计算固体力学及其在汽车碰撞安全性优化设计中的应用

摘 要：社会与科学技术水平的不断发展，给汽车的普及以及其重大突破与发展带来了良好的契机。但随之而来的是由汽车造成的安全事故屡见不鲜，这给我国人民的生命财产安全带来了严重的危害，因此对汽车碰撞安全性优化的研究已经迫在眉睫。本文主要通过介绍计算固体力学及其在汽车碰撞安全性优化设计中的应用，并且还介绍了在汽车安全性优化设计中具体应用的以计算固体力学为支撑的有限元法与汽车轻量化法。

关键词：计算固体力学；汽车碰撞安全性优化；有限元法；汽车轻量化

科学技术水平不断取得重大的突破，使得多领域技术的互相融合与应用取得了更进一步的完善与发展。在当前社会大环境下，安全、环保以及节能是汽车行业目前以及未来发展的主题。现阶段，借助计算固体力学来促进汽车碰撞安全性的优化设计具有十分重要的现实意义，其能够在极大保证碰撞安全优化设计科学合理性的同时减少其工作量。另外值得注意的是，目前在汽车碰撞安全性优化设计中应为相当广泛的有限元法以及汽车轻量化法就是以计算固体力学作为其支撑的。

一、计算固体力学及应用

目前多领域技术互相融合这一趋势日益明显，由于计算力学在各种领域中都能发挥着较强的仿真能力，因此在多领域中都得到了广泛的应用。特别是随着计算机技术的不断突破与发展，逐渐构建了一套科学先进的智能化力学体系，这对于解决各种复杂的固体力学问题有着及其重要的现实意义，一方面能够在极大程度上保证固体力学得到正确科学的解答，另一方面也极大的提高了固体力学问题的解决效率进而节省了大量的人力物力。计算固体力学在汽车碰撞安全性优化中的应用一方面是现代物理学本身的突破，另一方面也是借助计算固体力学的优势来极大的完善与发展汽车碰撞安全性的优化设计。在实际的应用过程中计算固体力学常常表现为离散化的数值方法，在应用现代力学知识的基础上结合现代计算机技术就可以有效的解决固体力学中各种简单或复杂甚至可以说是艰巨的问题。在固体力学的具体求解过程中广泛应用的是连续函数，并借助计算机技术来求解相应的微分方程。一般而言，计算固体力学常应用于解决以下问题：

（1）求解纯力学问题，即静力学问题。若同时结合利用计算机技术则能使纯力学问题的求解在纯力学问题离散化的基础后转换成线性代数方程组问题的求解。

（2）求解特征值问题。将实际问题的求解在将其离散化的基础上转换为矩阵特征值以及特征向量问题的求解。例如在汽车碰撞安全性的优化设计中，就会在结合大数据等其他技术的基础上进行优化设计，同时还能通过精确的数据处理来有效的提升设计方案的科学性、可靠性以及工作效率。

考虑到计算固体力学在汽车碰撞安全性优化设计中的具体应用，可将其应用总结为以下三方面：汽车碰撞安全性优化中的主动控制技术应用；有效解决汽车碰撞中复杂甚至是难以解决的问题；对优化设计方案进行精确化的数值试验。

二、计算固体力学在汽车碰撞求解中的应用

（一）对复杂工程问题的分析

在汽车碰撞安全性优化设计中应用计算固体力学，可以融合目前先进的计算机技术来有效解决可能出现的复杂力学问题，将复杂的问题简单化，将不易解决的问题转化成相对容易解决的问题，进而大大降低汽车碰撞问题求解中的计算量以及求解难度。比如，在汽车碰撞安全性的优化设计中会经常需要分析车身的柔性结构，在实际的求解过程中需要求解数量较为庞大的计算物理节点，这该种情况下就需要借助计算固体力学来完成计算量庞大的节点自由度分析。同时广为人知的是，汽车行驶速度越大其碰撞造成的后果也就越严重、其碰撞问题的求解也就越复杂越难以解决，而绝大部分的汽车碰撞都是由于行驶超速而引发的，针对这类问题，计算固体弹性力学有着十分重要的现实意义。

