碰撞模拟是使用计算机模拟对汽车或公路护栏系统进行破坏性碰撞试验的虚拟再现，以便检查汽车及其乘客的安全水平。碰撞模拟是汽车制造商在计算机辅助工程（CAE）分析过程中使用的一种模拟方法，用于新车模型的计算机辅助设计（CAD）过程中的耐撞性分析。在碰撞模拟过程中，车辆在碰撞前所具有的动能或运动能在碰撞结束时转化为变形能，主要是由车身材料（装配质量）的塑性变形（塑性）所产生的。
从碰撞模拟中获得的数据表明，车身或护栏结构在碰撞过程中保护车辆乘员（以及行人）免受伤害的能力。重要的结果是乘员空间（驾驶员、乘客）的变形（例如，方向盘侵入）和他们感觉到的减速（例如，头部加速），这些都必须低于法律汽车安全法规中规定的阈值。为了模拟真实的碰撞试验，今天的碰撞模拟包括碰撞试验假人和被动安全装置（安全带、安全气囊、减震仪表板等）的虚拟模型。导轨测试评估车辆减速和侧翻潜力，以及车辆对护栏的穿透力。
1970年，人们试图用非线性的之后的弹簧质量系统校准其需要物理破坏性实验室测试的结果作为输入，以确定建模系统的每个弹簧部件的机械破碎行为。“第一原理”模拟和更精细的有限元模型一样，只需要定义结构几何和基本材料特性（车身钢、玻璃、塑料零件等的流变性）作为生成数值模型的输入。
工业第一原理计算机模拟汽车碰撞起源于军事防御、外层空间和民用核电厂应用。1978年5月30日，ESI集团在由德国工程师协会 (VDI)在斯图加特组织的一次会议上展示了一架军用战斗机意外撞上核电厂的模拟，汽车制造商开始意识到使用该技术模拟破坏性汽车碰撞试验的可能性(豪格1981)。
在接下来的几年里，德国汽车制造商进行了更复杂的碰撞模拟研究，模拟了单个车身部件、部件总成以及四分之一和一半白车身（BIW）的碰撞行为。这些实验最终导致了福尔松格梅因斯卡夫特汽车技术公司(FAT)的一个联合项目，该项目由所有七家德国汽车制造商(奥迪、宝马、福特、梅赛德斯-奔驰、欧宝、保时捷和大众)组成，测试了两种新兴商业碰撞模拟的适用性这些模拟代码再现了一个完整乘用车结构的正面碰撞(豪格1986)，并在一夜之间在计算机上完成。既然两个连续作业提交(计算机运行)之间的周转时间不超过一天，工程师们就能够对被分析的车体的碰撞行为进行有效和持续的改进。
碰撞模拟用于研究在“正面碰撞”或“正面撞击”中碰撞汽车前端结构、在“侧面碰撞”或“侧面撞击”中碰撞汽车横向结构、在“尾部碰撞”或“后部撞击”中碰撞汽车后端结构时，汽车乘员的安全性。以及在“翻车”过程中翻车时的车顶结构。碰撞模拟也可以用来评估行人被汽车撞伤的情况。
碰撞模拟产生的结果不需要对新车模型进行实际的破坏性测试。这样，测试就可以在计算机中快速而廉价地进行，这样就可以在汽车的真实原型制造之前优化设计。使用模拟，在花费时间和金钱进行实际碰撞测试之前，问题可以得到解决。印刷输出和图形显示的极大灵活性使设计者能够在没有计算机帮助的情况下解决一些几乎不可能的问题。
大量碰撞模拟使用了一种叫做“有限元法”的分析方法。复杂的问题可以通过将一个表面分成大量但仍然有限的元素并确定这些元素在非常短的时间内的运动来解决的。另一种碰撞模拟方法是通过应用宏元素方法来执行的。上述两种方法的区别在于，宏元素方法中的结构由更少的元素组成。结构变形的计算方法是基于实验数据，而不是由偏微分方程计算。
