汽車碰撞安全開發(fā)案例庫建設與教學實踐

任立海，胡遠志，陳 浩，肖明楊

（重慶理工大學車輛工程學院，重慶 400054）

案例庫教學是一種開放的、互動的新型教學模式，學生通過自身融入到案例當中進行研討或?qū)W習能夠提高動手能力以及創(chuàng)新能力[1]。通過案例庫進行教學可以培養(yǎng)學生自主學習興趣，提升其分析和解決問題的能力[2]。

汽車碰撞安全性開發(fā)是整車開發(fā)過程中必不可少的一部分且涉及機械、車輛、材料、力學等多個學科，是一個較為復雜的工程問題。同時也是車輛工程專業(yè)汽車安全方向碩士研究生所需要的能力之一。然而，當前與汽車碰撞安全相關研究生課程主要以課堂理論授課為主，缺少實際工程開發(fā)項目的訓練。本文通過一系列整車碰撞安全開發(fā)的實際案例的教學和實踐，使學生了解汽車行業(yè)的碰撞安全法規(guī)要求、試驗流程和評價方法，掌握先進的汽車碰撞安全設計理論、方法和技術，以及現(xiàn)代汽車開發(fā)設計所需要的軟件技能，培養(yǎng)具備面向汽車碰撞安全研發(fā)的多學科交叉背景下的產(chǎn)品研發(fā)與試驗驗證能力、能夠為復雜工程問題提供可行的工程解決方案的汽車碰撞安全研發(fā)人員。

1. 汽車碰撞安全開發(fā)案例庫建設的創(chuàng)新性

1.1 虛擬現(xiàn)實場景與高精度CAE模型耦合

受限于試驗場地與設備，當前汽車碰撞安全相關課程教學內(nèi)容在試驗環(huán)節(jié)存在嚴重缺失。借助于虛擬現(xiàn)實技術，構建試驗場地虛擬現(xiàn)實場景，能夠為開展汽車碰撞安全測試試驗教學提供了虛擬現(xiàn)實仿真平臺。結(jié)合面向汽車碰撞安全研發(fā)的整車高精度CAE模型，構建基于虛擬現(xiàn)實場景與高精度CAE模型耦合的汽車碰撞安全研發(fā)案例庫，為研究生提供了汽車碰撞安全工程研發(fā)與試驗驗證的集成虛擬仿真平臺。

1.2 全方位、全流程與產(chǎn)業(yè)無縫鏈接

依托項目組所在的重慶市汽車性能CAE開發(fā)技術創(chuàng)新團隊在汽車碰撞安全領域的科學研究與工程開發(fā)的優(yōu)勢，構建了面向整車碰撞安全開發(fā)的全流程、全方位與產(chǎn)業(yè)無縫鏈接的教學案例庫，能保障汽車安全方向?qū)I(yè)研究生培養(yǎng)與產(chǎn)業(yè)的緊密結(jié)合。

2.汽車碰撞安全開發(fā)案例庫建設的必要性

不同于側(cè)重理論和研究的學術學位研究生，專業(yè)學位研究生教育以培養(yǎng)兼具良好理論基礎和專業(yè)實踐能力的高層次應用型人才為主。汽車碰撞安全開發(fā)案例庫的建立能夠提升課程教學質(zhì)量和學生的工程素質(zhì)。

2.1 案例庫有利于實現(xiàn)碰撞安全理論與實踐相結(jié)合

學生一方面能夠通過實際的案例了解汽車產(chǎn)品開發(fā)需要面對的安全法規(guī)要求和汽車安全設計理論，另一方面能夠參與汽車安全理論指導車身結(jié)構設計開發(fā)的實際過程，并學習現(xiàn)代汽車開發(fā)的先進技術和軟件。

2.2 案例庫有利于調(diào)動學生的主動性和創(chuàng)造性

通過實際案例的開發(fā)和設計過程，學生能夠在案例的討論和實操中，充分理解汽車安全設計理論，并能主動地將創(chuàng)造性加入結(jié)構設計來實現(xiàn)汽車安全的設計開發(fā)。

2.3 案例庫有利于提高學生解決復雜工程實際問題的能力

通過案例的學習，學生能夠參與到整個汽車碰撞案例的實踐，并能加入自身的理解去實現(xiàn)相關零部件的結(jié)構設計，通過仿真分析確認自身的優(yōu)化設計是否能夠滿足碰撞安全開發(fā)的要求。在這一過程中，能夠充分提高學生解決碰撞安全等類似復雜工程實際問題的能力。

