碰撞优化（精选8篇）
碰撞优化 篇1
1 引言
根据公安部交通管理局的统计,我国2005～2008年交通事故中,行人年受伤人数分别占当年交通事故受伤人数13.16%、13.75%、13.66%、13.8%;行人死亡人数分别占当年交通事故死亡人数的26.19%、26.69%、25.21%、24.60%。行人伤亡绝对人数已经相当大,而且随着近年来汽车保有辆的迅速增加,驾驶员素质的参差不齐,以及中国长期存在的混合交通特点,行人在交通事故中的伤亡总数将居高不下,甚至会有上升趋势。
行人小腿损伤是交通事故中最易发生的损伤形式之一,根据日本的一项调查统计,在非致命的汽车与行人碰撞交通事故中,小腿损伤占40%。小腿损伤会导致长期或永久性的残疾,给受害人的生活带来很多不便。因此,研究如何降低汽车与行人碰撞过程中对行人腿部及膝关节造成的伤害,对于降低事故损失及受害人的痛苦具有重要意义[1]。
2 小腿碰撞机理
欧盟最新行人保护法规631/2009规定了行人保护小腿质量,分别包括大腿质量8.6±0.1kg,小腿质量4.8±0.1kg,整体腿部质量为13.4±0.2kg[2]。
汽车碰撞行人的过程涉及到相应零部件的接触、变形以及能量吸收过程。真实的碰撞过程等同于运用相应的物体或人以相应的能量去撞击车辆。碰撞前的运动能量为纯动能,即
其中m为腿部质量,v为初始碰撞速度,为了吸收腿部碰撞能量,所做的功可以用下式表示:
其中x为侵入量,F为变形抗力,可以用牛顿第二定律表示:
其中碰撞过程能量的转换可以用下式表示:
从式(1)～式(4)可以评价出零部件的最小变形量,前提是给出碰撞力或碰撞加速度。
另外,碰撞过程主要涉及变形过程,从而可以用下式表示做功。
其中应变为σ,应力为ε,反映了汽车前端系统的碰撞变形过程。
行人或物体碰撞汽车的过程是一个非线性的过程,包括了材料的非线性、接触的非线性等。通过做以下简化,即变形为单向变形,接触为单向接触,从而把复杂问题简单化为一个线性问题。因此,可以通过下式来阐述:
从式(6)可以导出理想的变形侵入量,其中A0为接触区域,l0为理想能量吸收器的初始厚度。
理想最小变形量考虑的是加速度恒定的情况,亦即受力恒定,理想的应力应变可参考图1;但是腿部碰撞汽车前端系统时,车辆的应力应变过程如图2所示。其中第Ⅰ阶段应力迅速上升,然后下降到第Ⅱ阶段,这个阶段区域平缓的部分则是理想的塑料阶段,在第Ⅲ阶段,由于变形量骤然减少,应力急剧上升[3]。
3 行人保护小腿有限元计算
3.1 行人保护小腿CAE建模
针对该车型初始状态运用HYPERMESH软件建立了小腿碰撞前车身CAE模型,该模型中没有下支撑板,且倒车雷达的后端与前横梁的上端面直接接触。图3为前车身CAE模型。
3.2 优化前的仿真结果
针对于倒车雷达碰撞点,运用LS-DYNA软件进行求解,胫骨加速度伤害值达到205g,超过了GTR法规限值170g。在碰撞过程中倒车雷达直接与前横梁上端面接触,经过测量显示倒车雷达后端面到前横梁上端接触面之间间隙只有30mm,使得压溃空间严重降低,是该碰撞点胫骨加速度超标的主要原因。图4、图5为碰撞初始状态和倒车雷达与前横梁接触时刻的截面图。图6～图8分别为该碰撞点的胫骨加速度曲线、弯曲角曲线和剪切位移曲线。
3.3 优化方案
上述分析可知胫骨加速度的超标主要是由于探头在碰撞过程中与前横梁上端面接触阻碍了小腿的运动,在一定程度内增加了前保系统的刚度,进而使得小腿的胫骨加速度严重超标。优化方案如下:将探头的布置位置Z向向下移动15mm,使得在小腿碰撞过程中探头末端与前横梁凹面接触,充分保证小腿碰撞过程第二阶段的压溃间隙,进而降低小腿的胫骨加速度。另外增加小腿的下支撑板,能有效地降低小腿的弯曲角,优化方案如图9～图11所示。
3.4 优化方案结果分析
对上述优化方案进行LS_DYNA运算,发现胫骨加速度降低到140g,已降低到法规限值范围内,弯曲角也得到了一定的降低,剪切位移有了一定程度的上升,但仍然在法规限值之内。通过对优化方案的CAE仿真运算验证了该方案的正确性。图12～图14分别为小腿的伤害曲线。
4 结论
在汽车工程设计阶段,通过HYPERMESH建立小腿模型,并运用LS_DYNA软件进行行人小腿碰撞分析和优化设计,可以获得如下结论:
(1)优化车身前保吸能板结构和倒车雷达的布置数据能显著提升小腿碰撞过程中的压溃空间,对于降低小腿的胫骨加速度有着明显的作用。
(2)通过增加下支撑板这个零部件,能降低小腿的弯曲角,使得小腿在碰撞过程中能轻微的上扬,使得小腿碰撞由单点支撑变成双点支撑,能在一定程度上降低小腿的弯曲角。
(3)调整前保各子系统中的刚度,能有效降低小腿胫骨加速度的峰值。
参考文献
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碰撞优化 篇2
原告:福建省罗源县鸿达轮船有限公司(以下简称鸿达轮船)
被告:三富海运株式会社(以下简称三富海运)
2000年6月8日1030时,鸿达轮船所属的“鸿达2号”轮在黄浦江吴泾附近棉花仓库码头装货完毕,离开码头掉头向浦东方向驶去｡“三富翠玉”轮于2000年6月7日到达长江口锚地抛锚｡次日凌晨0130时,该轮在长江口锚地动车,0400时引航员登轮,引领船舶进口｡2000年6月8日上午,晴天,能见度良好,风向西南,风力约3级｡“三富翠玉”轮于1050时初见“鸿达2号”轮,该轮距“三富翠玉”轮约1 000米｡当两船相距约500米时,“三富翠玉”轮发现“鸿达2号”轮欲横穿该轮的船首,即采取慢车,之后又采取停车､后退二及右满舵｡因两船相距过近,避让不及,于1100时,“三富翠玉”轮船首碰撞了“鸿达2号”轮左舷后侧｡“鸿达2号”轮因进水严重,向浦东岸边冲滩不成而沉没｡
事故发生后,双方均向港监递交了海事报告｡鸿达轮船因“鸿达2号”轮的沉没,向上海申南打捞疏浚有限公司支付打捞费人民币754 400元;被运输货物的委托方大连渔轮船舶货运代理公司在所欠鸿达轮船的运费中扣除货物损失人民币296 000元;鸿达轮船通过长江水上法律服务所向福州新洋海事咨询服务有限公司支付服务费人民币10 000元｡福州新洋海事咨询服务有限公司出具了一份关于“鸿达2号”轮船舶事故损坏检验的报告,称该轮的修理费用为人民币749 000元,重置价约为人民币1 795 200元｡
三富海运未就“三富翠玉”轮的损失向法院提起请求,也未提供证据｡
[裁判]
上海海事法院经审理认为,涉案事故属于涉外船舶碰撞损害赔偿纠纷｡按我国的民法规定,船舶碰撞损害赔偿属侵权赔偿,赔偿的责任主体应是侵害人｡鸿达轮船在诉讼中,没有向法院举证证明三富海运就是“三富翠玉”轮的船东､经营人或者是光船租赁的租船人｡三富海运抗辩其并非船东,其向法院提供的“三富翠玉”轮的登记证书表明船东应是一家名为“EMERALD ESTRELLA S.A”的公司,鸿达轮船也予以认可｡对此,法院予以确认｡由于三富海运否认其为涉案船舶的所有人,鸿达轮船又没有提供证据证明三富海运与“三富翠玉”轮之间的关系｡按最高人民法院《关于民事诉讼证据的若干规定》第二条第二款的规定,没有证据或者证据不足以证明当事人的事实主张的,由负有举证责任的当事人承担不利后果｡故对鸿达轮船要求三富海运赔偿其损失的诉讼请求不予支持｡
[评析]
一､涉外船舶碰撞损害赔偿纠纷案件的法律适用
在涉外船舶碰撞案件中,根据英美法律,原告可以对船舶本身和船舶所有人同时提起“对物”(in rem)诉讼和“对人”(in personam)诉讼｡而大多数大陆法系国家不承认“对物”诉讼的概念和诉讼程序｡我国在海诉法出台后,谨慎的开始引进“对物”的概念,但尚没有引进到我国的民事诉讼程序中,海诉法也仅是对扣船行为赋予了“对物”采取诉讼行为的规定｡由于各国法律的不尽相同,因此,一个案件在不同国家提起诉讼和适用不同的法律,有时可能得到完全不同的诉讼结果｡因此,在船舶发生碰撞事故时,当事人选择或者法院适用何国法律是至关重要的｡
