fea information engineering chinese journal (traditional ......

有限元資訊參加者

2014 第二期(雙月刊)

有限元資訊 1.

主辦：美國 FEAINFORMATION.com

2013 第一屆中國 LS-DYNA 用戶大會優秀論文集 3

第十三屆 LS-DYNA 美國國際年會將於 2014 年 6 月 8-10 日

在美國底特律召開，歡迎參加。


有限元資訊 2014 第二期 (雙月刊) -1 -


迪艾工程技術軟件(上海)有限公司(ETA)

奧雅納工程諮詢(上海)有限公司 (ARUP 中國)

上海恒士達科技有限公司 (HengStar)

大連富坤科技開發有限公司(Dalian Fukun)

勢流科技股份有限公司 ( Flotrend Corp.)

愛發股份有公司 (APIC)

FEA-INFORMATION 中文版《有限元資訊》的主要內容包括：LS－DYNA 最新發展動態，LS－DYNA 功能系列化介紹，LS－DYNA 應用實例交流，中國及華人地區 FEA 活動及年會信息，LS－DYNA 中國及華人地區銷售和代理商介紹，LS－DYNA 培訓課程內容介紹及代理商培訓計劃等。期刊為雙月刊，每雙月份第四周發刊。

衷心期望本期刊能夠得到大家的關心和支持，並歡迎大家踴躍提供稿件和建議。

本期刊是電子版，免費發行。通過電子郵件訂閱。

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訂閱投稿郵箱 :[email protected] 訂閱請注明主題：FEA Chinese sign up 投稿請注明主題：FEA Chinese Article

主辦：美國 FEAINFORMATION.com 編輯：Marsha Victory, 趙豔華/Yanhua Zhao 特邀編輯：蘇敏/Grace Su

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目錄


*本刊所刊載資料，除特別注明出處外，其餘所有資料，本刊均保留所有權，任何機構或個人，

未經本刊授權，不得隨意轉載、引用。若有違反，本刊保留採取進一步措施的權利。如對本刊

有任何問題，請與編輯 Yanhua Zhao 聯繫。 Email: [email protected]

目錄

有限元資訊參加者 1

第十三屆LS-DYNA美國國際年會 3

LS-DYNA板料成形系列

---法蘭邊展開的一些新的功能 LS-PrePost 有限元網格生成概述

朱新海/Xinhai Zhu，張力/Li Zhang

張勝LSTC

4

7

中國LS-DYNA用戶大會優秀論文

1. 整車道路載荷提取的CAE方法

2. 軌道車輛氣液緩衝器LS-DYNA建模及超大規模列

車碰撞分析

3. Hybrid III 5分位假人有限元模型在後排乘員

正面碰撞仿真中的應用

4. 千萬單元級模型的LS-DYNA MPP並行計算

5. 頻率域分析於服務器產品之應用

彭冰元馬亮

李本懷，朱耀輝

胡佳，孔智勇，劉奇，翁佳怡，

梁永，蘇醒

潘鋒，楊佳穎，Jason Wang，魯宏升

翁家鵬，張維展, 彭紘維

12

20

24

31

37

LS－DYNA 中國代理商

1. 迪艾工程技術軟件(上海)有限公司簡介 (ETA)

2. 奧雅納工程諮詢(上海)有限公司簡介(ARUP中國)

3. 上海恒士達科技有限公司簡介 (HengStar)

4. 大連富坤科技開發有限公司簡介 (Dalian Fukun)

LS－DYNA 臺灣代理商

44

45

45

46

46

46

47

LS－DYNA 培訓及LS-DYNA活動信息

1. 迪艾工程技術軟件(上海)有限公司培訓 (ETA)

2. 奧雅納工程諮詢(上海)有限公司培訓(ARUP中國)

3. 上海恒士達科技有限公司培訓 (HengStar)

48

52

54

中國FEA活動及年會信息蘇敏/Grace Su 56

第十三屆 LS-DYNA 美國國際年會


第十三屆 LS－DYNA 美國國際年會

將於 2014 年 6 月 8-10 日在美國底特律召開

13th LS-DYNA® International Conference

& 13th LS-DYNA® Users Meeting

June 8th-10th, 2014 Dearborn, MI, USA

主辦單位: Livermore Software Technology Corp. (LSTC)

DYNAmore Germany.

Hosted by Livermore Software Technology Corp. (LSTC) & DYNAmore Germany.

會議網址:http://www.ls-dynaconferences.com/index.html

會議註冊網頁：http://www.ls-dynaconferences.com/2014/registration.htm

歡迎中國廣大 LS－DYNA 用戶報名參加

LS－PrePost 功能系列介紹


LS-DYNA 板料成形系列

法蘭邊展開的一些新的功能

朱新海，張力 LSTC

摘要

在 2012 年 10 月份的有限元資訊中的板材成形系列（4）中，我們介紹了法蘭邊和壓邊展

開的一些基本功能。經過一年多的改進，此功能有了進一步比較重要的發展。這裡，以板材成

形系列（4）作為參考，我們來介紹一下這些新功能。

新功能:

新的程序在算法上進行了改進。一個新的選擇項使用了一個新的計算方法來得出法蘭邊的

初始展開形狀，然後利用非線性的迭代來獲得法蘭邊最後的展開形狀。

參照圖一，使用關鍵字*CONTROL_FORMING_UNFLANGING_OUTPUT，新增功能包括：

1．展開以後的板厚和等效朔料性應變的計算結果會儲存在關鍵字文件”unflangingfo.out”中，

並可以用 LS-PrePost4.0 或更高版本來進行圖像描述。

2．用戶可以分別通過三個不同的參數來設置法蘭邊的破壞準則。

THMX －最大允許板厚值。超過此值的單元會被自動刪除。比較適合於用在一些收縮法蘭

邊的展開，來刪除一些起皺的區域。由此形成的法蘭邊界曲線會儲存在”trimcurve_upd.k”文

件中。原始的展開後的曲線儲存在”trimcurve_nmd.k”文件中。這些文件利用關鍵字

*DEFINE_CURVE_TRIM_3D 來定義三維曲線的各點坐標，並可利用 LS-PrePost4.0 或更高版本

來把它們轉變成 IGES 文件。

THMN －最小允許板厚值。小於此值的單元會被自動刪除。比較適用於伸展型法蘭邊的展

開，來刪除一些板厚太薄的區域。同樣，所有展開的曲線儲存在上面所述的文件中。

EPSMX －最大允許等效朔性應變。大於此值的單元會被自動刪除。比較適用於伸展型法蘭

邊的展開，來刪除一些板厚太薄的區域。根據此值所獲得的所有曲線儲存在上面所述的文

件中。

如圖一所示，當 THMN 值設為 0.4mm 時，小於 0.4mm 板厚的邊角區域的一部分單元在展

開後被自動刪除。所產生的新的法蘭邊曲線（右下圖）明顯的顯示了應該有的法蘭邊界曲線。

此曲線在初始位置的狀態顯示在左下圖，其網絡儲存於關鍵字文件”mdfiedflangedpart.k”。據此

文件，用戶可以使用 LS-PrePost4.0 或更高版本中 Curve/Spline/Form Mesh/By Part 來獲得所需法

蘭邊邊界曲線。

3．另外的改進與法蘭邊的固定端有關。以前，用戶必須固定住法蘭邊不動的邊界節點。新的

程序只需用戶給出在邊界上的一個節點號碼 NB1（封閉邊界）。如果是不封閉邊界則需給

出邊界上的三個節點號碼（NB1, NB2, NB3），如圖一左下所示。

LS－DYNA 功能系列介紹


4．對稱邊界條件允許存在。

厚度 min=0.2257 max=0.8533

板厚（毫米）

允許有孔

法蘭邊法線工藝輔助面法線方向

深藍區域的板厚小於

0.4毫米，等於THMN參數的設置置。

工藝輔助面

展開前的法蘭邊

展開後的法蘭邊。板厚和等效朔性應變儲存

在“unflangingfo.out”關鍵字文件中。

法蘭邊根(固定)

原始的法蘭邊網絡根據所設定的 THMN來改進，並儲存於”mdfiedflangedpart.k”文件。法蘭邊邊界可用 LS-PrePost4.0或更高版本 Curve/Spline/FromMesh/bypart來獲得。

改進後展開的法蘭邊邊界曲線儲

存在”trimvurve_upd.k”文件中。原始展開後法蘭邊邊界曲線儲存

在”frimcurve_end.k”件中。

圖一展開細節和輸出的文件

LS－DYNA 功能系列介紹


討論／總結

新的法蘭邊通過了一系列系統的，具有實際意義的，生產上使用的例子的測試。所有的展

開基本上在幾分鐘之內完成。更精確的結果則需更多的迭代和長一些的計算時間。我們計劃在

LS-PrePost 中做一個圖形用戶界面使得設置 LS-DYNA 的輸入文件更為簡單化。

*朱新海/Xinhai Zhu 博士,畢業於密西根理工大學 (Michigan Technological

University )。主要從事 LS-DYNA 的板料模擬方面的應用及開發，並提供技術支持。

擁有十多年這方面的經驗。

*張力/Li Zhang 博士,畢業於美國奧克蘭大學(OAKLAND UNIVERSITY)。曾在 CHRYSLER

公司任職，並擔任板料成形模擬方面的經理。2006 年加入 LSTC，一直從事板料成形方

面的工作。擁有二十多年的經驗。

http://www.mtu.edu/

http://www.mtu.edu/



LS-PrePost 有限元網格生成概述

張勝 LSTC

（Livermore Software Technology Corporation, 7374 Las Positas Road, Livermore, CA 94551）