3.汽車碰撞安全開發(fā)案例庫內(nèi)容設計

案例庫項目組主要成員具有豐富的汽車碰撞安全開發(fā)經(jīng)驗和研究生教育基礎。項目組依托學院汽車虛擬仿真分析實驗室、整車性能CAE仿真分析實驗室、沉浸式虛擬現(xiàn)實仿真平臺，借助于先進的計算機虛擬仿真技術與虛擬現(xiàn)實技術，開發(fā)了汽車碰撞安全虛擬仿真實驗。

本案例庫運用虛擬現(xiàn)實場景與高精度CAE模型耦合的方法，依據(jù)企業(yè)通用汽車碰撞安全開發(fā)流程，在構建整車碰撞安全測試試驗虛擬現(xiàn)實場景的基礎上，建設了虛擬現(xiàn)場場景與高精度 CAE 模型耦合的仿真教學平臺。同時根據(jù)相應法規(guī)（C-NCAP， C-IASI， NHTSA， U-NCAP， IIHS， ECE， E-NCAP）體系構建了不同研發(fā)階段對應的案例群。主要包括汽車碰撞仿真前處理與建模、汽車碰撞虛擬仿真、汽車碰撞仿真后處理以及零部件性能試驗在內(nèi)的20個案例。汽車碰撞安全案例庫具體架構如圖1所示。

圖1 汽車碰撞安全開發(fā)案例庫架構

3.1 案例簡介

本案例庫按照整車碰撞安全開發(fā)流程將新開發(fā)的20個案例分為5個模塊，即：汽車碰撞仿真前處理案例模塊、汽車碰撞仿真建模案例模塊、整車碰撞仿真分析案例模塊、零部件性能仿真案例模塊、汽車碰撞仿真后處理案例模塊。

3.1.1 汽車碰撞仿真前處理案例模塊

本模塊包含“幾何模型清理”和“有限元網(wǎng)格劃分”兩個基礎案例。兩個案例均以某車型前縱梁幾何模型（圖2）為藍本，通過Hypermesh軟件的學習，掌握面向整車碰撞仿真建模的薄板結(jié)構幾何清理技術和的四變形殼單元網(wǎng)格劃分技術。

圖2 前縱梁幾何模型

3.1.2 整車碰撞仿真建模案例模塊

本模塊包含“材料模型與參數(shù)設置”、“零部件與整車連接建模”和“基礎碰撞及控制卡片”三個案例。本模塊的三個案例是整車碰撞有限元建模的核心內(nèi)容之一，也是決定仿真精度和模型預測有效性的根本之一。本模塊在前述案例建立的前縱梁有限元網(wǎng)格基礎上開展以下內(nèi)容的學習與實踐：在“材料模型與參數(shù)設置”案例中，在熟悉汽車常用材料及其本構模型的基礎上，重點掌握高強度鋼材料和多線性彈塑性材料模型的設置；在“零部件與整車連接建模”案例中，在熟悉車身結(jié)構常用連接形式的基礎上，分別完成對螺栓連接、焊接、粘膠連接（發(fā)動機罩內(nèi)外板的連接）、鉸鏈連接（車門、發(fā)動機罩與車身的連接）等常見連接的有限元建模，并進一步掌握剛體與剛體、剛體與柔體之間的連接建模。在“接觸與控制卡片設置中”，需要全方位學習面向整車碰撞仿真的LS-Dyna環(huán)境下的各種控制卡片設置，包括能量控制、殼單元控制、實體單元控制、計算時間長度控制、計算步長控制、數(shù)據(jù)輸出控制、沙漏控制等；同時，需要在有限元接觸碰撞理論學習的基礎上完成常用的面-面接觸、零部件自接觸、剛性墻接觸碰撞設置等。

3.1.3 整車碰撞仿真分析案例模塊

本模塊的建設充分依托團隊在過去多年幾十款自主品牌整車碰撞開發(fā)的經(jīng)驗積累，同時融合整車碰撞安全開發(fā)需要滿足的國內(nèi)外主流法律法規(guī)（圖1），構建了包括正面100%剛性壁碰撞、正面40%偏置碰撞、正面25%偏置碰撞、漸進式可變形移動壁障碰撞（Mobile Progressive Deformable Barrier，MPDB）、正面柱碰撞、側(cè)面移動壁碰撞、側(cè)面柱碰撞、追尾碰撞、頂壓碰撞、低速碰撞以及行人碰撞等13個案例。對標工程開發(fā)實際情況，本模塊案例的開發(fā)在載荷與邊界條件的設置嚴格按照法規(guī)執(zhí)行，以MPDB為例：運用團隊開發(fā)的標準可變形移動壁障小車，對某SUV車型進行正面偏置碰撞模擬，兩車以50 km/h的對沖速度并且與被碰撞車輛有50%的重合度來撞擊具有同樣速度的被碰撞車輛（圖3），分別從障礙壁變形以及對障礙壁擊穿與否的判斷等來分析交通事故中被撞車輛的動態(tài)響應和車身結(jié)構的變形損傷情況。

