任立海，胡遠(yuǎn)志，陳 浩，肖明楊

（重慶理工大學(xué)車(chē)輛工程學(xué)院，重慶 400054）

案例庫(kù)教學(xué)是一種開(kāi)放的、互動(dòng)的新型教學(xué)模式，學(xué)生通過(guò)自身融入到案例當(dāng)中進(jìn)行研討或?qū)W習(xí)能夠提高動(dòng)手能力以及創(chuàng)新能力[1]。通過(guò)案例庫(kù)進(jìn)行教學(xué)可以培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)興趣，提升其分析和解決問(wèn)題的能力[2]。

汽車(chē)碰撞安全性開(kāi)發(fā)是整車(chē)開(kāi)發(fā)過(guò)程中必不可少的一部分且涉及機(jī)械、車(chē)輛、材料、力學(xué)等多個(gè)學(xué)科，是一個(gè)較為復(fù)雜的工程問(wèn)題。同時(shí)也是車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè)汽車(chē)安全方向碩士研究生所需要的能力之一。然而，當(dāng)前與汽車(chē)碰撞安全相關(guān)研究生課程主要以課堂理論授課為主，缺少實(shí)際工程開(kāi)發(fā)項(xiàng)目的訓(xùn)練。本文通過(guò)一系列整車(chē)碰撞安全開(kāi)發(fā)的實(shí)際案例的教學(xué)和實(shí)踐，使學(xué)生了解汽車(chē)行業(yè)的碰撞安全法規(guī)要求、試驗(yàn)流程和評(píng)價(jià)方法，掌握先進(jìn)的汽車(chē)碰撞安全設(shè)計(jì)理論、方法和技術(shù)，以及現(xiàn)代汽車(chē)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)所需要的軟件技能，培養(yǎng)具備面向汽車(chē)碰撞安全研發(fā)的多學(xué)科交叉背景下的產(chǎn)品研發(fā)與試驗(yàn)驗(yàn)證能力、能夠?yàn)閺?fù)雜工程問(wèn)題提供可行的工程解決方案的汽車(chē)碰撞安全研發(fā)人員。

1. 汽車(chē)碰撞安全開(kāi)發(fā)案例庫(kù)建設(shè)的創(chuàng)新性

1.1 虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景與高精度CAE模型耦合

受限于試驗(yàn)場(chǎng)地與設(shè)備，當(dāng)前汽車(chē)碰撞安全相關(guān)課程教學(xué)內(nèi)容在試驗(yàn)環(huán)節(jié)存在嚴(yán)重缺失。借助于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，構(gòu)建試驗(yàn)場(chǎng)地虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，能夠?yàn)殚_(kāi)展汽車(chē)碰撞安全測(cè)試試驗(yàn)教學(xué)提供了虛擬現(xiàn)實(shí)仿真平臺(tái)。結(jié)合面向汽車(chē)碰撞安全研發(fā)的整車(chē)高精度CAE模型，構(gòu)建基于虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景與高精度CAE模型耦合的汽車(chē)碰撞安全研發(fā)案例庫(kù)，為研究生提供了汽車(chē)碰撞安全工程研發(fā)與試驗(yàn)驗(yàn)證的集成虛擬仿真平臺(tái)。

1.2 全方位、全流程與產(chǎn)業(yè)無(wú)縫鏈接

依托項(xiàng)目組所在的重慶市汽車(chē)性能CAE開(kāi)發(fā)技術(shù)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)在汽車(chē)碰撞安全領(lǐng)域的科學(xué)研究與工程開(kāi)發(fā)的優(yōu)勢(shì)，構(gòu)建了面向整車(chē)碰撞安全開(kāi)發(fā)的全流程、全方位與產(chǎn)業(yè)無(wú)縫鏈接的教學(xué)案例庫(kù)，能保障汽車(chē)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(chē)碰撞安全開(kāi)發(fā)案例庫(kù)建設(shè)的必要性