摘要:有限元網格劃分的好壞直接關係到模型計算、分析的準確性。本文針對 LS-PrePost 幾種常用單元網格生成進

行了評述,指出它們各自的適應範圍。

1 引言

LS-PrePost 有限元網格劃分是 LS-Dyna 進行數值模擬分析至關重要的一步，它直接影響著後續數值計算分析的

效率和結果的精確性。網格劃分涉及單元類型、單元的形狀、單元大小，生成算法參數的設置以及幾何體素等。由

於不同單元的特性不同，採用的變形模式不同，因此實際應用中，一定要採用合理的單元來模擬求解。

2LS-PrePost 中的網格劃分

LS-PrePost 作為 LS-Dyna 的高級有限元前後處理軟件，為用戶提供了豐富的網格劃分、編輯以及檢查功能。

2.1 網格劃分分類

根據生成的單元類型，可以分為如下幾大類

單元類型依賴幾何體素說明主要功能菜單

三角形以及四邊形無幾何參數自由生成 Mesh->Shape Mesher

網格節點單個殼單元生成 Mesh->Element Editing->Create

曲面前沿推進法 Mesh->Auto Mesher->Size、

Deviation、Variable Size

網格網格重新生成 Mesh->Auto Mesher->Remesh

四面體網格節點單個殼單元生成 Mesh->Element Editing->Create

封閉的殼單元網格 Delauny 剖分 Mesh->Tetrahedron Mesher

五面體或者六面體無全六面體、幾何參數自由生成 Mesh->Shape Mesher

Mesh->Block Mesher

網格節點單個殼單元生成 Mesh->Element Editing->Create

幾何實體（Solid）映射以及掃掠生成 Mesh->Solid Meshing



從依賴的幾何體素來分，可以分為如下幾大類

幾何體素生成網格類型軟件功能菜單

無殼單元或者體單元結構網格 Mesh->Shape Mesher

Mesh->Block Mesher

網格節點單個殼單元或者體單元 Messh->Element Editing->Create

二維多義線非結構二維網格 Mesh->2DMesher

曲線或者曲面邊（Curve、Edge）結構或非結構網格 Mesh->NLine Mesher

曲面以及組合面（Surface、Compound Face）非結構網格 Mesh->Auto Mesher

幾何實體（Solid）四面體、五面體以及六面體

網格

Mesh->Tetrahedron Mesher

Mesh->Solid Meshing

殼單元網格非結構網格的重新網格化 Mesh->Auto Mesher

殼單元網格以及曲線四邊殼單元，五面體以及六

面體網格

Mesh->Element Generation

體單元網格殼單元抽取 Mesh->Element Generation

2.2 網格劃分流程

一般而言，LS-PrePost 前置處理的步驟為幾何模型入讀、模型數據清理、網格生成、網格質量清理與優化、單元屬

性設置、卡片文件輸出。

LS-PrePost 對幾何數據的清理包含兩個步驟：第一步是 CAD 模型讀入時的自動清理，第二是 GeomTools 工具欄下

若干手動清理，例如縫合、裁剪、修復以及拓撲簡化。然後，對模型結構進行分析，為提高求解的效率，充分利用

重複與對稱等特徵，選擇對應的幾何模型進行網格生成。由於有限元分析的精度和效率與單元的密度和幾何誤差有

著直接的關係，所以在網格生成中需要採用適度的弦高控制，單元大小、曲線角度偏移等控制指標。

2.3 網格質量

網格質量是指網格幾何形狀的合理性。網格質量的好壞將直接影響計算效率和精度，質量太差的網格甚至會導

致計算中止。在 LS-PrePost 裡，對殼單元網格質量的指標主要有最短邊長，最大邊長，最大內角，最小內角，細

長比、錐度比、翹曲量、拉伸值、雅克比等。自動劃分網格時，一般要求網格質量近可能達到控制指標，實在不可

能達到的，也需要保證完整網格拓撲結構，在網格生成算法的最後，再對生成的網格做幾何和拓撲的優化處理。在

最終生成網格之後，如果還不能保證指標，則通過手動調節修正。用戶可以通過 Application->Model Checking-

>Element Quality，進入網格檢查功能界面.

3 常用殼單元網格劃分

在網格劃分中，基於曲面的網格劃分廣泛的應用在殼單元自動生成以及體網格（四面體、五面體以及六面體等）

生成的數據準備中。LS-PrePost 殼單元網格自動生成的菜單位於 Mesh->Auto Mesher。其中，包括四種常用的網格

生成類型。

3.1 基於大小的網格劃分

LS-Dyna 大量應用於汽車碰撞模擬分析中。對於這種瞬間單元大變形的顯示求解，LS-Dyna 要求初始網格的邊



長大小一致，而且盡可能多的四邊網格，這就是基於大小的網格劃分的基本原則。在幾何模型中，如果有些碎

小的曲面，用戶可以通過 Geometry Tool->Heal->Edge->Suppress,壓縮碎小曲面的邊，這樣，在 Auto Mesher-

>Size 界面中，選取‘Mesh across suppressed edges’選項，生成的網格將跨過這些壓縮邊。

圖 1 原始幾何模型圖 2 原始模型生成的網格

圖 3 壓縮邊之後的幾何模型圖 4 壓縮邊之後生成的網格

3.2 基於弦高的網格劃分

該網格劃分生成的網格廣泛應用於 LS-Dyna 板料衝壓成型仿真中，因此網格劃分也被稱為 Tool Mesher（見圖

5）。它要求網格在誤差允許的範圍內，保證幾何特徵。相對基於大小的網格劃分，網格邊長的大小、以及四邊網格

的數量不是主要考量指標，而弦高誤差，曲線角偏移量是最重要的控制指標。



圖 5ToolMesh 實例

3.3 網格重劃分

除了原始網格不能是全封閉外，重新網格化對於原始網格沒有任何其他要求。原始網格可以是全三邊網格

（如圖 6），或者全四邊，或者混合網格。重新劃分的網格可以是保持邊界節點（如圖 7）或者重新生成邊界節點，

單元大小也可以自由調整。

圖 6 原始網格圖 7 保持網格大小不變的重新劃分後的四邊網格

圖 8 網格大小變化的重新劃分後的四邊網格圖 9 網格大小變化的重新劃分後的三邊網格



3.4 變大小網格劃分

為了生成 CFD 適用的體網格，變大小網格劃分在運算過程中，除了把曲線的曲率作為考量的一個標準外，與之

相鄰的（即有拓撲關係的）曲面的最大與最小曲率半徑也作為一個考量的標準。

圖 10 變大小網格劃分

張勝/Sheng Zhang 碩士，畢業于南京航空航天大學(Nanjing University of

Aeronautics and Astronautics)。主要從事 CAE 軟件幾何與網格劃分算法的研究和開

發。

中國 LS-DYNA 用戶大會優秀論文


整車道路載荷提取的 CAE 方法

彭冰元馬亮 (ETA-China，上海 200030)

摘要:提取各個連接安裝點的載荷是整車疲勞 CAE 分析中的的關鍵問題。本文介紹了一種新的整車

道路載荷提取方法。通過 eta/PreSys 創建詳細的、包括車身、底盤、輪胎模型以及路面模型在內的

整車 FE 模型，，利用 LS-DYNA 求解運算，直接獲取各個連接安裝點的載荷。我們將 CAE方法測

取的各個連接安裝點的載荷與傳統方法提取的載荷進行了對比，結果證明，兩者具有較好的吻合

度。這一新的整車道路載荷提取的 CAE 方法，可大大縮短時間週期，且不依賴于實車模型。關鍵詞：連接點載荷；載荷提取；多體動力學分析；PreSys；LS-DYNA；

在現代機械工業中，有 80%以上的結構強度破壞是由疲勞破壞所造成的。隨著機械產品運轉

速度的提高，疲勞破壞更加普遍。車身是汽車的主要承載部件，尤其轎車、客車等承載式車身，

是懸架、發動機和車身附件的安裝基礎，承受來自路面、發動機等的各種交變載荷，其疲勞強度

性能對保證汽車產品的安全性和可靠性至關重要。近年來，車身耐久性 CAE 分析研究已經取得了

較大進展。但是，如何高效、準確地提取整車中各個連接點的載荷仍然是其中的一個關鍵問題。

傳統的載荷提取方法首先需要通過實車的整車道路試驗，提取輪胎中心的載荷，再利用多體動力

學分析，將輪胎中心的載荷分解，從而獲取各個連接安裝點。這種載荷提取方法時間週期較長，

而且價格昂貴，同時還必須具備與新設計車相同平臺的實車模型。針對這些問題，本文介紹了一

種新的整車道路載荷提取方法，通過創建詳細的整車 FE 模型，包括車身、底盤、輪胎模型以及路

面模型，通過 CAE方法直接獲取各個車身連接點的載荷。我們將 CAE方法測取的各個連接安裝點

的載荷與傳統方法的提取結果進行了對比，對該方法準確性進行了驗證。

1 傳統的車身連接點載荷提取方法 1.1 道路載荷譜採集

道路載荷譜的採集一般在試車場強化試驗路段(例如：鵝卵石路、條石路、搓衣板路、坑窪路

等)上進行，分別在車輛前輪和後輪輪心處安裝六分力傳感器和加速度傳感器，測量車輛在各種路

面行駛時輪心 3 個方向承受的力(Fx, Fy, Fz)、力矩(Mx, My, Mz)或轉向節的加速度(Ax, Ay, Az)數據

等。如圖 1、圖 2 所示。

圖 1 試驗車與加速度傳感器



(a) 左側轉向節 X 向加速度響應

(b) 左側轉向節 Y 向加速度響應

(c) 左側轉向節 Y 向加速度響應

圖 2 左側轉向節在 Chuckhole 路面的加速度響應

1.2 通過多體模型的模擬與試驗測試數據對比

由於在實車的路面載荷譜採集的時候，無法同時獲取各個車身連接點的載荷，因此需要通過

其他方法來獲取這些車身連接點的載荷譜。目前通用的方法是通過創建多體模型來提取。為了完

成這項工作，首先需要驗證所創建的多體模型的可靠性，即將模擬分析所獲取的輪胎中心的六向

載荷或者加速度與試驗測試的結果數據進行對比，如果對比結果比較好，則認為該多體模型可以



用於各個車身連接點的載荷提取。圖 3 為左側轉向節 Z 向加速度的對比。

圖 3 左側轉向節 Z 向加速度的對比

1.3 車身各個連接點的載荷提取

經過試驗驗證以後，所創建的多體模型即可用於車身各個連接點的載荷提取。這些車身連接

點位置包括減震器位置，副車架位置，穩定杆位置等等。圖 4 為左前輪減震器彈簧上端車身連接點

的載荷。

(a) 左前輪減震器彈簧上端車身連接點 X 方向載荷

(b) 左前輪減震器彈簧上端車身連接點 Y 方向載荷



(c) 左前輪減震器彈簧上端車身連接點 Z 方向載荷

圖 4 左前輪減震器彈簧上端車身連接點的載荷

2 CAE 提取車身連接點載荷的方法上述傳統的提取車身連接點載荷的方法首先需要通過實車的整車道路試驗，採集輪胎中心的

載荷或加速度，再利用多體動力學分析，將輪胎中心的載荷分解，從而獲取各個連接安裝點。這

種載荷提取方法時間週期較長，而且價格昂貴，同時還必須具備與新設計車相同平臺的實車模型。

本節介紹一種新的整車道路載荷提取方法，通過 eta/PreSys 創建詳細的整車 FE 模型，包括車身、

底盤、輪胎模型以及路面模型，利用 LS-DYNA 分析直接獲取各個車身連接點的載荷

2.1 整車 CAE 模型的創建

2.1.1 整車的參數信息：利用 eta/Presys 創建整車有限元網格模型時，首先需要輸入實車試驗時的整車參數信息。實車

的質量參數信息如表 1 所示，實車的尺寸信息如表 2 所示。

質量(kg) 總質量左側右側

1st 座椅 130 65 65 2nd 座椅 205 105 100 整車 1440 (油箱裝滿油) 前軸 780 390 390 後軸 660 330 330