出于主权原则和对本国法律熟悉等原因,具有管辖权的法院在审理案件时,当然主要是适用本国的法律｡不过,由于航运业的国际特征,任何一国法院在审理案件时都必须优先适用参加的国际公约,或者参照适用国际公约和惯例,以维护航运法律的统一性和确定性｡我国海商法第二百六十八条规定:中华人民共和国缔结或者参加的国际条约同本法有不同规定的,适用国际条约的规定;但是,中华人民共和国声明保留的条款除外｡中华人民共和国法律和中华人民共和国缔结或者参加的国际条约没有规定的,可以适用国际惯例｡第二百七十三条规定:船舶碰撞的损害赔偿,适用侵权行为地法律｡
本案为涉外船舶碰撞损害赔偿纠纷,关于准据法的适用,三富海运在应诉时没有提出异议,并依据我国的法律进行抗辩,且碰撞发生的地点在中华人民共和国上海港水域内,依法应适用中华人民共和国缔结或者参加的国际条约,或者也可以适用国际惯例;其次,我国作为侵权行为发生地,应当适用我国的相关法律｡上海海事法院在处理本案件时正确适用法律,即实体法的适用了我国在1980年1月7日正式加入的《1972年国际海上避碰规则》,以及内国法《中华人民共和国海商法》,作为解决本案纠纷的准据法｡
二､紧迫局面形成的分析和碰撞责任的认定
在确定船舶碰撞责任时,往往采用“过失责任制”｡也就是说,一船的行为被证实与碰撞的损害具有因果关系,则该行为往往也就被指控为“过失行为”,该船舶就必须因此而承担相应的法律责任｡在船舶碰撞司法实践中,往往遵循一个原则,即:哪一艘船舶的过失是导致紧迫局面形成的主要原因,则哪一艘船舶就承担碰撞的主要责任｡因而,紧迫局面形成与否以及如何形成,往往是确定碰撞责任的关键所在｡作为船长及值班驾驶员,应清醒地认识到:为避免碰撞所采取的任何行动,应以避免形成或消除紧迫局面为目的｡一旦发现两船业已构成碰撞危险,应立即采取适当而有效的避让行动,也只有这样,才能确保海上航行安全｡
本案中,根据双方各自提供的海事报告,“鸿达2号”轮发现“三富翠玉”轮时,两船相距约500米,“三富翠玉”轮发现“鸿达2号”轮时,两船相距约1 000米;两船的航速均为5节左右｡因“鸿达2号”轮是横越江面,从发现“三富翠玉”轮后到碰撞发生未采取任何措施,而“三富翠玉”轮则在发现“鸿达2号”轮后约5分钟采取了倒车､右满舵等措施,两船碰撞的发生应在“三富翠玉”轮发现对方后的6分半钟至10分钟之间｡“鸿达2号”轮作为横越航道的船只,未给正常航行的“三富翠玉”轮让路,违反了《上海水上交通管理规则》第三十七条第一款关于“横越航道的船舶应负责避让顺航道行驶的船舶,严禁抢越他船船艏”及第三十七条第二款关于“小型船舶如需横越航道,应距正在航行的大型船舶船艏不少于150米外越过”的规定,违反了《1972年国际海上避碰规则》第九条第四款关于“船舶不应穿越狭水道或航道,如果这种穿越会妨碍只能在这种水道或航道以内安全航行的船舶的通行”的规定｡“鸿达2号”轮疏忽瞭望,发现“三富翠玉”轮时,两船相距仅500米,无法及时作出判断和避让措施,违反了《1972年国际海上避碰规则》第五条关于“每一船舶应经常用视觉､听觉以及适合当时环境和情况的一切有效的手段保持正规的瞭望,以便对局面和碰撞危险作出充分的估计”的规定,鸿达轮船对两船的碰撞应负主要责任｡而“三富翠玉”轮则违反了《1972年国际海上避碰规则》第五条关于正常瞭望的规定,未及时观测注意到“鸿达2号”轮的动态,还违反了《1972年国际海上避碰规则》第八条第一款关于“为避免碰撞所采取的任何行动,如当时环境许可,应是积极地,并应及早地进行和注意运用良好的船艺”的规定,未及时地､有效地采取避让措施,导致未能避免碰撞的发生,应承担次要责任｡
三､碰撞责任主体的认定
在船舶侵权法律关系中,必须有对受害人真正而又直接地承担责任的责任主体;必须有加害行为的客观存在;必须有加害结果的发生;以及加害行为和加害结果之间存在因果关系｡以上是构成船舶侵权民事责任的构成要件,缺一不可｡在我国尚没有以法律的形式明确承认对物诉讼的法律环境下,原告不能以实施侵权行为的船舶作为被告,只能以船舶所有人､经营人或者光船租船人为被告｡
碰撞优化 篇3
伴随着汽车保有量的不断增加以及行驶速度的不断提高, 全世界每天都会发生大量的车祸, 这对人们的出行安全造成了很大的威胁。正因为如此, 汽车安全性能也越来越受到人们的重视[1]。随着NCAP在中国的实施并不断升级, 国内汽车厂商对于车辆安全也越加重视, 国内的汽车安全性能已经有了很大的提高, 在碰撞测试中得到五星级的车辆也越来越多[2,3]。虽然车辆整体安全性有了提高, 但是胸部、小腿的得分依然不太理想。
针对2013年中国汽车技术研究中心所公布抽检的车型进行分析, 在正面碰撞试验中, 相对于假人头部、颈部以及大腿, 假人的胸部和小腿成了失分的重点部位, 即便是五星级车辆也不能例外。据统计, 乘员腿部伤害70%来自正面碰撞, 腿部伤害不足以直接危机人体生命, 但腿部恢复往往需要漫长的时间, 有时可能导致永久的残疾, 给患者带来身体和生理上双重伤害。因此, 如何提高胸部以及小腿得分, 避免乘员腿部受到伤害成为了提高整车星级得分的关键。
本研究依据C-NCAP中小腿伤害评价指标, 对影响小腿伤害因素进行分析, 提出可减小小腿伤害方案, 并以滑车试验为基础, 建立该滑车试验模型, 采用有限元分析手段, 结合小腿运动响应, 对乘员舱进行优化分析, 使小腿得分达到目标值。
1 小腿伤害指标介绍
正面碰撞小腿部位得分评价指标有两个:胫骨指数TI和小腿压缩力FZ。其中:沿小腿轴向传递的压缩力FZ可以直接测量;小腿胫骨指数TI是对小腿压缩力FZ、弯矩MX、MY进行加权计算所得。本研究对假人左、右小腿的上部和下部分别计算小腿性能指标。计算公式如下:
式中:MX—绕小腿X轴的弯矩, N·m;MY—绕小腿Y轴的弯矩, N·m; (MC) R—临界弯矩, 按225 N·m计;FZ—小腿Z向的轴向压缩力, k N; (FC) Z—小腿Z向临界压缩力, 按35.9 k N计[4]。
假人小腿力和弯矩的传感器位于上、下两端, 如图1所示。左脚放在歇脚板上 (位置如图2所示) , 由于歇脚板处的入侵变形, 力的方向较为复杂, 相应产生的MX和MY导致了脚踝处的各方向的弯矩。右脚放置在油门踏板上 (位置如图3所示) , 而踏板系统固定在前围上, 脚跟下的地板在侵入时变形。
2 小腿伤害影响因素分析
影响小腿伤害的因素较多, 伤害值评价也是各项指标综合作用的结果。众所周知, 小腿伤害对车体加速度的变化较为敏感, 小腿伤害还与仪表板刚度、安全带作用力、座椅刚度 (包括假人与座椅摩擦) 、地毯刚度等因素有着密切的联系。小腿的摆放位置也将更直接影响小腿伤害情况, 脚跟与脚心哪个先受力将表现出完全不同的伤害值[5,6]。
在车辆发生事故的时候, 乘员舱特别是防火墙和地板的变形往往也是造成乘员腿部伤害的重要原因。一般的车辆开发的前期, 可以通过改变车身结构特别是主要吸能件的设计来达到改变车体加速度和减小乘员舱变形的目的[7]。但是, 在进行乘员约束系统匹配工作的时候, 往往都已经到了车辆开发的中后期, 这个时候车身数模基本冻结, 对大的结构件进行改动的概率很小。所以在不改变车身结构的情况下, 如何提高小腿伤害成了一个关键[8,9]。本研究所涉及车型已处于量产阶段, 车体结构以及座椅等重大部件不可做更改。为了在C-NCAP中有较高得分, 本研究通过优化脚部缓冲垫的结构与材料强度, 提高缓冲垫的缓冲作用来减小小腿伤害, 达到小腿可得满分目的。
3 滑车仿真分析及小腿优化
