丁礼灯，李晓娜

（1.长江职业学院，湖北 武汉 430074；2.河南信息统计职业学院，河南 郑州 450008）

在了解适用于研究汽车碰撞的建模与仿真软件之前，首先应了解汽车碰撞模拟的过程。在了解模拟过程的基础上，据此来将可用的软件分类，并详细阐述各软件的适用条件及优缺点，以达到方便研究者选用合适的软件以辅助研究之目的。

1 汽车碰撞模拟的过程

汽车碰撞的仿真过程可以分为四个阶段，分别为：①建立研究对象的三维模型；②仿真的前处理阶段，即用有限元软件对已建立的三维模型划分网格；③仿真碰撞的过程，即用有限元软件显示求解；④仿真的后处理阶段，即计算结果处理，如绘制碰撞参数曲线等。

了解汽车碰撞的过程对理解后面提到的软件适用于处理仿真的哪一阶段有所帮助，也就是对各软件的功能与适用范围有更加系统化的认识。

2 汽车碰撞仿真软件的分类

根据汽车碰撞的仿真过程可以将汽车碰撞仿真软件分为两类：一类软件是集上述四个步骤于一体的软件，如：PC-CRASH、PAM-CRASH、RADIOSS、MADYMO 等，即用某一个软件就可以将上述四个步骤完成，或者说上述四个仿真步骤可以在选用的一个软件中完成；二类软件是将多种软件组合起来成这四个步骤，或者说是选择不同的软件以分别实现各个步骤，如：CATIA和 LS-DYNA的组合、3DSMAX与OPENGL的组合等。

一类软件建立三维模型划分网格仿真碰撞计算结果处理PC-CRASH、PAM-CRASH、RADIOSS、MADYMO、CAE、ADAMS等；二类软件建立三维模型划分网格仿真碰撞计算结果处理CAD、CAE、CATIA、UG、Solidworks、3DSMAXS、Pro/EANSYS、Hyper-meshLS-DYNA、OpenGL、VPGLS-PREOST（是 LS-DYN A中的模块）、MATLAB。

3 碰撞仿真软件详述

3.1 一类碰撞仿真软件

一类碰撞仿真软件有 PC-CRASH、PAM-CRASH、RADIOSS、MADYMO、CAE、ADAMS等，这类仿真软件的优点是模型丰富、建模工作量小、仿真结束就能输出碰撞期望参数，现分别进行介绍。

（1）PC-CRASH。选用PC-Crash软件进行模拟，这样就避免建立详细的有限元模型，而是直接从PC-Crash的模型库中直接调用行人和车辆模型，其中车辆模型外形尺寸能与实际车辆参数完全一致，并能够显示出车辆配备的电子系统（如ABS）在事故中所起的作用。这样就可以大大减少车辆建模的工作量，从而大大缩短计算时间，提高仿真效率，同时还能提高仿真效率。PC-Crash多用于人车碰撞的分析，能够再现事故过程，进行行人碰撞接触应力分析，可详细分析行人头部的速度、角速度、抛射距离等技术参数。主要关注与人车碰撞的过程和碰撞后人的受伤害部位和程度，即关注与行人的安全性。

（2）PAM-CRASH。PAM-CRASH软件是法国ESI公司的碰撞模拟有限元分析程序包。它提供了强大的有限元前、后处理程序和算法优良的解算器，目前已被世界各大汽车生产厂商广泛采用作为碰撞模拟分析的专用平台。

PAM-CRASH软件提供了专门的运动铰单元（Kinematic Joint Elements），非线性6自由度弹簧／阻尼单元（Nonlinear 6DOF Spring/Dashpot Elements），焊点约束（Spotwelds）等多种实体（Entities）用于模拟机构间各种复杂的运动关系。例如，仅运动铰单元中就含有球铰（Spherical）、滑移铰（Translational）、转动铰（Revolute）、圆柱铰（Cylindrical）、平面铰（Planar）、万向节（Universal）、弯曲——扭转铰（Flexion-Torsion）以及用户自定义铰（General）8种类型。并且，各种类型的运动铰在其未受约束的自由度上还可以定义刚度、阻尼及摩擦系数等多种参数。如此强大的功能才使得对轿车正面碰撞过程中其前部运动机构的模拟成为可能，这也是该软件的优势所在。

（3）RADIOSS。RADIOSS是用于工程仿真、按时间步骤积分的显示有限元计算软件，在撞击模拟领域里，RADIOSS处于世界领先地位。RADIOSS能够处理高速动力荷载下，高阶非线性材料的力学响应问题；针对典型的钢材、复合材料、泡沫、有机玻璃、蜂窝状材料、混凝土、塑料、织布等，软件包提供35种不同的材料模型；强大的前处理功能，有效地缩短撞击分析和人体防护分析的建模时间；直观后处理分析功能，详细演示结构变形的动态过程。