表 1 实车的质量参数信息

項目尺寸(mm) 整車長度 3915 軸距 2460

前輪距 1460 後輪距 1460 質心高度 630 輪胎 185/60 R15, 壓力：0.22MPa

表 2 實車的尺寸參數信息 2.1.2 底盤的建模

由於本研究只提取各個車身連接點的載荷，而不評價底盤結構件本身的應力水平，因此，可

以將底盤的結構件考慮為剛性體（如果想瞭解底盤結構件的應力或應變水平，則必須賦予底盤結

構件的實際材料屬性。）利用 eta/PreSys 在前後底盤結構件的 CAD 數據上進行網格劃分，得到其

有限元網格模型。必須賦予每個底盤結構件的實際質量。底盤結構件用橡膠襯套進行連接，即 LS-DYNA 中的*ELEMENT_BEAM (ELFORM =6)來定義，

每個橡膠襯套在不同方向上的剛度定義請參照第一節介紹的多體動力學模型。前後底盤的有限元

網格模型如圖 5 所示。



(a) 前懸有限元模型(麥弗遜) (b) 後懸有限元模型(扭力梁)

圖 5 前後懸掛的有限元模型 2.1.3 輪胎的建模

根據實車的實際輪胎尺寸(185/60 R15, 壓力：0.22MPa)，採用 eta/PreSys 前處理軟件創建輪胎

有限元網格模型。創建過程中，需輸入輪胎的尺寸，胎壓以及質量。圖 6 為輪胎有限元模型。

(a) 輪胎結構示意圖 (b) 輪胎有限元模型

圖 6 輪胎有限元模型及結構示意圖

由於輪胎在利用 CAE 提取車身連接點載荷的方法中具有非常重要的作用，輪胎的精度高低，

將直接影響連接點載荷的提取精度。所以，在將輪胎裝配到整車模型之前，需要標定輪胎的剛度：

徑向剛度，側向剛度及轉向剛度等。圖 7 為輪胎剛度標定的示意圖和結果。

(a) 輪胎徑向剛度標定示意圖

(b) 輪胎側向剛度標定示意圖

圖 7 輪胎剛度標定示意圖及標定結果



2.1.4 車身的建模

本研究不涉及車身上件的應力或應變，因此車身結構只創建一個外表面車身，並賦予剛性材

料。但是，車身重量在前後輪上的分佈對模擬結果非常重要。如果輪胎載荷分佈與實車的載荷分

佈不一致，則車身各個連接點的載荷與實車的差異較大。。因此，定義外表面車身時，需要考慮

車身以上的質量、慣性矩以及質心位置等因素。圖 8 為具有與實車相同的質量、慣性矩和質心信息

的外表面車身。車身創建完成後，將其與底盤和輪胎的有限元模型裝配在一起，生成整車級別的有限元模型。

圖 9 為整車有限元模型。

圖 8 車身有限元模型圖 9 整車有限元模型

2.1.5 路面的建模

根據實車在強化路面路試的信息，我們選擇其中一種路面作為輸入，通過 LS-DYNA 的模擬分

析，將模擬的分析結果與實車的試驗結果進行對比。該路面選擇 eta/Presys 裡的 Chuckhole 的強化

路面，且定義為剛性材料。定義剛性路面的長度為 20 米，整車的運動速度為 27.5km/h。圖 10 為 Chuckhole 路面作為輸入

的整車有限元模型。

圖 10 Chuckhole 路面作為輸入的整車有限元模型

2.2 仿真計算結果

2.2.1 運用 LS-DYNA 求解器計算將上述整車有限元模型提交 LS-DYNA MPP 顯式求解器計算分析，具體信息如表 3 所示。

項目計算信息 LS-DYNA 版本 MPP971_S_R6

模型規模單元：520795 節點：521926 單元時間步長 0.9 微秒

計算時間 3.2 秒 CPU 數 8CPU

表 3 有限元计算信息

2.2.2 仿真計算結果 2.2.2.1 輪胎中心的加速度仿真計算結果與實車試驗的對比

為了通過 CAE 的方法獲取可靠的各個車身連接點的載荷，首先需要比較了輪胎中心的加速度

的計算值與試驗值。圖 11 為左前輪輪胎中心(輪轂)加速度對比。



(a) 左前輪輪胎中心(輪轂) (b) X 方向加速度對比

(c) Y 方向加速度對比 (d) Z 方向加速度對比

圖 11 左前輪輪胎中心(輪轂)加速度對比(綠色-試驗曲線, 紅色-CAE 曲線)

通過上述左前輪輪胎中心(輪轂)的加速度對比曲線可以看出，X，Y，Z 三個方向的加速度的

CAE 模型值與試驗的測試值吻合度比較好。 2.2.2.2 車身連接點的載荷提取仿真計算結果與實車試驗的對比

在保證輪胎中心的三個方向載荷的 CAE 仿真結果與實車的測試結果基本一致的基礎上，對比

車身連接點的載荷的計算值與試驗值。圖 12 為左前輪減震器彈簧上端車身連接點載荷對比。

(a) 左前輪減震器彈簧上端車身連接點 (b) X 方向載荷對比



(c) Y 方向載荷對比 (d) Z 方向載荷對比

圖 12 左前輪減震器彈簧上端車身連接點載荷對比(綠色-試驗曲線, 紅色-CAE 曲線)

通過上述減震器彈簧上端車身連接點載荷對比曲線可以看出，X，Y，Z 三個方向的載荷的

CAE 模型值與試驗的測試值吻合度比較好。

2.3 結果與分析

通過上述的輪胎中心的加速度仿真計算結果與實車試驗的對比以及車身連接點的載荷提取仿

真計算結果與實車試驗的對比可以得出： (1) 整車的有限元網格模型與實車的狀況很接近，且通過模擬獲取的結果與傳

統的方法獲取的結果吻合較好； (2) 本文提出的利用 LS-DYNA 求解直接獲取車身各個連接點的載荷的方法，

適用於整車設計開發階段，利用所獲取的車身各個連接點的載荷進行強度分析和疲勞分析； (3) 該 CAE 方法可以大大縮短時間週期，而且不依賴於實車模型。

參考文獻 [1] 編輯委員會. 汽車工程手冊–試驗篇. 北京: 人民交通出版社 [2] 胡志剛, 面向虛擬試車場(VPG) 技術的路面模擬系統研究, 《華中科技大學》 [3] LS-DYNA KEYWORD USER’S MANUAL. Version 971, LSTC [4] PreSys 2012R3(Beta) USER’S MANUAL, ETA



軌道車輛氣液緩衝器 LS-DYNA 建模及超大規模列車碰撞分析

李本懷 1，朱耀輝 2 （1 長春軌道客車股份有限公司，長春 130062）

（2 奧雅納(ARUP)工程諮詢有限公司，上海 200031）摘要：氣液緩衝器是軌道客車車鉤重要組成部份，用於車輛間的緩衝和吸能，可以在牽引、

制動及低速撞擊時耗散車輛的衝擊能量。對照氣液緩衝器的靜態和動態特性，本文使用 LS-DYNA中的 MAT_HYDRAULIC_GAS_DAMPER_DISCRETE_BEAM 材料，分別得出靜態特性和不同速度

下的動態特性。在此基礎上，建立了梁-質量的列車碰撞模型和詳細的兩列八節編組列車對撞有限

元模型，模型總單元規模為兩千八百萬。

關鍵詞：氣液緩衝器，軌道客車，超大規模軌道交通近年來在中國快速發展，包括地鐵、動車、高鐵在內的各種軌道交通工具都在成為

人們出行的常用交通工具，因此對其設計計算的需求也隨之增長。軌道車輛因其體積龐大和相互

作用時間長，進行整列列車的碰撞分析存在一定技術上的瓶頸，包括有限元模型規模巨大對計算

機和求解器的需求，長時間計算的結果文件多且佔用空間大對前後處理軟件的要求等。隨著計算

機並行計算能力、CPU 速度和客戶端內存管理能力的提高，計算並處理超大規模型的 CAE 模型成

為可能，為滿足軌道列車的設計開發，本文對此類問題進行嘗試，並探索出一套可以用於工程分

析可行的方法。

1 氣液緩衝器模型

氣液緩衝器是軌道列車中的重要抗振動和衝擊部件，在列車連接、牽引、緊急制動時耗散車

輛的衝擊能量，保護列車的結構。LS-DYNA 的 MAT_070 號材料是一種具有孔隙效應的混合氣體

液體阻尼器材料，使用離散梁單元可以模擬氣液緩衝器的靜態和動態特性，下圖是氣液緩衝器的

結構示意圖：

圖 1 氣液緩衝器幾何結構示意圖

緩衝器的壓縮過程分為兩個階段，第一階段是氣體被壓縮一小段距離，第二個階段是油液從

一個腔室從孔隙被擠壓到另一個腔室。活塞的截面為曲面，因此孔隙的面積隨著緩衝器被壓縮的

行程而變化。緩衝器單元在 LS-DYNA 中的力學方程為：

F = SCLF × {𝐾ℎ (𝑉

𝑎0)2+ [𝑃0 (

𝐶0

𝐶0−𝑆)𝑛− 𝑃𝑎] 𝐴𝑝} (1)