3.1 滑车试验介绍
滑车模拟碰撞试验的目的是验证白车身有限元模型的正确性, 滑车试验示意图如图4所示。试验时将车身底部用两条方型钢管沿车身地板的加强纵梁焊接后锁付在滑车上, 方型钢管前端与副车架焊接。确保车身引擎舱伸出滑车运载平台外。运载平台有轨道方向, 可确保平台沿水平直线运动。本研究在车身A、B柱及中央通道中部安装三向轴向加速度传感器, 在车身左侧面、右侧面及顶部架设4台高速摄像机。待试验准备完成后, 本研究将整车加速度曲线输入到滑车试验控制系统[10]。
3.2 原始方案
某车型初始滑车试验小腿伤害以及得分情况如表1所示。
从表1中看出, 左侧小腿压缩力较右侧小腿压缩力明显偏高, 左、右小腿上端胫骨指数较下端偏高, 且高于C-NCAP低性能值, 主要因左侧小腿下端胫骨力较大导致小腿失分较多。该车型小腿目标分值是满分, 最终实现小腿各项伤害指标在C-NCAP低性能值以下且留有一定试验误差余量。
为解决上述问题, 本研究采用仿真与试验相结合方法进行研究。经过对基础滑车试验进行有限元对标分析[11] (仿真模型整体部分对标结果如图5所示) , 确保滑车模型有较高对标精度基础上进行优化分析, 最终提供的优化方案经过滑车试验来验证。滑车模型对标结果显示:该模型整体对标结果吻合度相对较好, 模型具有一定可信度。
3.3 优化方案一
因该车型已处于量产阶段, 可提供改动件较少, 可以优化小腿得分的部件主要是地毯以及歇脚板泡沫。本研究在上述对标模型的基础经过仿真优化分析, 提出针对驾驶员左侧歇脚板结构进行优化, 降低歇脚板坡度, 歇脚板泡沫优化方案如图6所示。
本研究根据仿真优化提出设计方案进行试验验证, 在试验方案一中小腿伤害值如图7所示。
从试验对比曲线分析, 在试验方案一中左侧小腿胫骨力增大, 右侧小腿力减小, 试验方案一中MX较基础试验变化较大。试验方案一中小腿具体伤害指标及得分情况如表2所示, 从表2中信息可知, 修改歇脚板泡沫结构后, 左侧小腿胫骨力FZ反而增大, 左侧小腿胫骨指数也增大, 左侧小腿失分较多, 右侧小腿明显变好。在滑车试验中, 因车体加速度与假人质量一定, 在其他约束条件不变的情况下, 假人左、右腿之间存在相互制恒关系。
经过对试验结果与仿真结果的反复研究, 因歇脚板泡沫刚度较大, 导致歇脚板在试验以及仿真分析中变形较小。本研究建议降低歇脚板泡沫刚度, 将有助于泡沫垫有更好的缓冲作用。
3.4 优化方案二
本研究在优化方案一基础上, 减小泡沫垫刚度, 将该方案进行滑车试验验证, 试验结果对比如图8所示。
从试验结果分析, 优化歇脚板泡沫刚度后, 左侧小脚Z向胫骨力明显减小, 右侧小腿胫骨力较试验方案一有所增加, 但最大值均在C-NCAP低性能值以下。右侧小腿上端传感器的MX和MY较试验方案一有所增加, 导致右侧小腿上端胫骨指数增大, 高于C-NCAP低性能值。从整体得分情况对比, 降低歇脚板泡沫刚度能有效减小小腿伤害。得分对比如表3所示。
3.5 优化方案三
本研究在优化方案二基础上, 减小假人膝部关节铰链摩擦系数, 该方案主要是为了研究假人伤害的影响因素, 在整车试验中假人由第三方标定, 试验方不得对假人参数进行修改。将该方案进行滑车试验验证, 试验结果对比如表4所示。
本研究从试验结果分析, 降低假人膝部关节铰链摩擦系数, 假人胫骨力变化量相对较小, 胫骨指数略有变化, 但小腿所有伤害指标均在C-NCAP低性能值以下, 满足滑车优化目标。
3.6 整车试验验证
通过滑车试验验证, 方案二对优化小腿伤害有明显提高改善, 将该方案在整车试验中进行了最终验证, 进一步验证了方案的可行性, 对比情况如表5所示。
本研究经过整车试验验证, 驾驶员侧小腿伤害值均低于C-NCAP低性能值, 满足初始设定目标, 进一步验证了通过CAE仿真所提供优化方案的可信度。
4 结束语
本研究通过对假人头部、颈部、胸部、大腿、小腿伤害的CAE仿真曲线与试验曲线对比, 两者吻合度较高, 误差不超过10%, 表明本研究搭建的滑车模型是真实有效的。笔者利用CAE仿真方法成功地对某车型小腿伤害进行优化设计, 并通过实车验证, 表明CAE模拟仿真是研究汽车安全碰撞性问题非常有效的方法。
本研究通过仿真与试验相结合的研究方法, 仿真提供优化方向, 最终在试验中进行验证, 避免纯理论分析的无依据性, 同时减少实车试验次数, 降低项目开发成本, 缩短项目开发周期。该研究方法可在后续项目开发中继续推广。
参考文献
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碰撞优化 篇4
本文按法规要求, 对车辆正面碰撞结果进行模拟分析, 研究碰撞过程中车辆各部件吸能特性。并对比计算机模及实车碰撞的加速度曲线, 从而对数据进行分析, 提出针对车身薄弱环节的改进方案, 并证明了改进方案的可行性。
1 建立汽车仿真模型
由于汽车车构成零件众多。在建立模型时不必对所有零件面面俱到, 对于对最终结果有较大影响的零件要建立精细的模型;而对于最终结果有较小影响的零件则可以利用主要数据其主建立模型;该忽略的部分则完全可以忽略。先建立车身主要零部件的CAD模型, 根据CAD零部件模型进行网格划分设置单元和材料, 形成零部件有限元模型, 再将所有零部件有限元模型装配, 最终形成整车有限元模型。汽车碰撞模拟建立模型的主要过程为:运用CATIA建立实体模型—运用Hypermesh软件生成网格—并对模型的约束、载荷、约束及边界条件进行定义。
1.1 建立CATIA装配模型
该车有限元模型要对曲面进行预处理, 利用CATIA软件对曲面连续性进行检验, 发现软件显示的绿色部分进行修改、通过CATIA的曲面缝合剪切功能处理曲面、清除较大间隙曲面、缝合成整片各连续曲面, 合理补面分面, 使下一步进行网格划分时能保证曲面连续性, 不会产生重合现象, 以能生成实体为标准;运用CATIA对曲面质量进行检查, 泛绿的部分都要进行修面处理, 提高网格划分质量。需要进行建模, 应用三坐标测量仪对扫描车身数据, 并运用CATIA软件的逆向建模功能对模型进行建模与优化, 而后运用CATIA的装配功能形成各总成件, 并在空间中摆放到位, 形成配成整车装配数据, 并输出文件。
1.2 运用ypermesh软件对网格进行划分
网格质量好坏决定着仿真结果的精确性。质量较差的单元不仅会降低计算步长, 大大浪费计算时间。首先把清理合格的几何模型文件输入到Hypermesh软件下, 先网格粗划分, 对局部网格较差的再进行细化分。建立汽车的仿真模型并进行网格划分。最小单元要大部分是四边形, 小部分是三角形, 且三角形数量不要过10%。单元质量的好坏, 对结果精度及计算过程都有影响, 因此有必要对模型质量进行检查, 以满足PAM-CRASH软件运行的相关要求[2]。
1.3 运用PAM-CRASH软件对仿真模型的各个相关条件进行定义
运用Pam-Cras软件中导入仿真模型, 按约束条件, 建立模型。材料选用Pam-Crash材料库中的103号弹塑性材料, 厚度根据实际测量的零部件厚度添加。
2 对比实车实验数据进型模型的可靠性验证
如何对正面碰撞模拟结果可靠性进行评价已经有确切的方法。通常对比B柱减速度时间历程曲线, 当仿真与试验结果间的误差不超20%, 我们就认为仿真模型真实可靠, 可运用此仿真模型进行碰撞模拟分析, 并在这个条件下相信仿真数据, 进而能够提出车辆改进意见。通过图1可以看出, 仿真变形情况和实车试验变形情况基本一致。
通过模拟与实车试验B柱减速度时间历程曲线对比, 我们观察到50ms以前仿真曲线与实车试验的加速度曲线相差不大, 在50ms之后, 仿真曲线与实车试验曲线相差较大, 但有相似的总体走向。因此我们得出结论, 仿真结果与实车碰撞结果有非常大的相似性, 可以认为仿真结果是可靠的并值得信任。