RADIOSS能进行高速撞击模拟，包括：多方位的撞击模拟、行人和驾驶员碰撞伤残程度评估、安全装置的有效性检测、汽车翻滚模拟。还能进行静态和准静态下的应力分析，如：汽车顶棚强度的验证、安全带与车体连接的牢固性分析。RADIOSS即行人和驾驶员在发生碰撞时的安全性及车辆的被动安全性设计，是能够模拟碰撞问题的一款具有强大仿真功能的软件。

（4）MADYMO。MADYMO软件的原始设计意图是要解决汽车碰撞过程中乘员的运动分析。但是目前MADYMO软件经过不断完善和扩充还可以用于诸如火车、飞机、摩托车甚至自行车等其它交通工具的碰撞分析；MADYMO程序亦可评价包括安全带气囊在内的乘员约束系统对保护乘员的作用。MADYMO提供了用多体方法和有限元方法解决机械系统运动学和动力学的方法，因而而它是非常实用的软件系统。尤其是在交通工具被动安全领域内更显示出其强大的功用。MADYMO软件同时具有多体系统动力学和有限元性两种分析功能，它将两种分析方法有机地结合在一起。根据问题的实际情况建立多体系统模型和有限元模型，或建立多体——有限元模型。

（5）CAE。CAE对碰撞问题的研究多用于汽车产品设计开发或改型阶段，一般是采用CAE实体造型和参数化建模，并进行应力应变分析、疲劳分析、动力学仿真分析、汽车被动安全性方面的分析以及震动噪声分析等，从而在设计阶段发现潜在的问题，进而对所出现的问题进行修改和优化，大幅度提高汽车产品的设计功能，缩短确定合理结构参数所需要的时间。CAE能用有限元法解决碰撞问题，实现碰撞问题的现实求解，但适用碰撞问题的研究范围较窄且精度较低。

（6）ADAMS。ADAMS是全球运用最为广泛的机械系统仿真软件，用户可以利用ADAMS在计算机上建立和测试虚拟样机，实现事实再现仿真，了解复杂机械系统设计的运动性能。利用动力学仿真软件ADAMS可以较方便地求解刚性体的碰撞问题，但计算参数的选取对计算结果的准确性有很大影响，计算参数如果设置的不够准确，在进行碰撞仿真时可能会出现穿透现象，甚至会使计算终止。

ADAMS可以通过定义事故发生环境的人和车的具体参数来对事故进行模拟，输出碰撞过程中位移轨迹等，但是ADAMS建立的三维模型比较粗糙。

3.2 二类碰撞仿真软件

二类碰撞仿真软件根据实现仿真步骤的不同可以分为三维建模软件、有限元分析软件、动态显示碰撞仿真过程的软件和碰撞结果处理软件，各类软件具体包含的软件适用范围和优缺点如下所述。

（1）三维建模仿真软件。三维建模软件有CAD、CAE、CATIA、UG、Solidworks、3DSMAXS、Pro/E 等。CAD即计算机辅助设计（CAD-Computer Aided Design）利用计算机及其图形设备帮助设计人员进行设计工作。在工程和产品设计中，计算机可以帮助设计人员担负计算、信息存储和制图等项工作。CAE指工程设计中的计算机辅助工程CAE（Computer Aided Engineering），指用计算机辅助求解分析复杂工程和产品的结构力学性能，以及优化结构性能等。而CAE软件可作静态结构分析，动态分析；研究线性、非线性问题；分析结构（固体）、流体、电磁等。CATIA可以帮助制造厂商设计他们未来的产品，并支持从项目前阶段、具体的设计、分析、模拟、组装到维护在内的全部工业设计流程。CATIA系列产品已经在七大领域里成为首要的3D设计和模拟解决方案：汽车、航空航天、船舶制造、厂房设计、电力与电子、消费品和通用机械制造。UG是Unigraphics的缩写，这是一个交互式CAD/CAM（计算机辅助设计与计算机辅助制造）系统，它功能强大，可以轻松实现各种复杂实体及造型的建构。Solidworks软件是世界上第一个基于Windows开发的三维CAD系统，由于使用了Windows OLE技术、直观式设计技术、先进的parasolid内核（由剑桥提供）以及良好的与第三方软件的集成技术，SolidWorks成为全球装机量最大、最好用的软件。3DSMAXS是Autodesk公司开发的基于PC系统的三维动画渲染和制作软件，是Autodesk公司开发的基于PC系统的三维动画渲染和制作软件。Pro/E是一款集CAD/CAM/CAE功能一体化的综合性三维软件，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，并作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广，是现今最成功的CAD/CAM软件之一。从一些软件使用者的经验来看，建模最简单的是Solidworks，三维模型成型效果最好的是3DSMAXS，其余的软件学习的难易程度都差不多，要看建模者的软件应用基础，看使用者最熟悉和擅长使用哪一软件建模。