其中： S 是梁單元被壓縮的距離 V 是梁單元的相對壓縮速度是氣缸長度是孔隙面積是緩衝器截面面積



是大氣壓力是氣缸初始氣體壓力緩衝器提供的緩衝力與速度的平方成正比，與孔隙的面積成反比。為測試緩衝器動力學特性，

分別以准靜態、5m/s、10m/s 的速度壓縮緩衝器，得到如下靜態和動態特性曲線。

（a）氣液緩衝器靜態特性（b）氣液緩衝器動態特性

圖 2 氣液緩衝器力學特性

從靜態特性曲線可以看到，在准靜態壓縮做用下緩衝器表現出傳統的緩衝器力學特性，前

段為氣體被，故壓縮阻抗力較小，後端顯著增加為液體開始壓縮。而在動態壓縮的工況下，緩衝

器表現為完全不同的動力學特性，初始被壓縮既提供了較高的阻抗力並在壓縮的全程都能保持此

壓縮力，且阻抗力隨著壓縮速度增加而提高。在壓縮行程的後段，隨著壓縮速度的降低，緩衝器

又表現為准靜態的特性。

2 簡化列車模型

在氣液緩衝器單元的基礎上，建立了簡化的兩列八節編組的列車碰撞模型，其中一列列車靜

止，另一列列車以 10km/h 的速度通過氣液緩衝器撞擊並與靜止的列車連接為一列十六節編組的列

車。下圖為模型示意圖和有限元模型：

圖 3 簡化的兩列八節編阻列車碰撞模型示意（上）及有限元模型（下）

有限元模型採用梁-質量單元構成，不考慮列車車廂的剛度，考查氣液緩衝器在列車碰撞時的

動力學特性，從左到右將氣液緩衝器編號為 1 到 11，其中第 6 號氣液緩衝器連接兩列列車，由此

可以得到氣液緩衝器的力與被壓縮位移關係以及時間歷程。碰撞過程持續約 1 秒鐘後兩列列車合併

為一列列車並以 1.4m/s 的速度前進。氣液緩衝器共吸收了 49.8%的動能，最大的阻抗力為 647kN，

發生在第五號氣液緩衝器處，連接兩列列車的第六號緩衝器最大阻抗力為 597kN 並明顯表現為動

態壓縮特性。

圖 4 氣液緩衝器的力與被壓縮位移關係曲線圖 5 氣液緩衝器阻抗力時間歷程



3 超大規模列車模型

根據 CRH380B 型高鐵列車建立了 8 節編組與 8 節編組對撞模型，共包含 2867 萬單元。分析

工況為一列列車以 36km/h 的速度撞擊另一列靜止的列車。列車為全鋁結構，包含牽引車、餐車和

客車三種車型，同列列車間使用氣液緩衝器連接，並包含前後轉向架結構。使用 Oasys/Primer 完成模型的組裝，並通過 INCLUDE 的方式管理此超大規模模型，可以方便

的更改、替換車廂或移動不同車廂的位置，節省了前處理時間並降低模型出錯風險。

圖 6 列車 LS-DYNA 模型

使用 420CPU LS-DYNA 並行計算，分析總時間為 1.6 秒，共花費 CPU 時間 63 小時 7 分鐘，

計算結果包含 402 個 d3plot 計 1400G 和 13.2G 的 binout。分別使用 Oasys/D3plot 和 THIS 完成了模

型變形和數據的後處理。

圖 7 16 節列車速度時間歷程曲線

(a)兩列車交界處 (b)動車一、二節處 (c) 動車二、三節處

(d)動車三、四節處 (e)動車四、五節處 (f)動車五、六節處

圖 8 運動列車連接處 1.6 秒時刻變形圖

列車經過約 1.2 秒完成碰撞過程並以 4m/s 的速度向前運動，靠近兩列列車碰撞中心的三列車

廂速度變化劇烈，而其他十節車廂速度變化較平緩。對照車廂連接處的變形，前三節車廂已經發

生車體間的碰撞，其他位置的車廂通過氣液緩衝器沒有發生車體間的接觸，保持了車體的完整性

和安全性。

4 總結

通過 LS-DYNA 的 MAT_70 建立了氣液緩衝器模型，在此基礎上完成了簡化的梁-質量列車碰



撞模型和完整的列車有限元碰撞模型。氣液緩衝器及列車簡化模型提供了一種快速進行列車能量分配的方法，可以在短時間內通過

參數化的模型完成不同緩衝器、不同列車車型、編組數量、質量等分析需求。超大規模列車碰撞模型的建立和計算，為進行規模巨大的列車詳細有限元模擬分析走通了一

條探索之路，解決了超大規模模型的建摸、管理、遞交計算和前後處理問題，證明近三千萬單元

的模型可以在三天內完成超過 1.5 秒的分析，可以滿足工程分析的時間要求。

参考文献

[1] Oasys® PRIMER11.0 User Manual. Ove Arup& Partners Ltd: Solihull, UK, 2013. [2] LS-DYNA® Keyword User’s Manual, Version 971. Livermore Software Technology

Corporation (LSTC): Livermore, CA 94551-5110, USA, May 2007



Hybrid III 5 分位假人有限元模型在後排乘員

正面碰撞仿真中的應用

胡佳，孔智勇，劉奇，翁佳怡，梁永，蘇醒（上海汽車集團股份有限公司技術中心，上海 201804）

摘要：應用 LSTC 的 Hybrid III 5 分位有限元假人，建立了後排乘員碰撞仿真模型。在整車 50kph全寬正面剛性牆碰撞試驗中，後排乘員一般不會受到因車內部件侵入而造成的傷害。在建立後排

乘員碰撞仿真模型過程中，選取了後排座椅板、後排安全帶卷收器安裝板及後排安全帶、後排座

椅和前排座椅這些相關部件；將座椅板和安全帶卷收器安裝板周邊全約束，將前排座椅固定點全

約束，給假人以碰撞試驗獲得的波形。通過對比仿真和試驗獲得的 Hybrid III 5 分位假人的頭部、

胸部、髖部加速度，頸部力，胸部壓縮量及大腿力，發現仿真的胸部壓縮量和胸部加速度與試驗

最接近，而頸部力與試驗相差較大。

关键词：後排乘員，Hybrid III 5 分位假人，有限元模型，正面碰撞在被動安全領域，駕駛員和前排乘員安全一直是碰撞法規和 NCAP 評價車輛對車內乘員保護

的核心內容。然而近年來，後排乘員安全也開始備受關注。據日本汽車聯盟 JAF 於 2005 年對日本

的調查統計數據，前排乘員的安全帶使用率為 92.4%，遠高於後排乘員的安全帶使用率 8.1%[1]。對

於使用 3 點式安全帶的後排乘員，因安全帶肩帶造成的胸部傷害是最主要的傷害；而對於未使用安

全帶的後排乘員，頭部和下肢傷害是最常見的，主要原因是頭部和下肢與前排座椅、B 柱或其它內

飾件等的撞擊造成的[2,3]。 2009 年 JNCAP 將後排乘員安全納入其評價體系。在 64kph 正面偏置碰撞試驗中，駕駛座放置

Hybrid III 50 分位假人，後排非撞擊側放置 Hybrid III 5 分位假人。對後排假人考察其頭部是否與車

內硬物發生撞擊，以及頸部拉力、胸部壓縮量和大腿力；另外，用安全帶腰帶內外側是否發生上

滑來評價腹部傷害。從 2009 年和 2010 年 17 輛車的 JNCAP 測試結果來看，後排 HIII 5 分位假人的

頸部力平均值為 2.55kN，胸部壓縮量平均值為 45.6mm[4]。 C-NCAP 於 2012 年 7 月開始考核測試車輛的後排乘員安全，包括 50kph 全寬正面剛性牆碰撞

（以下簡寫為 50FFB），64kph 正面偏置碰撞（以下簡寫為 64ODB），50kph 側面碰撞（以下簡寫為

50MDB）3 個試驗。每個試驗的後排乘員得分滿分為 2 分，共計 6 分[5]。從 2012 年 7 月至 2013 年

4 月的 C-NCAP 測試車輛結果來看，50FFB 平均得分 1.13 分，64ODB 平均得分 0.46 分，50MDB平均得分 1.90 分。

Euro NCAP 計劃於 2015 年新增 50kph 全寬正面剛性牆碰撞試驗，評價前後排 HIII 5 分位假人

傷害[6]。後排乘員保護正逐步被各國 NCAP 納入乘員安全評價體系。在對後排乘員進行傷害分析以

及後排乘員約束系統的開發過程中，建立可靠的仿真模型是很關鍵的。本文應用 LSTC 的 HIII 5 分

位有限元假人，建立了後排乘員碰撞仿真模型。通過對比仿真和試驗獲得的 HIII 5 分位假人的頭部、

胸部、髖部加速度，頸部力，胸部壓縮量及大腿力，發現仿真的胸部壓縮量和胸部加速度與試驗

最接近，而頸部力與試驗相差較大。

1 模型建立

以一次 50kph 全寬正面剛性牆碰撞試驗為對標試驗。在該試驗中，後排左側座位放置了 HIII 5分位假人。試驗採集了安全帶肩腰帶力，假人頭部、胸部、髖部加速度，頸部力和力矩，胸部壓

縮量及大腿力，採樣頻率為 10,000/s。對各通道按照 C-NCAP[5]中的要求分別進行了濾波。建立了該試驗的有限元（FE）仿真模型。模型主要包括車身部件、內飾部件和假人三部分。

車身部件選取了後排座椅板和後排安全帶卷收器安裝板，另外，為觀察假人相對於乘員艙的運動，

在模型中加入了側圍；內飾部件包括後排安全帶和鎖扣、後排座椅坐墊及前排座椅骨架；假人用

的是 LSTC 開發的 Hybrid III 5th percentile FE dummy，其名稱是

LSTC_NCAC.H3.05th.120619_Alpha Dummy Model。仿真模型如圖 1 所示。整個模型的單元數為



47 萬個單元，節點數為 27 萬個節點。

圖 1 FE 仿真模型

1.1 車身部件

車身部件模型包括後排座椅板、後排安全帶卷收器安裝板以及側圍（見圖 1）。側圍是為便於

觀察假人相對於乘員艙的運動。在試驗中擺放假人時發現其腳部不能完全貼著地面，只是鞋跟與

地毯稍有接觸，並且在仿真模型中的假人雙腳都未接觸地板，因此模型中未添加地板模型。

1.2 內飾部件

內飾部件包括後排安全帶和鎖扣、後排座椅坐墊及前排座椅骨架（見圖 1）。在正面碰撞過程

中，後排座椅靠背對假人向前的運動影響很小，因此未建立後排座椅靠背模型。但由於安全帶卷

收器出口貼著靠背頂端，如圖 2 所示，靠背頂端對安全帶起到支撐作用，並且與假人運動過程中的

安全帶之間存在摩擦力，因此在靠背頂端位置建了一段支撐杆，用於模擬靠背頂端對安全帶的支

撐和摩擦作用。後排安全帶模型由二維殼單元（*MAT_FABRIC）和一維安全帶單元（*MAT_SEATBELT）建

模。安全帶鎖扣由鎖頭和固定支架兩部分構成。鎖頭用體單元（*MAT_RIGID）建模，固定支架用

殼單元（*MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY）建模，且在固定片和連接杆之間設置了繞 y軸轉動的鉸鏈，如圖 3 所示。後排座椅坐墊用體單元（*MAT_LOW_DENSITY_FOAM）建模。