3 基于汽车正面碰撞耐撞结果提出车身改进意见
当汽车发生碰撞时, 车身结构尤其是乘员舱不发生大的变形至关重要。我们既需要相关件如保险杠、乘员舱等有良好的吸能特性, 以减少汽车的加速度, 缓和对成员的冲击, 又要求乘员舱不发生大的变形, 以保证乘员的生存空间。这本身其实是一对矛盾, 需要设计人员能够从大局总体平衡两者的关系, 能够通过实验验证自己的想法。
3.1 对保险杠仿真结果的改进意见
保险杠进行设计时, 既要保证足够的强度又要有较好的韧性。我们对汽车保险杠正面碰撞的耐撞研究是通过其对变形吸能曲线、加速度曲线、脉宽变形吸能曲线和分析来评价的。对车辆前部保险杠的吸能特性进行研究, 通过减速度曲线峰值, 脉宽对比来评价保险杠的耐撞性, 保险杠具体配置如表1所示。
对比3种模型的B柱加速度曲线, 我们发现模型3的加速度曲线对乘员最好, 第一阶加速度曲线最大值与其他相比有所提高, 第二阶与其他相比则有所降低, 因此, 我们建议采用第三种模型的保险杠蒙皮及材料支架的数据, 来改善汽车的正面碰撞安全性。
3.2 对前纵梁仿真结果的改进意见
在原方案的基础上在前纵梁的内部增加加强板, 通过采用截面加厚提升横向刚度, 解决纵梁横向失稳问题。对比三次模拟试验的曲线, 通过增加加强版增加前纵梁的厚度, 或者减弱纵梁的刚度均能改善正面碰撞安全性, 达到较好效果。
3.3 对乘员舱仿真结果的改进意见
受到驾驶员视野限制, A柱断面尺寸不能加大, 因此我们主要增加A柱厚度以及在内部加吸能材料来加强A柱结构。提高乘员舱的刚度, 同时也可提高防火墙的刚度, 改变防火墙的厚度及采用新式材料。在修改模型2基础做出调整, 如表2所示, 左右B柱加速度曲线如图2所示。
上图为基础模型、修改模型1与修改模型2左右B柱加速度曲线对比, 修改模型2在修改模型1的基础上对汽车防火墙及脚踏板处的厚度, 材料进行加强, 造成零件变形减少, 加速度最大值增加。在不增加乘员伤害的前提下, 应尽可能的提高乘员舱的刚度, 保持成员舱完整性, 最大程度保护乘员的安全。
4 结论
论文对某汽车车正面碰撞进行仿真研究, 建立整车CATIA装配模型并运用Hypermesh软件进行网格划分, 代入参数进行有限元模拟。并对比实车碰撞B柱加速度曲线, 认为模型真实可靠。通过分析得出结论, 通过提高保险杠的吸能效果、在前纵梁内加加强板或改进乘员舱刚度均可改进正面碰撞效果, 达到改善正面碰撞安全性的目的。
参考文献
[1]Paul Du Bois, Clifford C Chou, Bahig B Khalil.VEHICLE CRASHWORTHINESS AND OCCUPANT PROTECTION.Michigan:Automotive Applications Committee American Iron and Steel Institute Southfield, 2004
碰撞优化 篇5
1 乘员侧仿真模型的建立
根据某MPV正面碰撞试验,运用MADYMO软件建立了乘员侧的碰撞仿真模型。主要包括地板、前围板、仪表板、乘员侧座椅、假人等多刚体模型,安全气囊和风挡玻璃有限元模型、多刚体和有限元相结合的安全带模型[[5][4]。根据该车型实际情况,定义了限力器的限力值、安全气囊点火时间,假人与座椅、假人与仪表板、假人与安全带等的接触[1]。赋予整个假人重力加速度场与正面碰撞试验测得的左侧B柱下端x向加速度场。建立的乘员侧仿真模型如图1所示。
2 乘员侧仿真模型有效性的验证
建立高精度、与物理试验吻合度高的约束系统仿真模型,可以大量减少物理试验验证,缩短约束系统开发周期,为汽车企业节约开发成本,故需要对正面碰撞乘员侧仿真模型进行有效性验证。基于假人损伤数据,乘员侧仿真模型在保证曲线“起始时刻、峰值、峰值时刻、波形形状”基本吻合的前提下,按照安全带腰带力、肩带力、骨盆加速度、大腿力、胸部加速度和压缩量、头部加速度以及乘员运动姿态的顺序进行验证[6]。
2.1 安全带力对比
首先在保证限力器限力等级输入正确的前提下,需要细微调整腰带下固定点、锁扣处的刚度特性以保证腰带力与试验相符。对于肩带力,D环的动摩擦系数是随着安全带在D环处的动压力与安全带拉出速度变化而变化的,故应当设定为函数曲线。安全带肩带力、腰带力的仿真结果如图2所示。
2.2 骨盆加速度对比
保证骨盆加速度的高吻合度就能够保证假人胸部和头部的响应。骨盆的响应[6]主要受腰带的刚度、座椅的刚度、护膝板的刚度以及假人与座椅的摩擦系数影响。主要通过调整假人与座椅、假人与护膝板的接触特性以及座椅的旋转铰刚度等,来实现仿真结果(图3)与试验结果相吻合。
2.3 大腿力对比
保证了骨盆x向加速度的吻合度就能够保证假人膝盖与护膝板的接触距离与试验基本吻合。大腿的响应主要受地板的刚度、护膝板的刚度、座椅泡沫刚度的影响。主要通过调整假人脚与地板、膝盖与护膝板的接触特性,来实现仿真结果(图4)与试验结果相吻合。
2.4 胸部及头部响应对比
胸部加速度主要受肩带力、座椅坐垫刚度、安全气囊的影响;胸部压缩量主要受安全带限力等级和安全气囊的影响。头部加速度主要受安全气囊的影响。在保证肩带力和骨盆加速度与试验吻合的前提下,主要通过调节安全气囊的气袋刚度来优化仿真模型。胸部及头部的仿真与试验的响应对比分别见图5、图6。
从以上假人各关键部位的损伤曲线对比可知,安全带肩带力与试验结果吻合度很好,腰带力在峰值时刻、卸载阶段与试验结果存在一定的差异,这是因为仿真中假人与座椅的接触穿透量稍大,导致在卸载时假人骨盆运动相对于试验结果延迟。骨盆x向加速度和大腿力与试验结果吻合度良好,骨盆z向加速度相对于试验结果提前,这是因为影响骨盆x向加速度的核心因素是腰带力和大腿力,将座椅简化为刚体,通过旋转铰链、座椅泡沫和防下潜装置的刚度特性来模拟碰撞中座椅的响应,这与试验中座椅的响应存在较大的差别。但是,骨盆合成加速度与试验结果吻合度良好,对碰撞过程中假人整体运动姿态的影响较小(图7)。胸部加速度和头部加速度与试验结果吻合度较好,峰值相对于试验结果偏大,这是因为安全气囊采用的是均压法模拟。胸部变形量相对于试验结果提前,这是因为试验中没有记录卷收器的出口力,没有对卷收器出口力对比,仿真中的卷收器出口力与试验中存在一定的差异。整体模型吻合度较好,可以作为优化的基础模型。
3 乘员侧假人胸部损伤优化
根据2015版中国新车评价规程(C-NCAP)管理规定:在100%正面碰撞试验中,乘员侧假人的胸部最高得分为5分,最低得分为0分,通过测量假人的胸部压缩变形量和黏性指数(VC)来评价[7]。每个指标都有对应的高低性能限值且最高得分均为5分,具体见表1。
由本次试验可知,该车型乘员侧假人胸部压缩量达到了34.60 mm,会造成胸部简明损伤等级三级损伤[8],因此,需要对胸部的伤害进行优化。根据文献[9]对乘员约束系统能量管理技术的研究:碰撞前期约束系统的约束刚度应当大于碰撞后期约束系统的约束刚度。即,增大碰撞前期约束刚度,减小约束松弛与减小碰撞后期约束刚度,增大后期约束松弛均可以降低乘员的减速度峰值。具体从安全带、安全气囊两方面优化。
3.1 安全带限力等级的影响
安全带限力器的限力等级直接影响着胸部的响应,不适合的限力等级会加重乘员胸部的伤害。假设安全带限力器的限力等级为F限,乘员上体的质量为m,则安全带限力器在水平方向所产生的胸部加速度G0为[10]:
式(1)表明,安全带限力等级与胸部加速度成正比。限力等级越高会造成胸部压缩量越大[11,12]。
3.2 预紧器的影响