不同于側(cè)重理論和研究的學(xué)術(shù)學(xué)位研究生，專(zhuān)業(yè)學(xué)位研究生教育以培養(yǎng)兼具良好理論基礎(chǔ)和專(zhuān)業(yè)實(shí)踐能力的高層次應(yīng)用型人才為主。汽車(chē)碰撞安全開(kāi)發(fā)案例庫(kù)的建立能夠提升課程教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生的工程素質(zhì)。

2.1 案例庫(kù)有利于實(shí)現(xiàn)碰撞安全理論與實(shí)踐相結(jié)合

學(xué)生一方面能夠通過(guò)實(shí)際的案例了解汽車(chē)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)需要面對(duì)的安全法規(guī)要求和汽車(chē)安全設(shè)計(jì)理論，另一方面能夠參與汽車(chē)安全理論指導(dǎo)車(chē)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的實(shí)際過(guò)程，并學(xué)習(xí)現(xiàn)代汽車(chē)開(kāi)發(fā)的先進(jìn)技術(shù)和軟件。

2.2 案例庫(kù)有利于調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性和創(chuàng)造性

通過(guò)實(shí)際案例的開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)過(guò)程，學(xué)生能夠在案例的討論和實(shí)操中，充分理解汽車(chē)安全設(shè)計(jì)理論，并能主動(dòng)地將創(chuàng)造性加入結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)汽車(chē)安全的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。

2.3 案例庫(kù)有利于提高學(xué)生解決復(fù)雜工程實(shí)際問(wèn)題的能力

通過(guò)案例的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠參與到整個(gè)汽車(chē)碰撞案例的實(shí)踐，并能加入自身的理解去實(shí)現(xiàn)相關(guān)零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)仿真分析確認(rèn)自身的優(yōu)化設(shè)計(jì)是否能夠滿(mǎn)足碰撞安全開(kāi)發(fā)的要求。在這一過(guò)程中，能夠充分提高學(xué)生解決碰撞安全等類(lèi)似復(fù)雜工程實(shí)際問(wèn)題的能力。

3.汽車(chē)碰撞安全開(kāi)發(fā)案例庫(kù)內(nèi)容設(shè)計(jì)

案例庫(kù)項(xiàng)目組主要成員具有豐富的汽車(chē)碰撞安全開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)和研究生教育基礎(chǔ)。項(xiàng)目組依托學(xué)院汽車(chē)虛擬仿真分析實(shí)驗(yàn)室、整車(chē)性能CAE仿真分析實(shí)驗(yàn)室、沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)仿真平臺(tái)，借助于先進(jìn)的計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，開(kāi)發(fā)了汽車(chē)碰撞安全虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。

本案例庫(kù)運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景與高精度CAE模型耦合的方法，依據(jù)企業(yè)通用汽車(chē)碰撞安全開(kāi)發(fā)流程，在構(gòu)建整車(chē)碰撞安全測(cè)試試驗(yàn)虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的基礎(chǔ)上，建設(shè)了虛擬現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)景與高精度 CAE 模型耦合的仿真教學(xué)平臺(tái)。同時(shí)根據(jù)相應(yīng)法規(guī)（C-NCAP， C-IASI， NHTSA， U-NCAP， IIHS， ECE， E-NCAP）體系構(gòu)建了不同研發(fā)階段對(duì)應(yīng)的案例群。主要包括汽車(chē)碰撞仿真前處理與建模、汽車(chē)碰撞虛擬仿真、汽車(chē)碰撞仿真后處理以及零部件性能試驗(yàn)在內(nèi)的20個(gè)案例。汽車(chē)碰撞安全案例庫(kù)具體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 汽車(chē)碰撞安全開(kāi)發(fā)案例庫(kù)架構(gòu)

3.1 案例簡(jiǎn)介

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

3.1.1 汽車(chē)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(gè)基礎(chǔ)案例。兩個(gè)案例均以某車(chē)型前縱梁幾何模型（圖2）為藍(lán)本，通過(guò)Hypermesh軟件的學(xué)習(xí)，掌握面向整車(chē)碰撞仿真建模的薄板結(jié)構(gòu)幾何清理技術(shù)和的四變形殼單元網(wǎng)格劃分技術(shù)。