圖 2 安全帶卷收器出口位置圖 3 鎖扣模型

1.3 假人模型

仿真模型中應用了 LSTC 開發的 Hybrid III 5th percentile FE dummy，其名稱是

LSTC_NCAC.H3.05th.120619_Alpha Dummy Model。該模型的頭文件中說明了對模型的 3 次更新，

第 1 版發佈於 2010 年 10 月，說明了整個模型除空殼單元外的單元數為 198,000 個單元，給出了各

傷害值曲線的讀取方法。第 2 版發佈於 2010 年 12 月，主要更新了 Thorax Jacket 和 Chest pad，並

指出胸部標定擺錘試驗的仿真結果很準確，擺錘質量為 13.97kg，以 6.71m/s 的速度撞擊胸部，其

胸部力與位移曲線完全落在給定的區間內，而對於其它部位的標定未提及。第 3 版發佈於 2012 年

侧围

后排座椅板

安全带卷收器安装板

前排座椅骨架

后排座椅坐垫

安全带

HIII 5分位假人

锁扣

安全带卷收器出口

锁头

固定支架

转动铰

后排座椅板



6 月，只是對 2 個節點集做了修改，該節點集是將 upper leg metal 和 Hip joint metal 連接的 spider constraints。

2 仿真結果

FE 仿真模型在超性能計算中心上用 8CPU 計算 150ms 耗時 12 小時，用的求解器版本是

LSDYNA_mpp971_s_R6.1。仿真與試驗的假人姿態如圖 4（a）至圖 4（e）所示。試驗中車輛與假

人胸部和髖部的 x 向速度、位移及假人胸部和髖部相對於車輛的位移分別如圖 5（a）至 5（c）所

示。25ms 時，假人向前的移動量還很小 15mm（見圖 5（c）），安全帶力剛開始作用於假人。50ms時，假人髖部向前移動了 125mm（見圖 5（c）），小腿向前甩動，且下半部接觸到前排座椅底部，

頭部開始向下轉動。75ms 時，髖部已經達到最大位移 249mm（見圖 5（c）），假人上半身前傾，頭

部向下轉動到面朝下方，但下巴還未接觸到胸部。100ms 時，假人已回彈，仿真中假人回彈早於試

驗，但頭部仍繼續向下轉動，與胸部保持接觸。仿真中有個異常狀況是從 50ms 開始腹部海綿塊在

肩腰帶力的擠壓下從胸部夾克（Thorax jacket）和髖部之間的間隙中向外突出，到 75ms 時腹部海

綿塊向上翻轉 90 度且大部分位於 Thorax jacket 外面，到 100ms 時幾乎整個掉出來。仿真與試驗的安全帶肩帶力如圖 6 所示。從 25ms 開始上升到 73ms 達到峰值 9kN。然而仿真

的肩帶力峰值持續了 10ms（73ms 至 83ms）,這與腹部海綿塊的移動有關。胸部壓縮量如圖 7 所示。

從 35ms 開始上升到 73ms（仿真）/80ms（試驗）達到峰值 46mm。肩帶力是胸部壓縮量最主要和

最直接的影響因素。從 HIII 5 分位物理假人的胸部標定試驗可知，例如當擺錘以 6.77m/s 的速度撞

擊假人胸部時，其產生的撞擊力為 4.43kN，而胸部壓縮量能達到 51mm。而本次試驗中肩帶力達

9kN，其作用於胸部的法向分力足以使胸部壓縮量達到較大值。

(a) 0ms

(b) 25ms

(c) 50ms



圖 4 試驗與仿真的不同時刻的假人姿態

圖 5(a)車輛與假人胸部圖 5(b)車輛與假人胸部圖 5(c)假人胸部和髖部

和髖部速度和髖部位移相對於車輛的位移

圖 6 安全帶肩帶力圖 7 胸部壓縮量

頭部 x 向和 z 向加速度如圖 8（a）（b）所示。需要指出的是仿真的加速度只有通過濾波頻率

等級 CFC 60 濾波才能得到與試驗相近平滑程度的曲線。濾波後的加速度曲線位於原始數據的中心

位置，無異常。仿真與試驗的頭部 x 向和 z 向加速度峰值都相差較大。試驗中假人頸部戴著脖套，

但其對頭部加速度的影響應該並不大。頭部除接觸到胸部和手臂外，未與車內其他部件接觸。在頭部與胸部和手臂接觸之前，頸部

力等於頭部慣性力（忽略頭部重力），可由頭部加速度計算得出。圖 9 所示為試驗的頸部力和從頭

部加速度計算得到的頭部慣性力，可以看出頸部剪切力與頭部 x 向慣性力比較接近；而頸部軸向力

與頭部 z 向慣性力在 75ms 之前很接近，而 75ms 之後由於下巴與胸部接觸的外力影響，頸部力不

再等於頭部慣性力。圖 10（a）（b）所示為頸部剪切力 Fx 和拉力 Fz。相對於仿真的頸部力的輸出

值，用頭部加速度計算得到的頸部力（在下巴與胸部接觸之前的時間段）與試驗更接近。

-5

0

5

10

15

0 0.05 0.1 0.15

Ve

loci

ty (m

/s)

Time (s)

Vel v Pelvis v Chest v

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 0.05 0.1 0.15

Dis

pla

cem

en

t (m

)

Time (s)

Vel dis Pelvis dis Chest dis

-0.05

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0 0.05 0.1 0.15

Re

lati

ve d

isp

lace

men

t (m

)

Time (s)

Pelvis relative dis Chest relative dis

-2000

0

2000

4000

6000

8000

10000

0 0.05 0.1 0.15

Be

lt fo

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(N

)

Time (s)

FE simulation test

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

0 0.05 0.1 0.15

che

st d

efl

ect

ion

(m

m)

Time (s)

FE simulation test

(d) 75ms

(e) 100ms



圖 8(a) 頭部 x 向加速度圖 8(b) 頭部 z 向加速度

圖 9(a) 試驗頭部 x 向慣性力和頸部剪切力圖 9(b) 試驗頭部 z 向慣性力和頸部拉力

圖 10(a) 頸部剪切力 Fx 圖 10(b) 頸部拉伸力 Fz

胸部和髖部的 x 向和 z 向加速度如圖 11（a）（b）和圖 12（a）（b）所示。仿真的胸部和髖部

的 x 向加速度與試驗比較接近，但 z 向加速度與試驗相差較大。將通過對坐墊材料靜壓試驗進行仿

真來改善坐墊材料模型的仿真輸入。左右大腿力如圖 13（a）（b）所示。右側大腿力在 87ms 的第

二個峰值是由於小腿接觸到前排座椅底部導致右側小腿單元變形引起的。

圖 11(a) 胸部 x 向加速度圖 11(b) 胸部 z 向加速度

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

0 0.05 0.1 0.15

Acc

ele

rati

on

(g)

Time (s)

FE simulation test

-20

0

20

40

60

80

100

0 0.05 0.1 0.15

Acc

ele

rati

on

(g)

Time (s)

FE simulation test

-1800

-1600

-1400

-1200

-1000

-800

-600

-400

-200

0

200

400

0 0.05 0.1 0.15

Up

pe

r n

eck

Fx

(N)

Time (s)

From head x acc_test Neck Fx_test

-500

0

500

1000

1500

2000

2500

0 0.05 0.1 0.15U

pp

er

ne

ck F

x (N

)

Time (s)

From head z acc_test Neck Fz_test

-4000

-3500

-3000

-2500

-2000

-1500

-1000

-500

0

500

1000

0 0.05 0.1 0.15

Up

pe

r n

eck

Fx

(N)

Time (s)

From head x acc_simu Neck Fx_simu Neck Fz_test

-3000

-2000

-1000

0

1000

2000

3000

4000

0 0.05 0.1 0.15

Up

pe

r n

eck

Fz

(N)

Time (s)

From head z acc_simu Neck Fz_simu Neck Fz_test

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

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0

10

20

30

0 0.05 0.1 0.15

Acc

ele

rati

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FE simulation test

-20

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-5

0

5

10

15

20

0 0.05 0.1 0.15

Acc

ele

rati

on

(g)

Time (s)

FE simulation test



圖 12(a) 髖部 x 向加速度圖 12(b) 髖部 z 向加速度

圖 13(a) 左側大腿力圖 13(b) 右側大腿力

3 問題分析

在應用 LSTC 的 HIII 5 分位假人有限元模型進行後排乘員碰撞仿真分析過程中，發現仿真的加

速度只有通過濾波頻率等級 CFC 60 濾波才能得到與試驗相近平滑程度的曲線。濾波後的加速度曲

線位於原始數據的中心位置，無異常。仿真模型用的濾波等級與試驗不同，需要在假人模型中給

出各通道所適用的濾波頻率說明。仿真中有個異常狀況是腹部海綿塊在肩腰帶力的擠壓下從胸部夾克（Thorax jacket）和髖部之

間的間隙中向外突出，幾乎整個掉出來，而物理試驗中未發生這種情況。腹部海綿塊是塞在

Thorax jacket 與髖部之間的空腔裡的，模型中海綿塊與其它部件的接觸只被包含在假人除腳之外的

自接觸中（*CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE）。因為仿真中出現腹部海綿塊脫離現

象，應該給腹部海綿塊與 Thorax jacket之間單獨定義接觸。仿真的頸部力和力矩的輸出值與試驗相差較大。模型中頸部力的輸出是通過

*DATABASE_CROSS_SECTION_SET 來定義的。考慮是否應該建立頸部力輸出 Beam 單元，用

*DATABASE_HISTORY_BEAM 來定義頸部力輸出，另外假人模型說明文件中未給出頸部標定數

據，無法確定頸部模型的準確性。

4 結論

通過建立後排乘員碰撞仿真模型並對標整車 50kph 全寬正面碰撞試驗，得到以下結論： 1）仿真與試驗的假人姿態比較相似，但仿真中假人回彈比試驗早； 2）仿真的胸部壓縮量和胸部加速度與試驗接近； 3）仿真的頸部力輸出值與試驗相差較大，在頭部與胸部接觸之前的頸部力可以通過頭部加速

度計算得到。下一步工作將對假人模型的腹部海綿塊接觸和頸部力輸出以及車輛坐墊材料模型進行改善，

以提升模型的準確性。

參考文獻

[1] Mizuno K., Ikari T., Tomita K., Matsui Y., Effectiveness of seatbelt for rear seat occupants

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Acc

ele

rati

on

(g)

Time (s)

FE simulation test

-50

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0

10

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0 0.05 0.1 0.15

Acc

ele

rati

on

(g)