预紧式安全带能够在汽车碰撞发生的瞬间收紧安全带,消除安全带与乘员之间的间隙[11,12]。从而增大碰撞前期约束系统的约束刚度(如图8所示)和乘员生存空间,降低乘员二次碰撞的风险。
3.3 安全气囊刚度的影响
安全气囊的动态刚度特性直接影响着胸部响应的峰值,其主要与气体发生器充气性能、气袋的几何外形、泄气孔的大小等因素有关。对于安全气囊后期优化,一般以泄气孔大小作为优化变量。假设泄气孔面积为S,安全气囊的动态刚度为P,受泄气孔尺寸控制的安全气囊比刚度为K,a为常数,则[10]:
式(2)和式(3)表明:泄气孔的面积与气囊的动态刚度成反比,从而可以通过调节泄气孔的大小来优化安全气囊的动态刚度。
通过上述安全带和安全气囊对乘员损伤影响的理论性分析,综合考虑该车型试验中假人胸部损伤数据和副驾驶侧乘员空间情况,提出使用带预紧器的限力式安全带,限力等级为4 k N,安全气囊的泄气孔直径改为30 mm的优化方案。通过重新调整的约束系统方案,再次进行了试验对优化方案进行验证,优化效果如图9所示。
从图9可以明显地看出,验证试验和仿真结果充分说明了该约束系统优化方案是有效地降低了乘员的胸部压缩量,根据2015版中国新车评价规程(C-NCAP)评分规定[7],从整车碰撞试验验证结果可知乘员侧胸部提高了0.6分。
4 结论及建议
根据某MPV正面碰撞试验数据,建立了该车型乘员侧的MADYMO仿真模型,并将仿真的假人损伤数据与试验的假人损伤数据对比,得到了高精度的仿真模型。针对该车型乘员侧假人胸部压缩变形量过大,基于约束系统能量管理技术提出了胸部优化方案,基于乘员侧高精度的MADYMO仿真模型和整车碰撞试验,进行了优化方案的效果验证,结果表明,该方案能大大提高乘员侧在正面碰撞中的安全性。
鉴于该车型在碰撞试验中乘员侧膝盖滑移量超出2015版中国新车评价规程(C-NCAP)规定的高性能值,若要确保乘员侧腿部得满分,应该对内饰件进行进一步优化设计。
摘要：为了提高某多用途车(multi-purpose vehiclen,MPV)的正面碰撞安全性能,基于该车型正面碰撞试验工况,建立了乘员侧的MADYMO仿真模型。根据正面碰撞试验获得的假人损伤数据,进行了该模型有效性的验证;并依据2015版中国新车评价规程(C-NCAP)管理规定和约束系统能量管理技术,从安全带限力等级、预紧器、安全气囊气袋刚度三个方面对乘员胸部进行了优化;同时进行了试验验证。结果表明,这三个方面可以有效地降低假人的伤害,提高了该车型乘员侧在正面碰撞工况下的得分。
关键词：正面碰撞,乘员侧,胸部优化
参考文献
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碰撞优化 篇6
随着轿车的大规模生产和使用,也由于车速的不断提高,汽车交通事故的发生率已经大大的增加了。在汽车交通安全事故中,出现几率最高的是汽车碰撞,其中正面碰撞最普遍。据资料显示,汽车发生正面碰撞的概率在4O%左右。因此,研究正面碰撞特性,对降低乘员的伤害非常重要[1]。而汽车结构中的保险杠是正面碰撞时主要的承载和吸能构件,提高保险杠的吸能能力,可以降低整车碰撞中的加速度,对乘员起保护作用[2]。因此,对保险杠吸能特性的研究有着重要的意义。
有限元仿真分析的显著特点是速度快、效率高,能够节约大量的汽车开发成本。目前,国外采用有限元方法对汽车碰撞安全性进行了大量的研究,并取得了显著的成效[3]。而国内在这方面的研究还不够成熟,因此,我们更有必要对保险杠正面碰撞性能的有限元模拟仿真进行研究。
2 碰撞仿真的有限元理论与方法
碰撞是一个瞬态的复杂物理过程,它包含以大位移、大转动和大应变为特征的几何非线性,这使得汽车碰撞过程的精确描述和求解十分困难[4]。目前对碰撞过程的仿真,一般都采用显式仿真算法。采用中心差分法,将质量矩阵对角化,从而避免求解联立方程组。采用分步积分法,将碰撞过程的时间域[0,T]分成许多子域,[ti-1,ti],i=1,2,3...,N,其中t0=0,ti>ti-1,tN=T,于是得到子域时刻t0,t1,t2…,tN。为求tn+1时刻的解,假设tn时刻的解是已知的,只要在这个假设条件下能够求出tn+1时刻的解,任意时刻的解都能求出了,因为t0时刻的解是已知的,可用来求出t1时刻的解,依此类推,tN时刻的解便可求出。在接触体系中t0,t1,t2…,tn时刻的状体都是已知的,其中任何一个状态都可以作为参考状态去求下一状态的解。
将tn+1记作t,将tn记作τ,由拉格朗日列式法可得τ时刻的虚功原理式:
其中:δU为虚位移;τF为内力矢量;τFe为外力矢量;τFc为接触力矢量;τFa为惯性力矢量,它们的计算式分别为:
其中,B为应变位移矩阵;Q为位移插值矩阵;τσ为应力张量;dΩ为微体积单元;τb为体积力分量;τa为加速度分量;τq为单位面积上的力;0ρ为时刻0时的密度。
在有限元法中,加速度场也可以通过插值方法获得。即有
将(6)代入式(5)中,可得
式中为质量矩阵,并按下式计算:
由于δU代表任意的虚位移场,式(1)的成立条件为:
将式(7)代入式(9)并整理得:
本次碰撞的模拟仿真计算以以上所介绍的显示有限元理论与方法作为指导基础。
3 保险杠碰撞仿真的基本过程
本次模拟仿真的有限元计算软件选用LS-DYNA,它是功能齐全的几何非线性求解程序,以显式求解、结构分析、非线性动力分析为主,但其前处理功能相对较差[5],故本次实验使用了CATIA、Hypermesh和LS-DYNA联合建模求解技术(其整个实验的技术流程参见图1)。使用CATIA建立保险杠的几何模型,然后将该模型导入
Hypermesh中进行网格划分,建立有限元模型,并生成关键字文件递交予LS-DYNA软件进行数值计算,计算结束后用LS-DYNA自带的LS-PREPOST后处理程序进行仿真计算的后处理。
4 碰撞模型的建立
4.1 几何模型的建立
本文的碰撞模型是以某小轿车保险杠为原型,用CATIA三维绘图软件完成的。由于汽车保险杠的造型结构较为复杂,故对保险杠结构形状进行简化,只保留了对碰撞影响较大的零部件,如:钢支架、平板、支座,另外,对很多的过渡台阶、加强筋及倒角等结构特征,它们对吸能特性影响很小,对其进行简化和删除,以提高效率和改善模型的单元质量。几何模型如图2所示。
4.2 有限元模型的建立
将几何模型通过Hypermesh自带的CATIA写入端口导入其中,运用Hypermesh将小保险杠的几何模型转化为需要的有限元模型,其中刚性墙模型直接在Hypermesh中完成。由于保险杠主要是由薄壁金属件构成,其所对应的单元类型为壳单元类型,且壳单元能大大降低计算所需要的时间,并节省内存空间,故本文选用BT壳单元作为主要的模拟单元。整个保险杠与刚性墙模型采用10×10mm的单元进行划分,共有1 6538个单元与1 6742个节点。部件之间的连接主要是通过点焊连接方式,即是在两节点之间加一根刚性杆来模拟。通常在碰撞情况下,焊点不会发生开裂,故本文没有考虑点焊的失效。材料选用弹性材料24#钢,其物理特性为:密度为7 850kg/m3,弹性模量为2.07GPa,屈服强度为210MPa,泊松比为0.33。保险杠与刚性墙的有限元模型如图3所示。本文按照乘用车保险杠系统低速碰撞实验规程—SAEJ2319的要求,碰撞仿真计算采用的是碰撞速度为8km/h。接触类型采用的是*CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SUFACE类型。有限元模型建立好后,生成key(关键字)文件,然后导入LS-DYNA进行计算。
5 碰撞的模拟仿真计算和碰撞性能的优化
5.1 碰撞的模拟仿真计算与结果分析
