效的解決固體力學(xué)中各種簡(jiǎn)單或復(fù)雜甚至可以說(shuō)是艱巨的問(wèn)題。在固體力學(xué)的具體求解過(guò)程中廣泛應(yīng)用的是連續(xù)函數(shù)，并借助計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)求解相應(yīng)的微分方程。一般而言，計(jì)算固體力學(xué)常應(yīng)用于解決以下問(wèn)題：

（1）求解純力學(xué)問(wèn)題，即靜力學(xué)問(wèn)題。若同時(shí)結(jié)合利用計(jì)算機(jī)技術(shù)則能使純力學(xué)問(wèn)題的求解在純力學(xué)問(wèn)題離散化的基礎(chǔ)后轉(zhuǎn)換成線性代數(shù)方程組問(wèn)題的求解。

（2）求解特征值問(wèn)題。將實(shí)際問(wèn)題的求解在將其離散化的基礎(chǔ)上轉(zhuǎn)換為矩陣特征值以及特征向量問(wèn)題的求解。例如在汽車碰撞安全性的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，就會(huì)在結(jié)合大數(shù)據(jù)等其他技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)還能通過(guò)精確的數(shù)據(jù)處理來(lái)有效的提升設(shè)計(jì)方案的科學(xué)性、可靠性以及工作效率。

考慮到計(jì)算固體力學(xué)在汽車碰撞安全性優(yōu)化設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用，可將其應(yīng)用總結(jié)為以下三方面：汽車碰撞安全性優(yōu)化中的主動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用；有效解決汽車碰撞中復(fù)雜甚至是難以解決的問(wèn)題；對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案進(jìn)行精確化的數(shù)值試驗(yàn)。

二、計(jì)算固體力學(xué)在汽車碰撞求解中的應(yīng)用

（一）對(duì)復(fù)雜工程問(wèn)題的分析

在汽車碰撞安全性優(yōu)化設(shè)計(jì)中應(yīng)用計(jì)算固體力學(xué)，可以融合目前先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)有效解決可能出現(xiàn)的復(fù)雜力學(xué)問(wèn)題，將復(fù)雜的問(wèn)題簡(jiǎn)單化，將不易解決的問(wèn)題轉(zhuǎn)化成相對(duì)容易解決的問(wèn)題，進(jìn)而大大降低汽車碰撞問(wèn)題求解中的計(jì)算量以及求解難度。比如，在汽車碰撞安全性的優(yōu)化設(shè)計(jì)中會(huì)經(jīng)常需要分析車身的柔性結(jié)構(gòu)，在實(shí)際的求解過(guò)程中需要求解數(shù)量較為龐大的計(jì)算物理節(jié)點(diǎn)，這該種情況下就需要借助計(jì)算固體力學(xué)來(lái)完成計(jì)算量龐大的節(jié)點(diǎn)自由度分析。同時(shí)廣為人知的是，汽車行駛速度越大其碰撞造成的后果也就越嚴(yán)重、其碰撞問(wèn)題的求解也就越復(fù)雜越難以解決，而絕大部分的汽車碰撞都是由于行駛超速而引發(fā)的，針對(duì)這類問(wèn)題，計(jì)算固體彈性力學(xué)有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

（二）進(jìn)行精確化數(shù)值試驗(yàn)

在汽車碰撞安全性的優(yōu)化設(shè)計(jì)中應(yīng)用計(jì)算固體力學(xué)還能夠進(jìn)行精確化的數(shù)值模擬試驗(yàn)，進(jìn)而大大了提高優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的可實(shí)施性以及科學(xué)合理性，同時(shí)計(jì)算固體力學(xué)與先進(jìn)計(jì)算機(jī)技術(shù)的融合使用還能顯著提升系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)的精確性。例如，借助計(jì)算機(jī)數(shù)值處理技術(shù)可以用來(lái)代替一部分汽車碰撞問(wèn)題的驗(yàn)證性模擬，同時(shí)還能用來(lái)實(shí)施汽車碰撞問(wèn)題中一部分的研究性試驗(yàn)。同時(shí)還可以模擬碰撞發(fā)生時(shí)汽車車身結(jié)構(gòu)的實(shí)際變化以及力學(xué)變化，極大程度上 的模擬真實(shí)環(huán)境，進(jìn)而能夠得到符合實(shí)際情況的實(shí)驗(yàn)響應(yīng)。

三、汽車碰撞安全性優(yōu)化設(shè)計(jì)