Time (s)

FE simulation test

-1000

-500

0

500

1000

1500

2000

2500

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0 0.05 0.1 0.15

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FE simulation test

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FE simulation test



in frontal crashes, 20th ESV, 07-0224, 2007. [2] Parenteau C., Viano D., Field data analysis of rear occupant injuries part I: adults and

teenagers. SAE Paper 2003-01-0153, 2003. [3] Kuppa S., Saunders J., Fessahaie O., Rear seat occupant protection in frontal crashes, 19th

ESV, 05-0212, 2005. [4] JNCAP New Car Assessment 2011.3 www.nasva.go.jp [5] C-NCAP 管理規則（2012 版） www.c-ncap.org.cn [6] Euro NCAP FFB Draft Test and Assessment Info www.euroncap.com



千萬單元級模型的 LS-DYNA MPP 並行計算

潘鋒 1，楊佳穎 2，Jason Wang3，魯宏升 1 （1 上海恒士達科技有限公司，上海 201203 www.hengstar.com）

（2 四川大學軟件學院，成都 610065） (3 Livermore Software Technology Corp., Livermore, CA 94550,USA)

摘要：LS-DYNA 軟件擁有超強的分布式並行（MPP）計算功能，在汽車碰撞、金屬成形等大

規模模型模擬中得到廣泛有效的應用。本文討論分析並行計算中影響計算時間的主要因素，比如

模型單元數量、模型接觸設置、模型分塊等；同時也討論千萬單元級模型並行計算的特點，如模

型初始化、模型調試等。通過兩列 8 節編組的城軌列車有限元碰撞模擬，為千萬單元級模型碰撞模

擬的 MPP 並行計算提供可借鑒的方法。

關鍵詞：LS-DYNA；並行計算；碰撞模擬高性能計算在眾多關鍵領域，如航空航天、能源、氣象、勘探、汽車等有著重要的應用。隨

著處理器多核技術的迅速發展，高性能並行處理技術將會有更為廣泛的應用和普及。在汽車行業，

CAE 仿真貫穿整個汽車開發過程，包括結構、流場、多體動力學、被動安全、工藝、整車性能等

方面的計算。隨著汽車設計對 CAE 仿真精度要求的日益提高，CAE 的計算規模和模型複雜程度也

迅速加大，絕大多數 CAE 軟件都需要在高性能服務器上進行計算以縮短計算時間。 LS-DYNA 是一款應用最為廣泛的汽車碰撞安全非線性仿真的主流軟件，從上世紀 90 年代開

始進行大規模並行計算（MPP）的研究開發。LS-DYNA 的第一個 MPP 有限功能版在 1993-1994 年

實現[1]。1998 年左右，某美國汽車主機廠開始使用 LS-DYNA MPP 計算，單次碰撞模擬時間從幾

天縮減到幾個小時，為並行計算的大規模使用提供了開創性的嘗試。隨著詳細氣囊模型、假人有

限元模型和壁障模型逐漸加入至汽車碰撞仿真中，整車碰撞模型的單元數量成倍增加，使得高性

能的大規模並行計算成為碰撞模擬的唯一手段。在中國，從 2010 年初開始，LSTC 和上海恒士達

科技有限公司合作進行 MPP 應用的大力推廣，舉行多次 LS-DYNA MPP 的培訓、現場指導和技術

交流，目前 90%以上的國內汽車主機廠使用 LS-DYNA MPP 來完成汽車碰撞模擬分析。本文介紹影響計算時間的三個主要因素，包括並行計算的硬件、並行計算方法和工程問題的

模型大小及模型分塊等。通過千萬單元級兩列 8 節編組城軌車對撞模擬分析不同核數並行計算下的

計算時間與加速度，為後續進一步的應用提供可借鑒的方法。

1 並行計算介紹並行計算的主要目的是在有限時間內解決複雜的工程計算問題，仿真時間主要由並行計算的

硬件、並行計算方法（軟件）、和並行計算所解決的工程問題（模型的大小、模型的分塊等）決定。

1.1 並行計算的硬件

並行計算的硬件由初期的並行向量機（PVP），發展到對稱多處理機系統(SMP)，分佈共享存

儲系統(DSM)，大規模並行計算機系統(MPP)，以及現在普遍使用的集群系統(Cluster)，如圖 1 和

圖 2 所示。集群系統中每個節點都是一個完整的計算機且有完整的操作系統，各個節點通過高性能

網絡（如 InfiniBand）相互連接。每個結點可包含多個商用微處理器、結點內部共享存儲、結點間

分佈存儲。在各個結點上，可採用 Linux 操作系統和作業管理系統，具有良好的擴展性能。我國天

河二號超級計算機系統由 170 個機櫃組成，包括 125 個計算機櫃、8 個服務機櫃、13 個通信機櫃和

24 個存儲機櫃，內存總容量 1400 萬億字節，存儲總容量 12400 萬億字節，以每秒 33.86 千萬億次

的浮點運算速度。



圖 1 並行計算機體系架構（TOP500 發佈信息）

圖 2 高性能計算集群 Cluster

一個並行計算由多個並行任務組成，每個並行任務擁有自己的數據且對其進行計算操作，並

行任務之間數據的交換是通過顯式的消息傳遞語句來實現。因此整個並行計算所需的時間包括

CPU 的計算時間和網絡通信（數據交換）時間。網絡設備的帶寬和延遲是決定網絡通信時間的主

要因素。帶寬大，傳輸同樣數據所需時間少，延遲小，則等待時間會降低，有助減少通信時間[2]。結點之間 InfiniBand 是目前常用的連接方法，保證並行計算的加速比。

1.2 並行計算的軟件 LS-DYNA

從上世紀 90 年代 LSTC 開始進行大規模並行計算（MPP）的研究開發介紹，LS-DYNA MPP使用 MIND 類並行的算法[3]，可以在 Linux 和 Windows 操作系統上使用，採用 Intel MPI，Platform MPI（HP-MPI），OPEN MPI，MPICH MPI，LAM MPI 等消息傳遞界面作為並行程序開發環境。

LS-DYNA MPP 已廣泛使用於汽車碰撞和金屬成形的模擬，可以在幾個小時內完成一次碰撞分析，

極大地縮短了汽車開發週期和開發成本，如圖 3 所示。採用 LS-DYNA 971 R4.2.1 MPP 版本，對於

157 萬單元的整車剛性牆正面碰撞模擬，可以在 6.5 個小時(16 核並行計算)，甚至更短時間如 4 個

小時內完成。LS-DYNA MPP 並行計算可以用於顯式計算，同時也可用於隱式計算，如大規模模型

的特徵值及特徵向量的求解和模態分析等[4]。



圖 3 整車正面碰撞模擬

表 1 整車正面碰撞模擬的計算時間

過去十年中，計算機芯片的核數在不斷增加，而芯片的主頻沒有很大的改變。為了實現在大

規模（500 核）的計算集群系統下的並行計算加速比，LSTC 最近開發了混合並行版 LS-DYNA HYBRID SMP/MPP[5]。混合並行版在芯片之間為 MPP 運算，在芯片內為 SMP 運算，這可以減少

網絡上的數據交換傳送，在 500 核以上的計算中實現更好並行計算的加速比。對於 NEON 100 萬單

元模型（105.6 萬殼單元，130 梁單元，2852 實體單元），模型採用 1 個自接觸定義，終止時間為

80ms，採用選擇質量縮放方法，時間步長 3.618 微妙（3.618e-06 秒），沒有數據輸出。計算中採用

1 個 CPU 進行模型預分塊，128*2*4=1024 核，採用 Intel Xeon X5670（2.93GHz）處理器，經過測

試 Hybrid LS-DYNA MPP 可以在 5 分鐘完成一個模擬。LS-DYNA MPP 也在進行混合 GPU/CPU 的

研究開發，使用 CPU 作為 MPP 引擎，大量的重複計算發送到 GPU 作為 SIMD 引擎，進一步提高

加速比。對於高性能計算集群 Cluster 來說，高效合理使用硬件資源變得十分重要。LSF(Load Sharing

Facility)、PBS(Portable Batch System)、OpenPBS（Torque）、SGE 等可以用於系統的作業調度。圖

4 是界面友好的作業提交及管理系統，可以有效用於 LS-DYNA 及其他 CAE 軟件的任務提交。簡

化作業提交過程，進行自動排隊，提高工作效益和硬件資源的使用效率。

圖 4 作業提交系統

1.3 並行計算所解決的工程問題及計算時間成本

自從 1983 年左右開始，大概 8000 個單元的整車有限元模型用來汽車碰撞安全性能的研究，到

目前汽車的模型已細化到幾百萬的單元。由於考慮假人模型、多尺度的焊接點模型、材料的斷裂

失效、氣囊展開和詳細壁障模型等，汽車模型的單元數以每兩年增加近一倍的速度在遞增；這對

在有限時間內完成碰撞模擬的 CAE 軟件（LS-DYNA）提出了苛刻的要求，首先軟件本身要採用高

效的計算算法，其次在增加並行計算的計算資源（核數增加）時，需要保證一定的並行加速比。

從圖 5 所示的 144 核並行計算的時間分配可知整個計算時間主要可以分為：初始化時間、單元處理

時間、接觸處理時間、數據讀寫時間、剛體計算時間等。

模型大小(model size) 157万单元 (1.57Million elements)

碰撞类型(crash type) 正面刚性壁碰撞 (Rigid wall Crash)

碰撞模拟时间(simulation duration) 150ms (150 ms)

时间步长设置(time step) 1.0E-6 (1.0E-06 Second)

运行时间(computational time) 6小时34分钟(6 hours, 34 minutes)

计算机系统配置(server system)基于IB的共享内存服务器（共16核）

E5550 2.66GHz 48G内存(IB-BASED Share Memory Server, 16 cores)

模型大小(model size) 157万单元 (1.57Million elements)

碰撞类型(crash type) 正面刚性壁碰撞 (Rigid wall Crash)

碰撞模拟时间(simulation duration) 150ms (150 ms)

时间步长设置(time step) 1.0E-6 (1.0E-06 Second)

运行时间(computational time) 6小时34分钟(6 hours, 34 minutes)

计算机系统配置(server system)基于IB的共享内存服务器（共16核）

E5550 2.66GHz 48G内存(IB-BASED Share Memory Server, 16 cores)



