车身结构耐撞性与乘员保护虚拟仿真实验开发与实践

段利斌， 江浩斌， 张学荣， 耿国庆， 曹晓辉

（江苏大学汽车与交通工程学院，江苏镇江212013）

0 引 言

汽车碰撞是最主要的道路交通事故形式，造成了巨大的生命与财产损失。提高车身结构耐撞性和乘员保护的研发能力，可以从车辆工程专业学生的理论教育和实践能力的培养做起［1-2］。我国许多高校的车辆工程专业均开设了《车身结构与设计》《汽车与交通安全》《汽车性能与仿真》等课程，这些课程均涉及车身结构耐撞与乘员保护评价的理论和实验环节［3-6］。开展实车碰撞实验，不仅需要3000m2以上的场地，还需要昂贵的仪器设备、实验假人，单次实验费用达20 万元以上，按标准流程操作整个实验过程耗时约12 ～16 h。汽车碰撞实验过程复杂、所有操作必须由专业人员完成，学生的参与度低，还存在较大的安全风险。因此，不适合在高校开展实车碰撞实验教学。

基于真实车辆建立高精度数字化车辆仿真模型，运用数字化车辆、数字化假人、虚拟实验室与虚拟现实（Virtual Reality，VR）等先进教学技术［7-15］，开发车身结构耐撞性与乘员保护评价虚拟仿真实验平台（以下简称“平台”）。学生通过在自主交互的虚拟环境中开展在线仿真实验，掌握汽车碰撞实验的基本内容、仪器设备、操作流程、数据分析方法、国家新车评价规程（China New Car Assessment Procedure，C-NCAP）安全评价方法，达到“以虚补实，虚实结合，深度交互，理实融合”的教学效果。

1 实验原理与目的

对车身结构耐撞性与乘员保护评价虚拟仿真实验的教学思想、体系、模式、内容、方法、手段等进行了系统化设计，使学生在自主交互的虚拟环境中完成实验，弥补实体实验的不足。本实验遵循以下基本原理：车辆数字化虚拟模型与真实车辆的可替代性；乘员约束系统模型的可验证性；虚拟假人与物理假人的动力学性能的一致性，实验内容如图1 所示。

图1 实验基本内容

本实验的主要目的是使学生在较短时间内掌握汽车碰撞实验的基本内容、仪器设备、操作流程、数据分析方法、相关标准、C-NCAP 安全等级评价方法，为研究道路交通事故防控、开发高安全性汽车产品奠定理论和实践基础。预期达到以下目的：虚实结合、以虚补实，解决实体教学实验难以开展的问题；运用先进教学技术，实现“深度交互、理实融合”学习效果；激发学生的实验兴趣，培养学生分析复杂工程问题的能力。

2 项目开发与交互式操作

2.1 项目开发

本平台运用了三维建模软件（如UG、Catia等）、有限元前处理软件（如Altair Hyperworks）、后处理求解器软件（LS-DYNA）、数据及动画后处理软件（如Hyper View）、微软虚拟化管理软件、沉浸式虚拟交互系统以及Hybrid III及World SID 50 百分位虚拟假人。以计算机仿真技术、多媒体技术和网络技术为依托，借助开放式虚拟仿真实验教学管理平台的支撑，采用面向服务的软件架构开发，集实物仿真、创新设计、智能指导、虚拟实验结果自动批改和教学管理于一体，保证用户能够随时随地通过浏览器访问该实验项目，并通过平台提供面向用户的智能指导、自动批改服务功能，尽可能帮助学生实现自主的实验，加强实验项目的开放服务能力，提升开放服务效果，具有良好自主性、交互性和可扩展性的虚拟实验教学平台，结构如图2 所示。

图2 平台运行流程

2.2 交互式操作

平台包括汽车正面碰撞和侧面碰撞2 个模块，如图3 所示。学生进行实验之前需要预习、查阅文献资料、完成预习报告。在开展虚拟仿真实验时，要通过软件初始界面的“实验概况”“实验准备”按钮进入相应环节，了解实验目的、实验原理、认知汽车结构、认知实验场地与仪器设备。完成认知后进入实验操作环节，完成汽车碰撞、处理数据、分析碰撞结果，最后形成实验报告。