圖2 前縱梁幾何模型

3.1.2 整車(chē)碰撞仿真建模案例模塊

本模塊包含“材料模型與參數(shù)設(shè)置”、“零部件與整車(chē)連接建?！焙汀盎A(chǔ)碰撞及控制卡片”三個(gè)案例。本模塊的三個(gè)案例是整車(chē)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(yù)測(cè)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(chǔ)上開(kāi)展以下內(nèi)容的學(xué)習(xí)與實(shí)踐：在“材料模型與參數(shù)設(shè)置”案例中，在熟悉汽車(chē)常用材料及其本構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)掌握高強(qiáng)度鋼材料和多線性彈塑性材料模型的設(shè)置；在“零部件與整車(chē)連接建模”案例中，在熟悉車(chē)身結(jié)構(gòu)常用連接形式的基礎(chǔ)上，分別完成對(duì)螺栓連接、焊接、粘膠連接（發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)外板的連接）、鉸鏈連接（車(chē)門(mén)、發(fā)動(dòng)機(jī)罩與車(chē)身的連接）等常見(jiàn)連接的有限元建模，并進(jìn)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(shè)置中”，需要全方位學(xué)習(xí)面向整車(chē)碰撞仿真的LS-Dyna環(huán)境下的各種控制卡片設(shè)置，包括能量控制、殼單元控制、實(shí)體單元控制、計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)度控制、計(jì)算步長(zhǎng)控制、數(shù)據(jù)輸出控制、沙漏控制等；同時(shí)，需要在有限元接觸碰撞理論學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上完成常用的面-面接觸、零部件自接觸、剛性墻接觸碰撞設(shè)置等。

3.1.3 整車(chē)碰撞仿真分析案例模塊

本模塊的建設(shè)充分依托團(tuán)隊(duì)在過(guò)去多年幾十款自主品牌整車(chē)碰撞開(kāi)發(fā)的經(jīng)驗(yàn)積累，同時(shí)融合整車(chē)碰撞安全開(kāi)發(fā)需要滿(mǎn)足的國(guó)內(nèi)外主流法律法規(guī)（圖1），構(gòu)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(jìn)式可變形移動(dòng)壁障碰撞（Mobile Progressive Deformable Barrier，MPDB）、正面柱碰撞、側(cè)面移動(dòng)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(gè)案例。對(duì)標(biāo)工程開(kāi)發(fā)實(shí)際情況，本模塊案例的開(kāi)發(fā)在載荷與邊界條件的設(shè)置嚴(yán)格按照法規(guī)執(zhí)行，以MPDB為例：運(yùn)用團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)可變形移動(dòng)壁障小車(chē)，對(duì)某SUV車(chē)型進(jìn)行正面偏置碰撞模擬，兩車(chē)以50 km/h的對(duì)沖速度并且與被碰撞車(chē)輛有50%的重合度來(lái)撞擊具有同樣速度的被碰撞車(chē)輛（圖3），分別從障礙壁變形以及對(duì)障礙壁擊穿與否的判斷等來(lái)分析交通事故中被撞車(chē)輛的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和車(chē)身結(jié)構(gòu)的變形損傷情況。

圖3 漸進(jìn)式可變形移動(dòng)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(chē)碰撞安全開(kāi)發(fā)中具有重要乘員保護(hù)性能的座椅作為典型案例，構(gòu)建滿(mǎn)足法規(guī)試驗(yàn)要求的座椅鞭打試驗(yàn)仿真工況。本案例采用C-NCAP法規(guī)規(guī)定的BioRID II假人進(jìn)行鞭打試驗(yàn)的模擬，BioRID II假人是專(zhuān)門(mén)用來(lái)進(jìn)行后碰仿真模擬的假人，其后碰撞運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和損傷預(yù)測(cè)均具有較高的生物逼真度。