圖 5 某模型 144 核並行計算的計算時間分配

單元處理時間主要用於單元、材料、積分點（2 號殼單元一個積分點，16 號殼單元四個積分

點）、節點力的處理，這部分由於模型的分塊和分佈內存處理，相互之間的數據交換相對較少。在

LS-DYNA MPP 並行計算的分塊時已考慮單元處理時間並被自動加權，因此無需用戶特殊處理就可

以擴展到非常多的處理器。初始化時間用於模型的分塊和有限元計算的其它初始設置。LS-DYNA MPP 模型的分塊在一個

核上進行，為了節省計算時間，可以對模型進行預分塊並在後續的計算中使用。對於非常大的模

型，在一個核上進行分塊需要很大的內存。對一般高性能計算集群 Cluster 而言，每個核的內存都

不會很大，這就要求在擁有大內存的單核機器上進行模型並行計算預分塊處理。對於大規模模型，

用單精度版的 MPP 會有最大內存的限制，可以採用雙精度版的 MPP 進行分塊而避免內存的約束。剛體計算時間在模擬分析中所占的時間相對較少，但隨著並行計算核數的增加，計算花費時

間基本上變化不大。數據讀寫時間會與模型的大小和數據的輸出頻率有關，本文不詳細討論這個

問題。接觸處理所需時間不但與初始模型的設置有關，同時也與模型的物理變形有關，因此接觸算

法中的數據交換會隨著物體的變形而改變，在模型的並行計算初始分塊中無法自動考慮問題的具

體變形。LS-DYNA 提供了模型並行計算分塊的設置，可以儘量平衡每個核（計算節點）處理接觸

的時間，保證並行計算的加速比。圖 6 為偏置正面碰撞，分別採用缺省值分塊、沿著運動方向分塊、

和沿著碰撞變形方向分塊等 3 種分塊方法在模擬時間上有 25%的差異，如圖 7 所示。因此對於大規

模模型的並行計算，平衡每個核的工作量，可以最大極限地提高計算效率，充分發揮每個核的作

用，這就需要根據問題的實際變形情況進行模型的合理分塊。

（a）缺省值分塊（b）{ sy 1000}分塊

（c）{ C2R 177 –1134 1143 0 0 1 1 0 0 sy 10000} 分塊

圖 6 某模型 16 核並行計算的分塊（來自於培訓教程[6]）



圖 7 某模型 16 核並行計算不同分塊時相對模擬時間（來自於培訓教程[6]）

2.兩列城軌車（千萬單元級模型）對碰的並行計算模擬隨著對城軌列車安全重視程度的不斷提高，很多國家對列車車輛耐撞性進行了研究和探索，

本文基於兩列 8 節編組的城軌列車對撞仿真，分析千萬單元級模型的加速比性能。單節列車和兩車

對撞模型如圖 8 和圖 9 所示。頭車模型的平均網格大小為 10mm，二車為 30mm，三車至六車則為

50mm。頭車總單元數量為 312 萬個，其中約 295 萬殼單元。二車和三車的單元總數約為 107 萬和

60 萬。城軌車中三車至六車的模型是一樣的。因此，兩列城軌車模型單元總數約為 1500 萬。

圖 8 單節車廂有限元模型

圖 9 16 節車廂有限元模型

在並行計算中的第一步是有限元模型的分塊，LS-DYNA MPP 的模型分塊在主處理器中完成

（processor 0），因此需要這個處理器有足夠的內存空間來處理整個有限元模型。在計算機集群中，

一般每個核（core）的內存為 2GB 或者 4GB，對於大的有限元模型來說，4GB 的內存用於模型分

塊是不夠用的。同時，由於在一個核（主處理器）中執行模型分塊，其他處理器上的工作就需要

等待到模型分塊結束後進行，這樣模型分塊時間長，就會浪費寶貴的計算資源；如果每次執行並

行計算都需要進行模型分塊，那麼浪費的計算資源會更嚴重。在 LS-DYNA MPP 運行中，通過模

型的預分塊可以來避免以上問題，具體步驟如下：第一步用一個核運行把輸入關鍵字文件轉化成輸入結構文件（從 input.k 文件生成 dyna.str 文

件）。 mpirun –np 1 mpp971 i=input.koutdeck=t memory=1500m



第二步用一個核運行生成模型的預分塊文件（inpu_de.lsda）。 pfile: decomp { numproc 16 file input_de } mpirun –np 1 mpp971 i=dyna.str p=pfile memory=1500m 第三步用輸入結構文件和 P 文件重新執行 LS-DYNA 並行工作（如 128 核） mpirun –np 128 mpp971 i=dyna.str p=pfile memory=100m 針對該兩列車對撞模擬，我們採用模型預分塊的方法實現計算資源有效利用和模型在運行過

程中的有效調試。我們對比了不同核數並行計算完成 50000 個時間步所需的計算時間，如表 2 所示，

相對於 32 核並行計算，96 核和 144 核的加速比分別為 2.57 和 3.61。由於本次測試模型的並行計算

所用的計算時間主要集中在單元方面的處理，很好保證了並行計算的加速比。更複雜有限元千萬

級模型的 LS-DYNA 並行計算測試和模型的調試會在後續的研究中開展。

表 2 不同核數並行計算所需時間及加速比核數計算時間加速比 32 14h 28min 44s 1 96 5h 37min 35s 2.57 144 4h 58s 3.61

3.結論

通過對 LS-DYNA MPP 並行計算的闡述，並行計算的計算時間主要由硬件、軟件和工程問題

複雜度而定。對最終用戶而言，可以合理通過模塊分析等手段提高大規模模型問題的計算效率。

通過千萬單元級兩列城軌列車的對撞模擬案例，分析了不同核數下並行計算的加速比性能，下一

步工作將測試 Hybrid LS-DYNA MPP 版本的加速能力，為千萬單元級別模型的並行計算和模型調

試提供可借鑒的方法。

參考文獻 [1] Wang J, Chen H. LS-DYNA/MPP 簡介. FEA INFORMATION 有限元資訊, 2012, 第 5 期.

[2] Kondo K, Makino M. Crash simulation of large-number-of-elements car model by LS-DYNA on highly parallel computers. Fujitsu Sci. Tech. J. 2008:44(4).

[3] LS-DYNA Keyword User’s Manual Version 971, LSTC, Livermore, CA, 2007. [4] Ashcraft C, Grimes R, Lucas R. MPP execution of implicit mechanics with 10M or more

elements. 8th European LS-DYNA Users Conference, Strasbourg, May 2011. [5] Meng N, Wang J, Pathy S. New Features in LS-DYNA HYBRID Version, 11th

International LS-DYNA Users Conference, Dearborn, MI, USA, June 6-8, 2010. [6] Wang J. Class note: Introduction to MPP version of LS-DYNA, 2012.



頻率域分析於服務器產品之應用

翁家鵬，張維展 1, 彭紘維 1 （1 愛發股份有限公司, 臺灣臺北市 104）

摘要：在伺服器產品的研發過程中，隨機振動測試常被用來驗證產品在運輸過程中是否會受

到損傷，亦常被用來評估產品結構強度是否足夠。另外，在伺服器產品的研發過程中，如何減少

硬碟的振動一直是被高度關注的議題，若能在結構設計過程中應用有限元素分析軟體，評估風扇

振動對硬碟的影響，並利用結構設計儘量降低此影響，對於減少硬碟的振動將有很大的幫助。本文介紹在伺服器產品的研發過程中，使用 LS-DYNA 進行隨機振動分析，並使用 LS-PrePost

讀取分析結果，以預測隨機振動測試結果的實例。關鍵詞：服務器、隨機震動

1 概述隨機振動主要是由於外在的非決定性負載對結構所造成的響應，而非決定性負載包括：物

品運送過程中的振動、行經表面不平之道路時在車輛輪胎所產生的負載、地震所產生的基底加速

度、空氣亂流所產生的壓力及來自海浪或強風的壓力等。而為了確保服務器計算機在使用及運送

過程中，不會因為振動而造成損壞，故隨機振動試驗為服務器計算機所必須經過的測試之一，主

要用來檢測其結構是否滿足振動設計要求。

當服務器在運行的時候，會因系統內風扇轉動時產生的振動造成系統的振動，而系統的振

動又會使硬盤受到振動。當硬盤受到振動時，讀寫效能會因讀寫頭的振動受到影響，過大的振動

甚至可能會造成硬盤的損壞。所以在服務器產品的研發過程中，如何減少硬盤的震動一直是被高

度關注的議題。

在產品的開發週期中，為了減少不必要的開銷並且縮短開發週期，使用有限元素分析軟件

進行分析已漸漸地成為開發服務器計算機所必備的過程之一。本文利用 LS-DYNA frequency domain 的分析功能，對服務器計算機進行隨機振動分析，分別探討整機隨機震動之結果，以預測

產品的 week point，以及風扇引發之震動對於硬盤效能之影響。

2 有限元素模型 2.1 整機震動模型

模型中的薄殼零件，均使用中平面進行網格建模。省略及簡化模型中的圓孔、圓角及細小

曲面等特徵。透過適當的模型簡化，可有效的提升網格質量，並且大幅的縮短分析時間。整機網

格模型如圖 1 所示。模型中所使用之材料參數表 1 所示。實際測試時，機器是以夾治具固定在振動機臺上，振動源從底座輸入。模擬分析時，以底

面為固定情況下，振動源以 base acceleration 方式輸入。依據測試規範，輸入之加速度 PSD 如表

2 所示。產品中透過螺栓固定的部分，皆以 rigid link 剛體元素進行連接。

圖 1 整機有限元素模型



Massdensity

(g/cm3) Young’s

modulus (MPa) Poisson’s ratio

Yield Stress (MPa)

