一 碰撞前后的车速分析

碰撞前后的车速分析是指在车辆发生碰撞后，以碰撞现场的车辆停止状态、车辆损坏情况、各种痕迹（碰撞、制动等）信息及人员伤害为主要依据，运用相关理论方法，按照试验数据以及专家经验建立的运动学和动力学模型，对碰撞发生时车辆的行驶速度和碰撞速度进行推测的过程。方法主要包括基于能量守恒和动量守恒等基本力学理论的理论计算方法、基于已有的试验或统计数据和经验公式的经验推算方法以及将理论计算方法与经验公式综合应用的综合方法。在理论计算方法中，基于能量守恒定律的能量网格法和以运动学为基础的运动路径法是最常用的车速计算方法。

（一）能量网格法的理论分析

能量网格法的基本原理为能量守恒，即车辆碰撞前的动能转化为碰撞后的动能及变形能。车辆变形能不仅与车辆的变形有关系，还和车体刚度、变形位置及变形深度等有很大关系。车辆各部件由于采用的材料及工艺存在巨大差异，具有不同的刚度系数。

假设碰撞力和变形量在车辆宽度方向上均匀分布，车辆的碰撞速度、碰撞力与车体的残余变形存在线性关系：

v_EBS=b₀+b₁C　　　　　　（1）

f=a₀+a₁C　　　　　　（2）

其中，v_EBS为车辆的等效壁障速度（EBS），f为单位宽度所产生的碰撞力，b₀、b₁及a₀、a₁为车辆刚度系数，C为车辆变形深度。因此，对于车辆的碰撞变形，其碰撞变形能可表示为：

其中，E_a为车辆碰撞变形能，X为车辆有效变形深度，W为有效变形宽度，x为车辆变形深度方向的微量，w为车辆变形宽度方向的微量。已有研究发现，对于侧面碰撞以及追尾碰撞，碰撞速度、碰撞力与车体残余变形之间同样具有上述的线性关系，只是刚度系数有所不同。

能量网格法计算车速是在大量实车碰撞试验数据的基础上，通过汽车不同部位刚度系数与残余变形之间的关系，得到碰撞过程中汽车发生塑性变形吸收的能量及EBS，即：

其中，E_d为车辆塑性变形能量，m为车辆质量。

（二）PC-Crash能量网格车速预估

PC-Crash是一款碰撞再现软件，由奥地利Steffan公司开发。因为使用PC-Crash建模相对方便、运算时间比较短和界面模拟过程特别逼真等，所以在世界范围内PC-Crash都得到了比较广泛的应用。PC-Crash中的Crash3 EBS Calculation以美国国家公路交通安全管理局（NHTSA）开展的大量实车正面碰撞试验数据为基础，在计算车辆变形吸能状况以及EBS等方面具有较高的可信度。通过测量碰撞车辆N个变形点（N可取2～12）的变形，结合材料属性，可计算出试验车辆塑性变形吸收的能量，如图1所示。

图1 变形点选择

（三）基于运动路径的车速仿真分析

基于运动路径的车速计算方法通过重现碰撞现场，从PC-Crash的DSD2012数据库读取碰撞车辆的模型，设置碰撞车辆的主要参数（如尺寸、悬架属性等），碰撞车辆的轮廓参数设置如图2所示。

图2 碰撞车辆轮廓参数设置图

设置碰撞时序可以模拟驾驶员在碰撞过程中采取的多种措施（如制动、转向等）。通过各项参数的设置，使仿真过程中的车辆运动轨迹与实际碰撞中的车辆运动轨迹尽量重合。仿真的三维视图如图3所示。

图3 仿真三维视图

二 LS-DYNA碰撞仿真分析

本文将通过PC-Crash的多刚体动力学仿真以及LS-DYNA的非线性动力学分析有限元程序验证模型的有效性，并且针对碰撞过程和车辆变形情况进行分析和仿真。

（一）车辆模型简化

选择一汽-大众汽车有限公司（以下简称“一汽-大众”）某车型的某次碰撞试验，该整车模型由1687976个网格单元组成，网格边长平均约为6mm。为了减少运算时间，同时使该模型在车撞固定物的碰撞仿真中具有一定的适用性，对车辆模型进行简化处理。分析整车模型的正面100%刚性壁障碰撞仿真可知，车辆变形部位主要集中在A柱前部，乘员舱结构变形较小，吸能不多，而B柱之后的部件基本无变形，如图4所示。

图4 整车刚性壁障碰撞仿真示意

使用左右各一个质量点替代双侧车门，必须保证质量点位置与车门的重心位置相同，质量点与车身侧围刚性连接。采用三个质量点替代B柱之后的网格，必须保证替代后的转动惯量与整车的相同，同时保证简化模型与整车模型的质量、重心位置一致，质量点与侧围、地板之间均采用刚性连接。简化后的模型（见图5）由895296个单元组成。

图5 简化模型示意

（二）车辆简化模型的验证