3.1.5 汽車(chē)碰撞仿真后處理分析案例模塊

本模塊參考汽車(chē)碰撞安全法規(guī)的評(píng)分規(guī)則和測(cè)試試驗(yàn)流程，將后處理分析分為“結(jié)構(gòu)耐撞性評(píng)估”“關(guān)鍵曲線數(shù)據(jù)分析與處理”“人體損傷評(píng)估”三個(gè)案例。本模塊的三個(gè)案例均選取正面25%偏置碰撞工況，參考C-IASI和IIHS中關(guān)于此工況的評(píng)價(jià)規(guī)程和考察規(guī)范對(duì)仿真模型的結(jié)構(gòu)耐撞性和人員損傷進(jìn)行分析評(píng)估，分析和總結(jié)該車(chē)型在結(jié)構(gòu)耐撞性、乘員保護(hù)方面存在的問(wèn)題，為需后續(xù)學(xué)生進(jìn)行目標(biāo)車(chē)型的小偏置工況的優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)和依據(jù)。

3.2 汽車(chē)碰撞虛擬仿真試驗(yàn)

依托學(xué)院汽車(chē)虛擬仿真分析實(shí)驗(yàn)室、整車(chē)性能CAE仿真分析實(shí)驗(yàn)室、沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)仿真平臺(tái)，借助于先進(jìn)的計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，開(kāi)發(fā)了汽車(chē)碰撞安全虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)已在《汽車(chē)CAD/CAE技術(shù)》和《汽車(chē)安全技術(shù)》兩門(mén)課程中得以應(yīng)用。

3.2.1 汽車(chē)前縱梁虛擬碰撞上機(jī)實(shí)驗(yàn)

以汽車(chē)前縱梁碰撞建模仿真為實(shí)例，學(xué)生上機(jī)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(chē)虛擬碰撞建模仿真分析流程，掌握基于有限元方法的汽車(chē)碰撞安全建模與仿真。

3.2.2 整車(chē)虛擬碰撞仿真

依托沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)仿真平臺(tái)，項(xiàng)目組開(kāi)發(fā)了整車(chē)碰撞虛擬仿真。學(xué)生進(jìn)入整車(chē)虛擬碰撞場(chǎng)景中，在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下通過(guò)人機(jī)交互完成整車(chē)碰撞參數(shù)設(shè)置、碰撞仿真，并對(duì)整車(chē)碰撞仿真進(jìn)行結(jié)果分析。學(xué)生可以在虛擬現(xiàn)實(shí)的體驗(yàn)中學(xué)習(xí)整合碰撞實(shí)驗(yàn)流程，掌握整車(chē)碰撞安全評(píng)估的基本方法。

整車(chē)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(yàn)、低速碰撞試驗(yàn)以及行人保護(hù)等試驗(yàn)外，為保證在不同形式車(chē)對(duì)車(chē)碰撞事故中較小尺寸車(chē)輛保護(hù)乘員的能力，參考相關(guān)文獻(xiàn)[3-4]進(jìn)行了正面移動(dòng)壁障偏置碰撞和側(cè)面移動(dòng)壁障碰撞仿真試驗(yàn)。

學(xué)生能夠在虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中進(jìn)行開(kāi)展汽車(chē)碰撞安全基礎(chǔ)建模與仿真分析、碰撞安全測(cè)試試驗(yàn)以及汽車(chē)結(jié)構(gòu)耐撞性和約束系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4.結(jié)語(yǔ)

針對(duì)涉及多個(gè)學(xué)科的汽車(chē)碰撞安全相關(guān)研究生課程主要是以課堂理論授課為主，缺少實(shí)際工程開(kāi)發(fā)項(xiàng)目訓(xùn)練的情況。通過(guò)整車(chē)碰撞安全測(cè)試試驗(yàn)虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的建模，面向?qū)W生高精度CAE模型開(kāi)發(fā)以及兩者耦合的仿真教學(xué)平臺(tái)的建立，推進(jìn)了理論與實(shí)踐操作的結(jié)合，使得學(xué)生能夠自主學(xué)習(xí)，培養(yǎng)了其創(chuàng)新能力以及解決復(fù)雜實(shí)際問(wèn)題的能力。