图3 虚拟仿真实验模块

以汽车正面碰撞为例，说明本实验平台的学生交互性操作的主要步骤：

步骤1 车身结构和材料参数设置：包括前纵梁、前指梁、防撞梁、吸能盒等结构的厚度和材料牌号，如图4 所示。

图4 车身结构和材料参数设置

步骤2 安装HPM装置（H点测量）：调整座椅位置，靠背角度到设计值（见图5），完成后将装置放回假人库。

图5 HPM（H点测量）装置安装

步骤3 安装假人：从假人库中选择正确假人模型，安装至座椅，调整假人坐姿，记录各项假人定位参数，确保试验一致性。给假人系好安全带，扣上安全扣，如图6 所示。

图6 三点式安全带佩戴

步骤4 安装数据采集仪和传感器：将数据采集仪安装在汽车后备箱、车身B 柱上安装加速度传感器、安全带上安装力传感器，如图7 所示。

图7 安装数据采集仪

步骤5 碰撞前车身参数测量和整车称重：用扫描式三坐标仪测量车身结构参数，用地磅测得汽车整备质量，如图8 所示。

图8 碰撞前车身结构参数测量和整车称重

步骤6 安装牵引铰链：安装铰链，连接牵引滑块和车身，如图9 所示。

图9 牵引铰链安装

步骤7 实施汽车碰撞：推动控制台上的“启动正面碰撞”推杆，进行汽车正面碰撞，观察汽车碰撞过程，如图10 所示。

图10 汽车碰撞过程

步骤8 碰撞后车身参数测量，如图11 所示。

图11 碰撞后车身参数测量

步骤9 碰撞数据处理和分析：从后备箱取出数据采集仪，下载高速摄像机视频，连接电脑进行数据处理；观察碰撞波形时间历程曲线，获取a-t 曲线，计算v-t曲线与L-t曲线，如图12 所示。

步骤10 车身变形及假人姿态查看分析：从正视、侧视、俯视等不同角度查看车身结构变形及假人运动姿态。例如，查看前纵梁、防火墙等关键部件的变形状态及最大变形量，如图13 所示。

图12 碰撞数据处理和分析

图13 车身变形及假人姿态查看分析

步骤11 假人损伤曲线查看和分析：包括头部、胸部、髋部加速度，安全带张力以及胸部压缩量、颈部力矩、颈部张力、大腿轴向压力、小腿轴向压力、小腿力矩、膝部滑移量等，如图14 所示。

图14 假人损伤曲线查看和分析

步骤12 正面碰撞乘员保护评价：根据上述假人损伤曲线以及正面碰撞评分标准，得到乘员保护总评分。进行乘员安全水平可视化显示，如图15 所示。

图15 乘员安全水平可视化显示

3 项目特色与创新

本实验项目坚持“以虚补实，虚实结合、深度交互、理实融合”教学理念，主要特色和创新包括：

全面融合数字化车辆、数字化假人、虚拟实验室与VR等先进教学技术，学生参与度高，解决了实体教学实验难以开展的问题；

不断融入吸收最新教学实践和科研成果，虚拟车辆模型、虚拟假人、虚拟乘员模型精度高，虚拟仿真实验结果可信度高；

以工程认证理念和新工科人才培养要求为导向，将理论、操作、仿真、标准应用等知识融合贯通，培养学生分析和解决复杂工程问题的能力。

4 项目推广应用

4.1 面向高校的教学推广应用

以车辆工程、交通工程、运输工程方向的专业课程实验教学为主，扩展面向其他专业方向，汽车服务工程、环境工程和安全工程等专业相关课程的实验教学。通过在线选课、自主实验，激发学生的实验兴趣，培养学生的自学能力与查阅文献资料能力、增强学生实验技能和动手能力。现已在车辆工程、交通运输等5 个专业开设本实验，教学效果良好。

向国内高校和企业、社会办学机构开放，2018 ～2019 年主要面向省内本科院校，并邀请部分国内院校参与；2020 ～2021 年向国内本科院校开放，并对国内主要汽车企业开放；2022 年开始面向国内高校和企业及实验室、检测站开放，允许符合条件的社会机构接入。

4.2 面向社会的推广与持续服务

通过举办会议、成立论坛、接待参访等形式，与校内外及国内外院校、汽车企业和研究机构建立有效的资源共享平台；国内其他相关专业的学校和学生能共享我们的建设成果，为培养学生的综合创新能力服务。目前，本平台已向省内部分高校和南京、上海等多家相关企业开放。

综合应用多媒体、大数据、三维建模、人工智能、人机交互、传感器、超级计算、虚拟现实、增强现实、云计算等网络化、数字化、智能化技术手段，合理实验项目，丰富虚拟仿真实验内容；举办相关技能大赛，促进和提升学生的专业实践能力。

5 结 语

针对汽车碰撞虚拟仿真实验教学资源相对匮乏的现状，运用虚拟车辆模型、虚拟假人、虚拟仪器、虚拟实验场，借助3D可视化、人机交互、VR、智能网络和现代信息等技术，开发了车身结构耐撞性与乘员保护评价虚拟仿真实验平台。

本实验平台坚持“以虚补实，虚实结合、深度交互、理实融合”教学理念，以工程认证理念和新工科人才培养要求为导向，全面融合数字化车辆、数字化假人、虚拟实验室与VR等先进教学技术，对车身结构耐撞性与乘员保护评价虚拟仿真实验的教学思想、体系、模式、内容、方法、手段等进行系统化设计，为研究道路交通事故防控、开发高安全性汽车产品奠定理论和工程基础。

本实验项目面向国内高校和企业、社会办学机构开放，主要用于企业员工的岗前培训和高校专业课的实验教学。目前，已向南京理工大学、南京航空航天大学等高校和南京、上海等多家相关企业开放，具有广阔的应用前景。