譚碩 溫海峰 張浩 谷暢

摘 要：社會與科學技術水平的不斷發(fā)展，給汽車的普及以及其重大突破與發(fā)展帶來了良好的契機。但隨之而來的是由汽車造成的安全事故屢見不鮮，這給我國人民的生命財產安全帶來了嚴重的危害，因此對汽車碰撞安全性優(yōu)化的研究已經迫在眉睫。本文主要通過介紹計算固體力學及其在汽車碰撞安全性優(yōu)化設計中的應用，并且還介紹了在汽車安全性優(yōu)化設計中具體應用的以計算固體力學為支撐的有限元法與汽車輕量化法。

關鍵詞：計算固體力學；汽車碰撞安全性優(yōu)化；有限元法；汽車輕量化

科學技術水平不斷取得重大的突破，使得多領域技術的互相融合與應用取得了更進一步的完善與發(fā)展。在當前社會大環(huán)境下，安全、環(huán)保以及節(jié)能是汽車行業(yè)目前以及未來發(fā)展的主題?，F階段，借助計算固體力學來促進汽車碰撞安全性的優(yōu)化設計具有十分重要的現實意義，其能夠在極大保證碰撞安全優(yōu)化設計科學合理性的同時減少其工作量。另外值得注意的是，目前在汽車碰撞安全性優(yōu)化設計中應為相當廣泛的有限元法以及汽車輕量化法就是以計算固體力學作為其支撐的。

一、計算固體力學及應用

目前多領域技術互相融合這一趨勢日益明顯，由于計算力學在各種領域中都能發(fā)揮著較強的仿真能力，因此在多領域中都得到了廣泛的應用。特別是隨著計算機技術的不斷突破與發(fā)展，逐漸構建了一套科學先進的智能化力學體系，這對于解決各種復雜的固體力學問題有著及其重要的現實意義，一方面能夠在極大程度上保證固體力學得到正確科學的解答，另一方面也極大的提高了固體力學問題的解決效率進而節(jié)省了大量的人力物力。計算固體力學在汽車碰撞安全性優(yōu)化中的應用一方面是現代物理學本身的突破，另一方面也是借助計算固體力學的優(yōu)勢來極大的完善與發(fā)展汽車碰撞安全性的優(yōu)化設計。在實際的應用過程中計算固體力學常常表現為離散化的數值方法，在應用現代力學知識的基礎上結合現代計算機技術就可以有效的解決固體力學中各種簡單或復雜甚至可以說是艱巨的問題。在固體力學的具體求解過程中廣泛應用的是連續(xù)函數，并借助計算機技術來求解相應的微分方程。一般而言，計算固體力學常應用于解決以下問題：

（1）求解純力學問題，即靜力學問題。若同時結合利用計算機技術則能使純力學問題的求解在純力學問題離散化的基礎后轉換成線性代數方程組問題的求解。

（2）求解特征值問題。將實際問題的求解在將其離散化的基礎上轉換為矩陣特征值以及特征向量問題的求解。例如在汽車碰撞安全性的優(yōu)化設計中，就會在結合大數據等其他技術的基礎上進行優(yōu)化設計，同時還能通過精確的數據處理來有效的提升設計方案的科學性、可靠性以及工作效率。

考慮到計算固體力學在汽車碰撞安全性優(yōu)化設計中的具體應用，可將其應用總結為以下三方面：汽車碰撞安全性優(yōu)化中的主動控制技術應用；有效解決汽車碰撞中復雜甚至是難以解決的問題；對優(yōu)化設計方案進行精確化的數值試驗。

二、計算固體力學在汽車碰撞求解中的應用

（一）對復雜工程問題的分析

在汽車碰撞安全性優(yōu)化設計中應用計算固體力學，可以融合目前先進的計算機技術來有效解決可能出現的復雜力學問題，將復雜的問題簡單化，將不易解決的問題轉化成相對容易解決的問題，進而大大降低汽車碰撞問題求解中的計算量以及求解難度。比如，在汽車碰撞安全性的優(yōu)化設計中會經常需要分析車身的柔性結構，在實際的求解過程中需要求解數量較為龐大的計算物理節(jié)點，這該種情況下就需要借助計算固體力學來完成計算量龐大的節(jié)點自由度分析。同時廣為人知的是，汽車行駛速度越大其碰撞造成的后果也就越嚴重、其碰撞問題的求解也就越復雜越難以解決，而絕大部分的汽車碰撞都是由于行駛超速而引發(fā)的，針對這類問題，計算固體彈性力學有著十分重要的現實意義。