Pam-Crash与LS-DYNA ，是一个广泛应用于有限元方法的软件包。这种方法允许对结构进行详细建模，但缺点在于处理单元要求高和计算时间长。Visual Crash Studio使用宏元素方法。与有限元法相比，它有一些建模和边界条件的限制，但它的应用不需要先进的计算机，计算时间大大缩短。两种方法相辅相成。宏单元法在结构设计过程的早期是有用的，而有限元法在最后阶段表现良好。
在典型的碰撞仿真中，采用空间离散化的方法对车身结构进行分析，即在小的离散时间步长内，将车身的连续实时运动分解为较小的位置变化。离散化包括将组成的薄钣金件的表面细分为大量四边形或三角形区域（2006年接近100万个），每个区域都跨越其角固定的“节点”之间的区域。每个单元都有质量，质量以集中质量和质量惯性矩的形式分布到其连接节点上。每个节点有6个运动自由度，即一个节点在平移下可以沿三个线性方向移动，并可以绕三个独立轴旋转。每个节点的空间坐标（x）、位移（u）、速度（v）和加速度（a）主要用三维直角笛卡尔坐标系表示，坐标系的轴为x、y和z。
如果节点在碰撞模拟过程中移动，则连接的元素将与其节点一起移动、拉伸和弯曲，从而使它们向节点连接传递力和力矩。节点处的力和力矩对应于惯性力和力矩，惯性力和力矩由其平动（线性）加速度和角加速度引起，并且对应于连接元件的结构材料在变形时的阻力传递的力和力矩。有时，会施加额外的外部结构荷载，如零件自重产生的重力荷载，或外部质量产生的附加荷载。
所有节点的力和力矩被收集到一个列向量(或列矩阵)中，与时间相关的运动方程(在动态平衡中)可以写作如下。
其中向量 (质量乘以加速度矢量)收集节点处的惯性力， 收集外部节点负载，以及 收集材料变形产生的内部阻力。M是节点质量的对角矩阵。每个向量(u,v,a,F等)的维数是碰撞模型中节点总数的6倍（在三维薄壳有限元模型中，每100万个“节点”对应约600万个“自由度”）。
碰撞模拟使用时间离散化，并将时间的连续变化分离为非常小的可用段。在碰撞模拟过程中，运动的动力学方程始终保持不变，并且必须在时间t中集成，从时间0的初始条件开始，也就是在碰撞之前。根据大多数碰撞代码使用的显式有限差分时间积分法，车身的加速度、速度和位移通过以下方程进行关联。
在这些方程中，下标n±1/2，n,n+1表示过去、现在和未来的时间，时间间隔 和 分别是全时间步长和半时间步长。
上述线性方程组是针对碰撞持续时间内每个离散时间点t处的加速度 ，速度 和位移 求解的。这个解很简单，因为质量矩阵是对角的。计算机时间与有限元数和求解时间步数成正比。稳定解时间步长对于数值稳定性是有限制的，如柯朗-弗里德里希-路易条件 (CFL)所表示，该条件规定“在任何时间进行计算机模拟时，时间步长必须小于发生某些重要作用的时间，最好要小得多。”在碰撞模拟中，最快的重要作用是在结构材料内部传播的声波信号。
固体弹性应力波速度等于
其中 是材料的初始弹性模量(在塑性变形之前)， 是密度。因此，给定材料的最大稳定时间步长为
,
其中 是数值碰撞模拟模型中任意两个节点之间的最小距离。
由于该距离在模拟过程中会发生变化，因此稳定的时间步长会发生变化，并且必须随着解决方案的及时进行而不断更新。当使用钢时，当有限元模型网格中最小的离散节点距离约为5毫米时，稳定时间步长的典型值约为1 微秒。然后需要超过100，000个时间间隔来解决持续十分之一秒的碰撞事件。许多工业碰撞模型要求具有高性能计算( HPC )功能的优化碰撞解决程序，如矢量化和并行计算，超过了这个数字。
暂无