圖3 漸進式可變形移動壁障碰撞

3.1.4 零部件性能仿真案例模塊

本模塊選取在汽車碰撞安全開發(fā)中具有重要乘員保護性能的座椅作為典型案例，構建滿足法規(guī)試驗要求的座椅鞭打試驗仿真工況。本案例采用C-NCAP法規(guī)規(guī)定的BioRID II假人進行鞭打試驗的模擬，BioRID II假人是專門用來進行后碰仿真模擬的假人，其后碰撞運動響應和損傷預測均具有較高的生物逼真度。

3.1.5 汽車碰撞仿真后處理分析案例模塊

本模塊參考汽車碰撞安全法規(guī)的評分規(guī)則和測試試驗流程，將后處理分析分為“結(jié)構耐撞性評估”“關鍵曲線數(shù)據(jù)分析與處理”“人體損傷評估”三個案例。本模塊的三個案例均選取正面25%偏置碰撞工況，參考C-IASI和IIHS中關于此工況的評價規(guī)程和考察規(guī)范對仿真模型的結(jié)構耐撞性和人員損傷進行分析評估，分析和總結(jié)該車型在結(jié)構耐撞性、乘員保護方面存在的問題，為需后續(xù)學生進行目標車型的小偏置工況的優(yōu)化提供理論基礎和依據(jù)。

3.2 汽車碰撞虛擬仿真試驗

依托學院汽車虛擬仿真分析實驗室、整車性能CAE仿真分析實驗室、沉浸式虛擬現(xiàn)實仿真平臺，借助于先進的計算機虛擬仿真技術與虛擬現(xiàn)實技術，開發(fā)了汽車碰撞安全虛擬仿真實驗。該虛擬仿真實驗已在《汽車CAD/CAE技術》和《汽車安全技術》兩門課程中得以應用。

3.2.1 汽車前縱梁虛擬碰撞上機實驗

以汽車前縱梁碰撞建模仿真為實例，學生上機操作完成幾何清理、網(wǎng)格劃分及網(wǎng)格質(zhì)量檢查、碰撞建模、結(jié)果分析，整套的汽車虛擬碰撞建模仿真分析流程，掌握基于有限元方法的汽車碰撞安全建模與仿真。

3.2.2 整車虛擬碰撞仿真

依托沉浸式虛擬現(xiàn)實仿真平臺，項目組開發(fā)了整車碰撞虛擬仿真。學生進入整車虛擬碰撞場景中，在虛擬現(xiàn)實環(huán)境下通過人機交互完成整車碰撞參數(shù)設置、碰撞仿真，并對整車碰撞仿真進行結(jié)果分析。學生可以在虛擬現(xiàn)實的體驗中學習整合碰撞實驗流程，掌握整車碰撞安全評估的基本方法。

整車碰撞仿真除了包含正面100%剛性碰撞、正面40%偏置碰撞、正面25%偏置碰撞、正面和側(cè)面柱碰撞、追尾碰撞、頂壓試驗、低速碰撞試驗以及行人保護等試驗外，為保證在不同形式車對車碰撞事故中較小尺寸車輛保護乘員的能力，參考相關文獻[3-4]進行了正面移動壁障偏置碰撞和側(cè)面移動壁障碰撞仿真試驗。

學生能夠在虛擬現(xiàn)實場景中進行開展汽車碰撞安全基礎建模與仿真分析、碰撞安全測試試驗以及汽車結(jié)構耐撞性和約束系統(tǒng)優(yōu)化設計。

4.結(jié)語

針對涉及多個學科的汽車碰撞安全相關研究生課程主要是以課堂理論授課為主，缺少實際工程開發(fā)項目訓練的情況。通過整車碰撞安全測試試驗虛擬現(xiàn)實場景的建模，面向?qū)W生高精度CAE模型開發(fā)以及兩者耦合的仿真教學平臺的建立，推進了理論與實踐操作的結(jié)合，使得學生能夠自主學習，培養(yǎng)了其創(chuàng)新能力以及解決復雜實際問題的能力。