（二）進行精確化數值試驗

在汽車碰撞安全性的優(yōu)化設計中應用計算固體力學還能夠進行精確化的數值模擬試驗，進而大大了提高優(yōu)化設計方案的可實施性以及科學合理性，同時計算固體力學與先進計算機技術的融合使用還能顯著提升系統(tǒng)功能設計的精確性。例如，借助計算機數值處理技術可以用來代替一部分汽車碰撞問題的驗證性模擬，同時還能用來實施汽車碰撞問題中一部分的研究性試驗。同時還可以模擬碰撞發(fā)生時汽車車身結構的實際變化以及力學變化，極大程度上 的模擬真實環(huán)境，進而能夠得到符合實際情況的實驗響應。

三、汽車碰撞安全性優(yōu)化設計

（一）概述

在車身的傳統(tǒng)設計中，多是依靠設計者自身的經驗來進行車身設計的嘗試，并且還需要反復進行車身的碰撞試驗，因此傳統(tǒng)的車身設計工作效率低下，耗時長，且浪費大量的人力物力。從科學的角度看，解決汽車的碰撞問題就是解決包括接觸非線性、材料非線性以及幾何非線性這三種非線性問題在內的非線性動力學問題，因此汽車碰撞問題的求解十分復雜，且難以操作。同時需要我們重視的是，汽車碰撞問題即接觸碰撞問題由于響應不光滑的原因而成為目前科學技術水平下求解最為困難的非線性問題之一。經多年來的研究試驗表明，以計算固體力學為支撐的有限元法是解決汽車碰撞問題最為行之有效的方法。汽車碰撞安全性優(yōu)化設計中的求解難點就是很難求解出優(yōu)化設計中相關指標的顯示表征。為了有效解決這一難點，經過多年來的探索研究提出了用以解決汽車碰撞安全性優(yōu)化設計相關問題的數學模型，在應用計算力學的基礎上借助回歸分析數學法有效解決非線性很強的系統(tǒng)分析問題中指標的優(yōu)化設計以及顯示表征的近似回歸解。該數學模型能夠大大節(jié)省汽車碰撞安全性優(yōu)化設計所需的成本經費，同時還能大大提高其工作效率、提高設計方案的科學合理性。另外值得一提的是，考慮到汽車碰撞問題求解過程中龐大的計算量以及復雜程度，常需在汽車碰撞安全性優(yōu)化設計中應用多變量篩選法。在分析研究汽車實際碰撞情形下出現的護欄碰撞、正面碰撞、位置碰撞以及側面碰撞這四種不同類型問題的基礎上構建與之相對應的汽車碰撞仿真模型，這一過程需要借助計算固體力學與計算機技術的融合使用。同時以計算固體力學為支撐的汽車輕量化法是對汽車車身材料作出碰撞安全性優(yōu)化設計時廣泛應用的一種行之有效的方法。

（二）有限元法

在現今汽車碰撞安全性的優(yōu)化設計中會頻繁應用有限元法，正是由于有限元法具有靈活性強、操作簡單且適用性強等特點，有限元法才會進一步在諸如汽車碰撞問題這一類復雜且計算量巨大的工程計算問題發(fā)揮著極大的現實意義。應用有限元法的目的是求解數理方程，通過計算固體力學將不間斷區(qū)域內的物理力學問題極大可能性的轉換為不連續(xù)但符合一定規(guī)律的區(qū)域內的物理力學問題即是有限元法的基本思想。有限元法是一種得到普遍應用的數值分析法，它融合了計算機技術、計算固體力學知識中的連續(xù)介質力學理論以及計算數學方法。

四、結束語

隨著相關行業(yè)以及相關部門的重視，為了有效避免汽車安全事故的發(fā)生或者有效減輕汽車安全事故造成的危害，現階段對于汽車碰撞安全性的優(yōu)化設計也投入了前所未有的關注。現階段，借助計算固體力學來促進汽車碰撞安全性的優(yōu)化設計具有十分重要的現實意義，其能夠在極大保證碰撞安全優(yōu)化設計科學合理性的同時減少其工作量，值得在實際應用中大力推廣。

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