计算结束后,在LS_DYNA自带的LS_PREPOST中,对整个碰撞仿真进行后处理。图4~7显示了四个时刻的应力应变云图,从中可以观察到保险杠在四个时刻的变形情况和所受应力情况。保险杠在t=0.44s时刻时,开始与刚性墙发生接触(如图5所示);在t=0.52s时刻时,碰撞的应力应变达到最大(如图七所示),其中应力主要分布在钢支架与支座的连接出。
得到的加速度曲线如图8所示,由加速度曲线可以看出,在碰撞过程中加速度变化较快,变化幅度较大。在t=0.68s时刻时,加速度达到最大1.53mm/s2,由图可知碰撞过程中,保险杠受到了较大的冲击力和冲击加速度,保险杠系列组件的吸能效果并不理想,有必要对模型进行一定的修改与优化。
5.2 碰撞性能的优化与改善
汽车结构中的薄壁直梁件可以有各种不同形状的横截面,对于汽车碰撞安全性的设计来说,横截面是需要考虑的一个重要因素,因为不同的横截面将可能导致直梁件的碰撞吸能水平不同。因此,先对保险杠的钢支架横截面形状进行修改。在原来的钢支架内添加一厚度为1mm的加强板。改进前后的横截面形状如图9所示。
由上面加速度的曲线图可以看出,保险杠的刚性太强,吸能能力欠缺。因此,对原有的保险杠的组成构件的厚度也进行一些调整,修改的情况见表1。
将修改后的模型按照前面介绍的方法,对碰撞过程重新进行仿真计算。重新得到了保险杠的碰撞加速度曲线图,它与修改前的曲线图有较大的变化,其对比图形参见图10(其中实线为修改前的加速度曲线,虚线为修改后的加速度曲线)。由图可以看出,修改后的加速度曲线较前面的加速度曲线平缓。说明碰撞过程中保险杠所受冲击力有所减少,保险杠的吸能能力得到了较大的改善,结构和尺寸的更改取得了成功。
6 结论
通过建立汽车保险杠的有限元模型,运用非线性有限元仿真分析的方法,对保险杠的受撞变形和吸能特性进行分析,并对保险杠结构进行优化,得到了基本满足要求的保险杠模型。该方法对实际的汽车保险杠设计具有很好的指导作用,对整车的碰撞模拟仿真具有重要参考价值。该方法在一定程度上可以取代或减少实车碰撞试验,从而减少了汽车开发的周期与成本,对车辆企业有着重要的意义。
摘要：本文以有限元法的系统动力学理论为基础,基于LS-DYNA有限元分析软件,对汽车保险杠与刚性墙的正面碰撞进行了模拟仿真计算,并对计算结果进行分析。以计算结果为依据,对保险杠的结构进行改进,优化其吸能能力。本次研究为保险杠的防撞设计开发提供了理论依据,对深入研究整车正面碰撞的模拟仿真具有重要的参考价值。
关键词：保险杠,碰撞,有限元
参考文献
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碰撞优化 篇7
碰撞检测问题在计算机图形学、虚拟现实、计算机游戏及动画等领域中一直是经典而关键的问题。而精确快速的碰撞检测是虚拟现实的关键技术, 它对提高虚拟环境的真实性, 增强虚拟环境的沉浸感有十分重要的作用。碰撞检测的研究目标是如何在很高的实时交互要求下完成大量复杂物体的相交检测, 即达到完全性、唯一性与实时性的要求[1]。由于解决碰撞检测的唯一性和完全性问题与实时性之间存在着矛盾, 因此解决多物体虚拟环境下的碰撞检测的完全性、唯一性和实时性问题是一个难点问题。
目前对刚体之间的碰撞检测算法的研究已趋向成熟, 但对可变形物体以及基于图形硬件加速的碰撞检测的算法研究较少, 尤其是对准确性和对实时性的考虑[2]。目前较有成就的碰撞检测算法有对象空间法与图像空间法两大类, 对象空间法能实现碰撞检测的完全性与精确度, 但却以降低实时性能为代价;而图像空间法虽能明显提高实时性能, 却达不到完全性与高精确度的要求。本文提出的算法是图像空间与对象空间法相结合的混合算法, 利用图像空间算法的实时性及对象空间算法精确性相结合的优点, 在提高碰撞检测完全性情况下, 又保证了实时性能。特别是A缓冲单元的引入, 可灵活地根据不同场景调整A缓冲单元的大小控制精度, 从而在完全性与实时性之间取得平衡。本算法利用DirectX 10.1实现关键技术, 并可适应刚体与软体模型以及被硬件加速。
1 碰撞检测算法介绍
碰撞检测算法可分为对象空间法和图像空间法[1]。对象空间法的基本思想是用体积稍大且特性简单的几何体 (包围盒) 来代替几何对象, 通过构造树状层次结构逐渐逼近对象的特性。图像空间法将整个虚拟空间划分成相等体积的小单元格, 只对占据了同一单元格或相临单元格的几何对象进行相交测试。然而, 各类碰撞检测算法的应用都有一定的局限性, 以下将分别对对象空间法与图像空间法各自的优缺点进行探讨。
1.1 对象空间法
在对象空间法中, 包围球一般适用于在三个坐标轴上分布比较均匀或经常发生旋转运动的几何体, 但当对象发生变形时, 很难从子结点的包围球合成父结点的包围球, 只能重新进行计算[1]。在固定方向包围盒FDH (Fixed Directions Hulls) 中, 当物体变形后, 要通过重新计算变形叶节点的包围盒, 然后严格按自底向上的顺序, 由子结点的 FDH 合成父结点的FDH, 而重新计算包围盒的计算量较大。OBB (Oriented Bounding Box) 的重叠测试和节点修改耗费相对较高。由Kim提出的AABB算法[5]是一种有研究价值的算法, AABB算法运行速度极快且效果精确, 但它并不适合用于刚体的检测。当AABB算法中的三角形由于刚体而产生分裂时, AABB树必须被重构, 这种重构影响了实时性能。目前大部分的研究都是针对对象空间法进行改进, 而对象空间法需要烦琐的预处理计算包围盒与层级, 因此能够提高碰撞的精确度即完全性却降低了实时性能。
1.2 图像空间法
图像空间法算法简单, 由于几乎不用进行预处理, 因而其运行速度较快。而且图像空间法能够有效地处理可变形物体和动态环境, 并可简单被GPU加速使得速度极快。近年来较有成就的图像空间算法有Heidelberger等人提出的计算图像深度层次 (LDI) 的方法[6], 在LDI的算法中, 碰撞检测的精度是由LDI的精度决定的, 低采样率导致复杂物体碰撞检测的不精确。为了减少回读问题, Govindaraju提出了一种称为CULLIDE的算法[7], CULLIDE算法测试对象O相对于对象集S的可见度, 通过硬件加速计算PCS, 先检查对象O是否被对象S包围, 如果没有被包围, O与S没有发生碰撞, CULLIDE算法通常一个对象分割成若干个子对象, 子对象层次执行遍历查询, 子对象的数量决定渲染调用的次数。因此, 图像空间算法受图像空间所限制, 通常丢失率较高, 不能提供准确的碰撞信息, 因此对于一些要求精确碰撞检测的系统, 单纯利用图像空间法进行检测, 则无法达到完全性的要求。
2 算法总体概述
利用图像空间的CULLIDE算法与对象空间的AABB算法相结合的方法, 本文提出的算法利用GPU计算碰撞集PCSs, 该算法使GPU分担CPU大部分的计算量, PCS以三角面片的单位传递给CPU。该算法可避免重叠测试, 且能够灵活处理软体和刚体模型, 利用CPU与GPU作为碰撞检测, CPU与GPU之间的协调如图1所示, 场景中的每个对象与一个AABB算法相关联, GPU计算PCS, PCS是一对三角形, CPU执行三角交叉测试从而获得交叉点。CPU与GPU的协作是为了充分发挥性能并达到最高的精度。GPU能够快速地排除不相交的三角形, 由CPU提供的碰撞信息达到三角形层次的精度, 使碰撞响应模块执行真正的模拟仿真。
3 混合型A缓冲算法的实现
本算法的关键在于表面缓冲与PCS的产生两部分工作。我们的策略就是最大限度地应用GPU的计算能力, 并且传递最小长度的PCS给CPU以便于减轻CPU的计算负担。
3.1 表面缓冲