（一）概述

在車身的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，多是依靠設(shè)計(jì)者自身的經(jīng)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行車身設(shè)計(jì)的嘗試，并且還需要反復(fù)進(jìn)行車身的碰撞試驗(yàn)，因此傳統(tǒng)的車身設(shè)計(jì)工作效率低下，耗時(shí)長(zhǎng)，且浪費(fèi)大量的人力物力。從科學(xué)的角度看，解決汽車的碰撞問(wèn)題就是解決包括接觸非線性、材料非線性以及幾何非線性這三種非線性問(wèn)題在內(nèi)的非線性動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，因此汽車碰撞問(wèn)題的求解十分復(fù)雜，且難以操作。同時(shí)需要我們重視的是，汽車碰撞問(wèn)題即接觸碰撞問(wèn)題由于響應(yīng)不光滑的原因而成為目前科學(xué)技術(shù)水平下求解最為困難的非線性問(wèn)題之一。經(jīng)多年來(lái)的研究試驗(yàn)表明，以計(jì)算固體力學(xué)為支撐的有限元法是解決汽車碰撞問(wèn)題最為行之有效的方法。汽車碰撞安全性優(yōu)化設(shè)計(jì)中的求解難點(diǎn)就是很難求解出優(yōu)化設(shè)計(jì)中相關(guān)指標(biāo)的顯示表征。為了有效解決這一難點(diǎn)，經(jīng)過(guò)多年來(lái)的探索研究提出了用以解決汽車碰撞安全性優(yōu)化設(shè)計(jì)相關(guān)問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型，在應(yīng)用計(jì)算力學(xué)的基礎(chǔ)上借助回歸分析數(shù)學(xué)法有效解決非線性很強(qiáng)的系統(tǒng)分析問(wèn)題中指標(biāo)的優(yōu)化設(shè)計(jì)以及顯示表征的近似回歸解。該數(shù)學(xué)模型能夠大大節(jié)省汽車碰撞安全性優(yōu)化設(shè)計(jì)所需的成本經(jīng)費(fèi)，同時(shí)還能大大提高其工作效率、提高設(shè)計(jì)方案的科學(xué)合理性。另外值得一提的是，考慮到汽車碰撞問(wèn)題求解過(guò)程中龐大的計(jì)算量以及復(fù)雜程度，常需在汽車碰撞安全性優(yōu)化設(shè)計(jì)中應(yīng)用多變量篩選法。在分析研究汽車實(shí)際碰撞情形下出現(xiàn)的護(hù)欄碰撞、正面碰撞、位置碰撞以及側(cè)面碰撞這四種不同類型問(wèn)題的基礎(chǔ)上構(gòu)建與之相對(duì)應(yīng)的汽車碰撞仿真模型，這一過(guò)程需要借助計(jì)算固體力學(xué)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的融合使用。同時(shí)以計(jì)算固體力學(xué)為支撐的汽車輕量化法是對(duì)汽車車身材料作出碰撞安全性優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)廣泛應(yīng)用的一種行之有效的方法。

（二）有限元法

在現(xiàn)今汽車碰撞安全性的優(yōu)化設(shè)計(jì)中會(huì)頻繁應(yīng)用有限元法，正是由于有限元法具有靈活性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單且適用性強(qiáng)等特點(diǎn)，有限元法才會(huì)進(jìn)一步在諸如汽車碰撞問(wèn)題這一類復(fù)雜且計(jì)算量巨大的工程計(jì)算問(wèn)題發(fā)揮著極大的現(xiàn)實(shí)意義。應(yīng)用有限元法的目的是求解數(shù)理方程，通過(guò)計(jì)算固體力學(xué)將不間斷區(qū)域內(nèi)的物理力學(xué)問(wèn)題極大可能性的轉(zhuǎn)換為不連續(xù)但符合一定規(guī)律的區(qū)域內(nèi)的物理力學(xué)問(wèn)題即是有限元法的基本思想。有限元法是一種得到普遍應(yīng)用的數(shù)值分析法，它融合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、計(jì)算固體力學(xué)知識(shí)中的連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論以及計(jì)算數(shù)學(xué)方法。

四、結(jié)束語(yǔ)

隨著相關(guān)行業(yè)以及相關(guān)部門的重視，為了有效避免汽車安全事故的發(fā)生或者有效減輕汽車安全事故造成的危害，現(xiàn)階段對(duì)于汽車碰撞安全性的優(yōu)化設(shè)計(jì)也投入了前所未有的關(guān)注。現(xiàn)階段，借助計(jì)算固體力學(xué)來(lái)促進(jìn)汽車碰撞安全性的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義，其能夠在極大保證碰撞安全優(yōu)化設(shè)計(jì)科學(xué)合理性的同時(shí)減少其工作量，值得在實(shí)際應(yīng)用中大力推廣。

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