（2）有限元分析软件。有限元分析软件应用最多的有ANSYS和Hyper-mesh，它们可以进行网格划分从而用有限元法对研究对象进行分析计算。ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，是现代产品设计中的高级CAE工具之一。Hypermesh具有很高的有限元网格划分和处理效率，应用Hypermesh可以大大提高CAE分析工程师的效率；它所具有非常简洁和方便的用户界面，大大节省了用户学习Hypermesh所需要的时间；直接输入CAD几何模型及有限元模型，减少用于建模的重复工作和费用；高速度、高质量的自动网格划分极大地简化复杂几何的有限元建模过程。

（3）动态显示碰撞仿真过程的软件。动态显示碰撞仿真过程的软件有LS-DYNA、OpenGL、VPG，可以进行有限元显示求解。LS-DYNA是世界上最著名的通用显式动力分析程序，能够模拟真实世界的各种复杂问题，特别适合求解各种二维、三维非线性结构的高速碰撞、爆炸和金属成型等非线性动力冲击问题，同时可以求解传热、流体及流固耦合问题。在工程应用领域被广泛认可为最佳的分析软件包。与实验的无数次对比证实了其计算的可靠性。OpenGL是行业领域中最为广泛接纳的 2D/3D图形 API，是独立于视窗操作系统或其它操作系统的，亦是网络透明的。在包含CAD、内容创作、能源、娱乐、游戏开发、制造业、制药业及虚拟现实等行业领域中，OpenGL帮助程序员实现在PC、工作站、超级计算机等硬件设备上的高性能、极具冲击力的高视觉表现力图形处理软件的开发。OpenGL是个与硬件无关的软件接口，可以在不同的平台如 Windows 95、Windows NT、Unix、Linux、MacOS、OS/2 之间进行移植。因此，支持OpenGL的软件具有很好的移植性，可以获得非常广泛的应用。由于OpenGL是图形的底层图形库，没有提供几何实体图元，不能直接用以描述场景。但是，通过一些转换程序，可以很方便地将AutoCAD、3DS/3DSMAX等3D图形设计软件制作的DXF和3DS模型文件转换成OpenGL的顶点数组。

VPG（Virtual Proving Ground）虚拟试验场是美国ETA（Engineering Technology Associates，Inc.） 公司总结汽车 CAE长期工作经验，在LD-DANA软件平台上开发的，是美国ETA/LSTC/ANSYS三个公司合作推出专门应用于汽车工程的软件。VPG技术是ETA公司在多年汽车CAE仿真工作经验基础上，总结丰富的汽车专业工作经验而开发的。LD-DYNA软件优秀的本质，保证了VPG具有先进的功能、丰富的数据库为用户提供了极大的方便，应用方法简单标准，深受汽车工程界的欢迎。VPG技术应用于当前汽车产品开发中的前沿——整车系统疲劳、整车系统动力学、NVH和整车碰撞安全及乘员保护等最热门仿真问题。VPG虚拟试验场可以进行有关整车系统全部试验项目，包括：道路条件下，整车系统疲劳寿命分析；柔性和刚性体组合体（含整车系统）的非线性系统动力学分析；整车系统NVH分析；碰撞仿真和乘员保护及评价。

（4）计算结果处理软件。计算结果处理软件有LS-PREOST（是 LS-DYNA中的模块）、MATLAB等。LS-PREOST（是LS-DYNA中的模块）能进行结果的彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、等值面、粒子流迹显示、立体切片、透明及半透明显示；变形显示及各种动画显示；图形的PS、TIFF及HPGL格式输出与转换等。MATLAB在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接matlab开发工作界面其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。在碰撞问题的研究中主要应用的是MATLAB的数值分析和数值计算功能。

3.3 常用软件组合

前面已经介绍了各种可用于汽车碰撞仿真领域的软件，这些软件往往组合起来使用，可以将第一类软件与第二类软件组合起来使用，也可第二类软件之间相互组合，以提高仿真精度和实现仿真目的。常用的一些软件组合有：用三维建模软件CATIA建立汽车模型，前处理用ANSYS划分网格，再用LS-DYNA分析碰撞安全性，后处理用LS-PREPOST（LS-DYNA的一个模块）。用3DSMAX建立逼真的汽车实体模型，用MATLAB编程，以在图形接口程序OPENGL中读入车辆运行参数及输出所需数据。用CAE建立轿车实体三维模型，再用VPG辅助建模，提高整车建模精度，然后在VPG中实现仿真及结果输出。

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