（二）进行精确化数值试验

在汽车碰撞安全性的优化设计中应用计算固体力学还能够进行精确化的数值模拟试验，进而大大了提高优化设计方案的可实施性以及科学合理性，同时计算固体力学与先进计算机技术的融合使用还能显著提升系统功能设计的精确性。例如，借助计算机数值处理技术可以用来代替一部分汽车碰撞问题的验证性模拟，同时还能用来实施汽车碰撞问题中一部分的研究性试验。同时还可以模拟碰撞发生时汽车车身结构的实际变化以及力学变化，极大程度上 的模拟真实环境，进而能够得到符合实际情况的实验响应。

三、汽车碰撞安全性优化设计

（一）概述

在车身的传统设计中，多是依靠设计者自身的经验来进行车身设计的尝试，并且还需要反复进行车身的碰撞试验，因此传统的车身设计工作效率低下，耗时长，且浪费大量的人力物力。从科学的角度看，解决汽车的碰撞问题就是解决包括接触非线性、材料非线性以及几何非线性这三种非线性问题在内的非线性动力学问题，因此汽车碰撞问题的求解十分复杂，且难以操作。同时需要我们重视的是，汽车碰撞问题即接触碰撞问题由于响应不光滑的原因而成为目前科学技术水平下求解最为困难的非线性问题之一。经多年来的研究试验表明，以计算固体力学为支撑的有限元法是解决汽车碰撞问题最为行之有效的方法。汽车碰撞安全性优化设计中的求解难点就是很难求解出优化设计中相关指标的显示表征。为了有效解决这一难点，经过多年来的探索研究提出了用以解决汽车碰撞安全性优化设计相关问题的数学模型，在应用计算力学的基础上借助回归分析数学法有效解决非线性很强的系统分析问题中指标的优化设计以及显示表征的近似回归解。该数学模型能够大大节省汽车碰撞安全性优化设计所需的成本经费，同时还能大大提高其工作效率、提高设计方案的科学合理性。另外值得一提的是，考虑到汽车碰撞问题求解过程中庞大的计算量以及复杂程度，常需在汽车碰撞安全性优化设计中应用多变量筛选法。在分析研究汽车实际碰撞情形下出现的护栏碰撞、正面碰撞、位置碰撞以及侧面碰撞这四种不同类型问题的基础上构建与之相对应的汽车碰撞仿真模型，这一过程需要借助计算固体力学与计算机技术的融合使用。同时以计算固体力学为支撑的汽车轻量化法是对汽车车身材料作出碰撞安全性优化设计时广泛应用的一种行之有效的方法。

（二）有限元法

在现今汽车碰撞安全性的优化设计中会频繁应用有限元法，正是由于有限元法具有灵活性强、操作简单且适用性强等特点，有限元法才会进一步在诸如汽车碰撞问题这一类复杂且计算量巨大的工程计算问题发挥着极大的现实意义。应用有限元法的目的是求解数理方程，通过计算固体力学将不间断区域内的物理力学问题极大可能性的转换为不连续但符合一定规律的区域内的物理力学问题即是有限元法的基本思想。有限元法是一种得到普遍应用的数值分析法，它融合了计算机技术、计算固体力学知识中的连续介质力学理论以及计算数学方法。

四、结束语

随着相关行业以及相关部门的重视，为了有效避免汽车安全事故的发生或者有效减轻汽车安全事故造成的危害，现阶段对于汽车碰撞安全性的优化设计也投入了前所未有的关注。现阶段，借助计算固体力学来促进汽车碰撞安全性的优化设计具有十分重要的现实意义，其能够在极大保证碰撞安全优化设计科学合理性的同时减少其工作量，值得在实际应用中大力推廣。

参考文献：

[1]卢萍，孙凡，郝.固体力学的发展及其在航空航天工程中的运用解析[J].中国新技术新产品，2016，18：96-97.

[2]陈立新.力学期刊群的内外关系与学科结构[D].大连理工大学，2008.

[3]Shujuan Hou，Shuyun Zhao，Lili Ren，Xu Han，Qing Li. Crashworthiness optimization of corrugated sandwich panels，Materials & Design，2013：51：1071-1084

[4]陈龙，上官文斌.基于有限元法的车辆碰撞事故的速度分析[J].西华大学学报（自然科学版）.2008，27（2）：61-61.