如图2所示, 在缓冲区域, 一些算法提出了节约多层级图像策略, 这种算法采用所谓的K缓冲, 其在单程传递中, 利用固定路线的方法能获取多个层次。K缓冲的每个相素存放片断的一个序列, Myers提出了K缓冲的扩展[8], 称为A缓冲, 通常, A缓冲在缓冲阶段获得大约8个片断, 由DirectX 10.1支持, 因而实现容易且运行速度极快。
在图2中相交区域ROI, 其表面转换为A缓冲, 正交射影用于过程转换, 而ROI 用于观察体积。对象O1被处理构成A缓冲中明显的片断, 对象O2被处理使其模糊的片断被累加到A缓冲, 在一个单程的缓冲过程创建了一个这样的多层极图像。从理论上分析, 由于在一次传递过程A缓冲获得大约8个片断, 其渲染过程比其它的基于GPU的图像空间的算法快8倍的速度。如果我们提高A缓冲的尺寸, 我们能够获得更高的精度, 因为其ROI的表面的采样点更密集。
3.2 PCS 的产生
为了计算PCS, 在A缓冲中先对每个像素进行一次基本的相交检测, 一个来自对象O1, 称为f1, 另一个来自对象O2称为f2, 如果f1与f2之间的距离超出最小极限, 三角ID将从片断中重新检测, 然后传递给CPU作为一个PCS, 片断对 (fc1, fc2) 构成了PCS。PCS最初记录在一个渲染目标结构中, PCS必须读回到主存中以便CPU能够计算相交点C1和C2, 回读操作对于普通的图形硬件是十分耗损的, 如不采取任何措施的话, 回读将明显地降低系统的性能。
利用DirectX 10.1可以轻而易举地解决此问题。利用DirectX 10.1 中的shader model 4.1可以产生两个通道的PCS, 利用vertex shader and geometry shader在一个单一的通道执行。同步的A缓冲在缓冲通道获得大约8个片断, 超过8个片断的A缓冲称为溢出, 这种溢出可以通过创建多通道A缓冲得以解决。实验结果表明, 每个像素8个片断几乎对于所有的情形是足够的, 即只需要一个单一的A缓冲就足够。
3.3 主要算法
本算法的主要思想是利用AABB构建包围盒, 利用CULLIDE算法对三角形对进行相交检测。先检测一对三角形之间是否有兼容的特征对, 若无特征对, 则无须进行重叠相交测试。算法的伪代码如下所示:
3.4 优化策略
对于复杂物体间的碰撞检测, 如超过两个对象以上的多对象碰撞, 可利用A缓冲分割进行算法的优化处理。多对象碰撞检测能够被分割为两个物体之间的碰撞检测的多种情形。这种多对象的碰撞检测能够通过分割A缓冲且在被同时处理。如图3所示, 每个相交区域被等比例转化为适合于A缓冲中的一个单元。为了防止ROI影响其它的单元, 对每个单元采取了独立的测试。A缓冲有效地提高整个系统的性能, 因为A缓冲减少大量的初始化调用。
4 实验结果与分析
4.1 实验环境
CPU为:Intel双核, 2.4Gz, 内存为2G, GPU为:NVIDIA GeForce 8800GTS, 500MHz内核, 640M显存, PCI-Express 1.1×16接口。本文提出的算法利用DirectX 10.1的shader model 4.1实现, 利用DirectX 10.1的强大功能, 例如, 用于A缓冲的MSAA, 以及用于产生PCS的SV原始语义。
4.2 实验分析
图4～图7中显示了一个场景中多种冲突的情形, 图4显示了一个场景中刚体与刚体发生碰撞的情形, 图5显示了一个场景中软体与软体发生碰撞的情形, 图6显示了一个场景中刚体与软体发生碰撞的情形, 图7显示了一个场景中软体发生自我碰撞的情形。表1显示了图4～图7各模型测试的速度性能数据, 从表1中可以看出, 该算法对于刚体与软体碰撞检测速度有明显提高, 其中对刚体碰撞检测速度的提高尤为明显, 各种模型平均提高速度约为7.125倍。由于实现允许一定的误差, 这与上述理论分析的提高8倍数度是一致的。将A缓冲算法的性能与CULLIDE算法的性能进行了对比, 在CULLIDE算法中, 一个对象被分离为若干个子对象, 每个子对象包含15个三角面片, 假设一个PCS有n个三元组, 就必须执行n2次三角相交测试, 表1中也侧面显示了A缓冲 与 CULLIDE算法之间的三角相交测试性能的差距, 对于GPU的PCS计算, A缓冲比CULLIDE算法显示出更好的性能, 因为从原理上, 在A缓冲中一个对象需要一个缓冲的调用而在CULLIDE算法中, 由于子对象的出现需要多重调用。
假设碰撞的实际三元对数量为q, 而p是碰撞检测算法计算的三元对数量, 将p/q定义为碰撞比率, 而1-p/q为碰撞检测的丢失率, 图8中显示了所有场景中的碰撞比率曲线, 平均检测精度在70%-95%之间。实验过程中, 我们发现, 如果利用一个24×24字长的A缓冲, 丢失率约为14%, 当A缓冲的尺寸增加时, 其丢失率快速地减少, 例如利用一个128×128尺寸的A缓冲, 其丢失率低于6%, 但当A缓冲的尺寸增加时, 碰撞检测的时间也相应增加, 因为A缓冲的缓冲时间以及PCS的数量也都相应增加。因此, 碰撞检测的精度可以由用户视觉感知的程度而决定, 假设在一个场景中有两个ROI, 一个接近于视觉, 另一个在远处, 那么将较小的A缓冲分配给远方的ROI, 而将较大的A缓冲分配给较近端的ROI是一个好策略, 尽管较远端的ROI可能精度较低, 但用户可能不会觉察到。因此, 利用CULLIDE与AABB算法相结合以及A缓冲方法, 既能提高碰撞检测的速度又能提高检测的精度。
5 结 论
本文介绍了一种实时、高精度的混合型碰撞检测方法, 该方法结合了CULLIDE算法实时性及AABB算法精确性的优点, 克服传统图像空间与对象空间算法的缺点。实验证明, 利用混合型A缓冲算法进行碰撞检测, 对于不同场景的需要, A缓冲分割为我们控制精度提供了一种有效的工具。当A缓冲的尺寸增加时, 其丢失率快速地减少, 从而大大地提高碰撞检测的精度。其不仅能够处理封闭和开放的对象, 而且能够作为输入各种动态的对象, 包括软体与刚体模型, 而且能检测自我冲突。而由于在一次传递过程A缓冲获得大约8个片断, 其速度比其它的基于GPU的图像空间的算法约快8倍的速度。它不需要预处理, 而且能够非常简单地被硬件加速。能最大程度地提高碰撞检测的完全性、唯一性与实时性。
碰撞优化 篇8
无线传感器网络凭借其诸多优势受到越来越多的关注和应用。它可以使人们在任何时间、任何地点和任何环境条件下, 获取大量真实可靠的信息, 真正实现“无处不在的计算”理念[1]。IEEE802.15.4通信协议是短距离、低速率无线通信的标准, 是无线传感器网络通信协议中物理层与MAC层的一个具体实现[2]。
IEEE802.15.4定义了物理层和MAC子层。其中对于无线信道的访问, IEEE802.15.4定义了一种CSMA/CA算法, 在大多数情况下发送数据前都要采用这种算法进行信道的竞争。所谓CSMA/CA算法就是载波监听、多路访问、冲突检测, 同时还应用随机退避机制来减少碰撞。CSMA/CA算法是无线传感器网络的关键技术之一, 对于它的研究也有很多[3,4,5]。本文主要是针对CSMA/CA算法中第二次信道检测的不足进行改进和优化。
1 MAC层协议
MAC子层提供两种服务:MAC层数据服务和MAC层管理服务, 功能主要包括:关联与取消关联、使用CSMA-CA访问信道、时槽保障机制、时间同步等[6]。MAC层支持信标使能网络和非信标使能网络, 本文只研究信标使能网络。
MAC子层包含了一种特殊的帧, 为“超帧”, 如图1所示。网络协调器通过超帧来分配信道的访问时间以及实现时间的同步。超帧将通信内的时间分为活跃部分和非活跃部分, 设备只在活跃部分进行通信。其中活跃部分又分为信标帧发送时段、竞争访问时段 (contention access period, CAP) 、非竞争时段 (contention-free period, CEP) 。CAP和CEP的长度由网络协调器来决定, 它们由很多时隙组成。在竞争访问时段, 所有想要进行通信的设备都要先通过CSMA/CA算法进行信道的竞争, 无法竞争到信道的设备要等到下一个超帧到达时才能在CAP时段进行信道的竞争。在非竞争时段, 设备无需竞争, 只需在已经分配好的时段进行数据的传送即可, 这些时段称为GTS (guaranteed time slot) , 这些GTS由网络协调器事先指定, 一个GTS可以包括若干个时隙, 且任何通信必须在自己分配的GTS内完成。
2 时隙CSMA/CA算法机制
2.1 CSMA/CA算法的原理
在IEEE802.15.4网络中, 所有节点和协调器进行通信之前都要使用CSMA/CA算法。CSMA/CA算法中涉及三个变量:NB、CW、BE。其中NB表示随机退避的次数, 初始化为0;CW表示竞争窗口的长度, 默认值为2;BE表示退避指数, 默认为2。CSMA/CA算法过程如下:
步骤1:初始化NB、CW和BE后, 定位退避周期边界。
步骤2:在0~2BE—1之间随机选择几个作为退避周期。
步骤3:在退避边界进行信道检测CCA, 如果第一次信道为空闲, 则进入步骤4;如果信道忙, 则进行步骤5。
步骤4:将CW减1, 然后判定CW是否为0。若为0, 成功;否则回到步骤2。
步骤5:将NB加1, CW置2, BE加1, 且BE不大于a Max BE。判定NB是否大于最大退避次数mac MaxCSMABackoff, 如果大于, 失败;否则回到步骤2。
2.2 CSMA/CA算法的缺陷
节点在应用CSMA/CA算法中, 进行的两次CCA, 必须检测信道都为空闲时才能进行通信, 不妨称这两次CCA为CCA1和CCA2, 在IEEE802.15.4网络中, 出现CCA2检测信道为忙的情况大多数是下面两种情况[7,8], 如图2所示。
(1) 当目标节点进行CCA1时已经有节点成功进行CCA2, 在这种情况下, 当目标节点进行CCA2时, 就会检测出信道为忙, 因为这时刚好有节点开始发送数据。
(2) 在节点发送完数据后, 会等待网络协调器发送给它一个确认帧, 并且确认帧不需要使用CS-MA/CA机制竞争信道, 在这之间间隔一个时隙的时间, 并且确认帧 (ACK) 会占用接下来的两个时隙 (实际是一个多时隙, 本文按照两个时隙处理) 。当目标节点进行CCA1时, 刚好某一个节点发送完数据正等待确认帧, 这时信道检测为空, 但当目标节点进行CCA2时, 因为此时确认帧开始发送, 信道就会检测为忙。
出现以上任何一种情况, CSMA/CA算法就会将CW置2, 然后重新执行CSMA/CA算法, 这就增加了开销, 增大了碰撞概率, 降低了吞吐量。例如如果出现第二种情况, 即使CCA2检测信道为忙, 接下来仍可以发送数据, 因为确认帧只占用两个时隙。所以当执行CCA2后即使检测到信道为忙仍要做进一步判断, 这样可以有效增大节点竞争到信道的概率, 减少CCA检测次数, 进而增大吞吐量。
3 改进的CSMA/CA算法机制描述
通过对CSMA/CA算法的缺点分析可以知道其对执行完CCA2后的处理有不合理之处, 因为其不能有效利用网络, 对于其忽略的两大问题本文将做分别的改进。
对于问题一, 当CCA2检测信道为忙时, 在接下来的时隙里确实不能发送数据, 因为信道已经被占用, 但是如果这时重新开始执行CSMA/CA算法, 无疑将浪费一次成功的CCA1执行, 此节点接下来还要重新进行两次成功的CCA, 这将增加此节点进行CCA的次数, 进而影响整个网络的吞吐量, 因此有必要对此再进行一次CCA, 从而增加其接入信道的概率。
对于问题二, 因为已经知道确认帧的长度, 因此只要退避两个时隙后再进行一次CCA, 如果信道空闲即可发送数据。但是当执行CCA2时并不能确定是哪一种情况, 这时从整体出发考虑, 因为第二种情况下接下来确认帧占用的时隙数是确定的, 所以首先进行的是针对第二种情况的处理, 如果这时不成功, 再执行针对第一种情况的处理, 这无疑增加了信道接入的概率。对于以上情况本文分别引入两个bool型参数FN、SN。流程图如图3所示, 算法步骤如下:
步骤1:初始化NB=0, CW=2, BE=min BE, FT=1, ST=2。
步骤2:定位退避周期边界。
步骤3:在0~2BE-1之间随机选择几个作为退避周期。
步骤4:在退避边界进行信道检测CCA, 如果信道为空闲, 则进入步骤5;如果信道忙, 则进行步骤6。
步骤5:将CW减1, 然后判定CW是否为0。若为0, 成功;否则回到步骤4。
步骤6:判断CW=1, FT=1是否成立, 如果成立, 进行步骤7;否则进行步骤8。
步骤7:FT置0, ST减1, 同时退避两个周期, 返回步骤4。
步骤8:判断CW=1, ST=1是否成立, 如果成立, 进行步骤9;否则进行步骤10。
步骤9:将ST减1, BE加1, 返回步骤3。
步骤10:将NB加1, CW置2, BE加1, 且BE不大于a Max BE。判定NB是否大于最大退避次数mac Max-CSMABackoff, 如果大于, 失败;否则回到步骤3。
4 对改进的CSMA/CA算法的仿真
用NS-2[7]仿真软件来验证改进后的CSMA/CA算法的性能, 在仿真模型中, 网络范围为50m×50m, 一个PAN网络协调器和其它的普通网络设备, 为了简化问题同时本文假设超帧结构中只有活跃部分, 没有不活跃部分。仿真中的具体参数设置如表1所示, 所有数据都取20次实验数据的平均值。
图4为网络的吞吐量随着网络中普通设备数量的变化情况, 从图中可以看出, 改进后的CSMA/CA算法在吞吐量上要优于原CSMA/CA算法。在节点数量较小时, 由于各个节点发生碰撞的概率很小, 所以两者在吞吐量上的差异很小, 但是随着网络节点数量的增加, 对信道的竞争加强, 节点间发生碰撞的概率增大, 改进的CSMA/CA算法就具有更好的吞吐量。并且随着网络节点数量逐渐的增加, 原CS-MA/CA吞吐量会有下降趋势, 而改进的CSMA/CA表现并不明显。
图5显示的是平均网络时延随网络中普通节点的变化情况。
从图中可以看出, 随着节点数的增加, 两者的网络时延会都会随着变大, 这是由于网络中的碰撞概率增大所致, 但是改进后的算法要比原算法的时延小。同时当网络节点数小于15时, 两者的时延相差很小, 当节点数大于15时, 两者时延相差很大, 并且原CSMA/CA算法的增速更快, 这说明改进的CS-MA/CA算法优于原算法。
5 结束语
本文对IEEE802.15.4中的MAC层以及其中的关键技术之一CSMA/CA做了分析和研究。所有节点通信之前必须使用CSMA/CA算法进行信道的竞争, 同时在使用CSMA/CA算法的过程中要执行多次CCA, 但是必须同时检查到连续两次信道为闲时才能接入信道, 但是如果第一次CCA检查为闲, 第二次CCA检查为忙, 算法就会重新开始, 这就会浪费了一次CCA检查信道为闲的机会, 降低了吞吐量。对此分析了第二次CCA检查信道为忙的两种情况, 并针对这两种情况引入了FN、SN两个参数, 从而充分利用了第一次CCA检查为闲的情况, 增加了接入的概率。最后用NS-2仿真软件对改进的算法进行仿真, 结果表明改进后的CSMA/CA算法在吞吐量和平均网络时延方面要优于原算法。今后的研究重点为更加好的信道接入机制, 以及适用不同环境变化的优化算法。
参考文献
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