Steel 7.85 205000 0.29 176

Aluminum 2.74 70000 0.33 145

Plastic 1.2 2600 0.37 103

PCB 1.05 75000 0.28 80

表 1 材料參數

GRMS=1.63 g^2/Hz

Hz g^2/Hz 10 0.001 20 0.003 40 0.003 80 0.02

120 0.02 200 0.0015 500 0.0015

表 2 隨機振動 Input PSD

2.2 硬盤震動模型

分析模型依據實際組裝於機架上的方式在機台側邊加以固定(圖 2)，參照風扇全速轉動時之

振動加速度依序輸入激振源(圖 3)。

圖 2 側邊拘束



圖 3 激振源輸入處

3 結果與討論

3.1 整機震動分析結果

因為隨機振動之振動隨機變化的不確定性，無法進行精確的計算，因此使用統計的方法以出

現的機率加以描述。在隨機過程中，取樣數越大，越趨近於常態分佈(圖 4)。隨機振動分析所得到的應力及位移計算結果是均方根值(RMS)，相當於一個標準差(σ)的值

。在常態分佈中，3σ已可涵蓋 99.7%的發生機率，因此在隨機振動分析中，常以 3σ的值判斷分

析結果。

圖 4 常態分佈

檢視隨機振動分析結果之應力分佈，最大應力的均方根值為 18.14 MPa，3σ 的值為

54.42MPa，遠低於此處材料的降伏應力(176 Mpa) (如圖 5、表三)。在打樣測試前，機構工程師依據

分析報告分析此機台應可通過隨機振動測試，實測結果亦與分析結果相符。

圖 5 應力分佈

RMS (σ) 3σ

Von Mises Stress 18.14 MPa 54.42 MPa

表 3 RMS 應力



3.2 硬盤震動分析結果

實際量測分析系統，在不破壞機殼的前提下，即使受限於系統結構，每顆硬碟的量測位置

略有不同，仍可明顯看出硬碟最大振動加速度發生於風扇全速轉動，且振動頻率為系統風扇基頻

（實際量測值為 287 Hz）時(如圖 6)。

圖 6 硬盤加速度量測

觀察於系統風扇基頻(如圖 7)，硬盤之振動加速度分析結果發現，硬盤Ａ和Ｄ的振動加速度

較硬盤Ｂ和Ｃ高許多。機構工程師希望能降低硬盤Ａ和Ｄ的振動加速度，並以此為主要目標提出

設計改善計劃。

圖 7 A、B、C、D硬盤在基頻之加速度響應

3.2.1 改善方案一檢視風扇基頻附近頻率的模態(如圖 8)，發現底座的振動可能會導致硬盤產生較大的振動，

機構工程師計劃于底座增加抽凸特徵以增加剛性(如圖 9)，期望能減少底座的振動。



圖 8 底座模態

圖 9 底座抽凸

觀察於系統風扇基頻，硬盤之振動加速度分析結果發現，硬盤Ａ、Ｂ、Ｃ的振動加速度只

比原始設計略低一些，硬盤Ｄ的振動加速度則反而比原始設計略大(如圖 10)。

圖 10 改善方案一之各硬盤震動加速度修改前後比較

3.2.2 改善方案二機構工程師計劃將機殼延長並將硬盤前移，期能藉由增加硬盤與風扇間的距離，減少風扇

振動對硬盤的影響，如圖 11 所示。



(a)原始機殼 (b)延長後機殼

圖 11 機殼設計變更前後比較

觀察於系統風扇基頻，硬盤之振動加速度分析結果發現(圖 12)，硬盤Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ的振

動加速度均較原始設計降低許多。

圖 12 改善方案二之各硬盤震動加速度修改前後比較

3.2.3 綜合比較比較於系統風扇基頻的硬盤振動加速度分析結果發現(表 4)，改善方案 2 較改善方案 1 更能

有效地降低硬盤的振動加速度。機構工程師依據分析結果，最後選定 Proposal #2 進行機構設計改

善。

Acceleration in

original chassis

(G)

Acceleration in

proposal #1 chassis

(G)

Acceleration in

proposal #2 chassis

(G)

HDD A 0.0859 0.0696 0.0282

HDD B 0.0373 0.0294 0.0218

HDD C 0.0394 0.0315 0.0142

HDD D 0.0847 0.0882 0.0581

表 4 各方案



4 結論

隨著網絡技術的不斷進步，人們對網絡的依賴日益增加，服務器需處理的數據量越來越龐大，

對於服務器的效能及可靠度要求也越來越嚴格。無論是服務器運行時本身產生的振動，或是外來

的振動源，都可能使服務器的效能受到影響甚至結構受到破壞。在服務器研發的過程中，如何預

防因為振動可能產生的問題已日益被重視。有限元素分析軟件的運用，可在產品進行振動測試前預測是否會發生問題，如有需要，可及

早進行設計改善，亦可評估各種改善方案的可行性，大輻減少因測試失敗，反復打樣及測試所浪

費的時間與成本。

參考文獻

[1] LS-DYNA Keyword User Manual 971R7.0, LSTC, 2013.



LS－DYNA中國代理商

迪艾工程技術軟件(上海)有限公司(ETA)

地址：上海市漕溪北路 18 號上海實業大廈 39/B

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迪艾工程技術軟件（上海）有限公司公司簡介（以下簡稱 ETA-China）

Engineering TechnologyAssociates, Inc. (簡稱：ETA)公司成立於 1983 年，總部位於美國汽車城

底特律，是一家致力於開發汽車、模具及 3C 產品等領域的最先進的 CAE 軟件，並提供技術服務的工

程公司。ETA 擁有高素質的專業技術人員，為客戶提供全方位的技術服務。ETA 公司自 80 年代中期

進入中國以來，隨著國內汽車及模具行業的蓬勃發展，現已將亞太市場重心轉移到中國，並於 2003年先後在上海、南京設立獨資公司，2007 年在北京設立分公司。

ETA-China 負責大中華地區的軟件推廣、應用和整個亞太地區的技術支持，為產品設計的 CAE方法提供一整套的解決方案，包括：整車 CAE 分析，鈑金成形 CAE 分析，3C 產品跌落衝擊，航空航

天、國防方面的 CAE 分析，尺寸工程分析、汽車概念分析等。

ETA-China 擁有全面的 CAE 分析和設計能力，專長於包括：整車碰撞安全分析、車身結構分析，

內飾分析，底盤與懸掛分析，動力系統分析，整車耐久性分析，流體分析。

ETA-China 擁有超過 100 人的技術服務團隊，為客戶提供全方位的技術服務。

一、ETA-China 主要軟件產品及服務

主要軟件產品： 1. DYNAFORM 鈑金衝壓成形仿真軟件 2. PreSys 前後處理軟件 3. LS-DYNA 先進的非線性分析軟件 4. 3DCS 尺寸工程軟件

主要工程諮詢服務： 1. CAE 技術諮詢服務 2. SE 同步工程技術諮詢服務 3. GD&T 尺寸工程技術諮詢服務 4. CAE 軟件二次開發服務

二、業績簡介

ETA 公司（Engineering Technology Associates, Inc.）自 2000 年開始在中國分銷 LS-DYNA 軟

件至今已有十幾年，客戶涵蓋了汽車、模具、超級計算中心、軌道客車、鋼鐵、高校、電子電器、航

空航天等領域，並為這些領域的重要客戶長期提供技術支持及項目開發，建立了深厚的戰略合作關係。

ETA-China 具有雄厚的技術實力，長期以來為客戶提供優質的 LS-DYNA 技術服務，包括：

根據客戶的需要提供 LS-DYNA 安裝調試服務；

為客戶提供定期培訓、多媒體培訓以及針對客戶要求的有償培訓服務；

為客戶提供 CAE 高性能計算系統，用於碰撞、結構、NVH、疲勞、流體等計算；

為客戶提供全面的從硬件到軟件系統技術支持，對客戶進行定期維護，解決客戶在使用維

護過程中遇到的問題。

奧雅納工程諮詢有限公司 (ARUP 中國)簡介 ARUP 中國是著名國際工程諮詢公司 ARUP 在中國的分公司，ARUP 在全球超過 40 多個國家

擁有 80 多個辦事處，10000 多名員工。

ARUP 在中國已為各行業提供長達 20 多年的專業工程諮詢服務，在建築，汽車，環境等行業

贏得了廣泛的認可和聲譽，在香港，澳門，北京，上海，深圳，廣州，武漢，天津和重慶設有辦事

處，香港現有 2000 多名員工，大陸現有 1000 多名員工。

ARUP 在 CAE 領域為廣大客戶提供造型，碰撞，NVH，耐久性，行人保護，強度和 CFD 等工

程諮詢業務，服務範圍涵蓋汽車，航空航天，鐵路機車，通用機械和軍工等領域，並作為 LSTC 全

球最緊密的合作夥伴之一在英國，中國和印度銷售 LS-DYNA 軟件和提供專業技術支持，提供如下

LS-DYNA 軟件相關產品，幫助客戶真正應用 LS-DYNA 軟件解決工程實際問題：

碰撞有限元模型，包括 MDB，ODB 壁障模型，行人保護模型和 DYNAMore 假人模型。



LS-DYNA 專業前後處理 OASYS 軟件

FEMZIP 壓縮軟件

Hycrash 軟件（碰撞分析中快速考慮鈑金硬化效應軟件）

Comet 軟件（CAE 流程管理和任務自動化管理軟件）

ARUP 在中國目前已完成大量的 CAE 工程諮詢服務項目，積累了豐富的 CAE 工程諮詢項目實

施和管理經驗，這些寶貴經驗也為 LS-DYNA 軟件的技術支持和服務提供了強有力保障，這正是眾

多客戶選擇 ARUP 中國作為 LS-DYNA 軟件供應商的原因之一。

上海恒士達科技有限公司 (HengStar) 上海恒士達科技有限公司 www.hengstar.com 是一個以工程技術諮詢，CAE 軟件銷售（LS-

DYNA）、技術服務培訓、及相關技術開發為一體的高新技術公司。公司主要從事汽車被動安全及

碰撞仿真模擬，CAE 作業提交管理系統，CAE 流程自動化等相關的技術研究開發工作。公司位於

上海市浦東區張江高科技園區。

公司本著“持之以恆，奮進博達”的宗旨和同國外軟件開發公司、軟件代理公司、諮詢公司、培

訓中心等之間的良好合作關係，竭誠幫助汽車製造企業更好地借鑒和分享國內外先進汽車安全設計

策略和設計方法，並更有效地運用汽車部件和整車試驗，以及計算機輔助工程技術即 CAE 仿真模

擬來提高汽車的安全性能。

同時公司進一步拓寬在其他高技術產品設計，製造，及生產方面的業務能力，利用 CAE 技術

和公司技術團隊，改進優化現有產品，開發新產品，為提高人民生活質量提供更環保，更可靠，更

先進的優質產品。

目前公司代理的主要 CAE 軟件為：

LS-DYNA 軟件包（LS-Prepost，LS-OPT，LS-TaSC，LSTC Dummies 和 Barrier 模型），

其他相關前處理 DynaX，Visual Environment（Visual Crash for Dyna，和 Visual Process），

優化軟件 Genesis 和 VisualDOC，

發動機罩內板設計軟件 EnkiBonnet,

金屬成形軟件 JSTAMP+LS-DYNA

LS-DYNA 工作提交文件管理軟件 d3View。

大連富坤科技開發有限公司簡介(Dalian Fukun)

大連富坤科技開發有限公司是從事計算機軟件的開發、銷售、技術諮詢服務企業，同時兼有技

術進出口、貿易進出口的業務。自 2007 年以來和美國 Livermore Software Technology Corperation(LSTC)合作進行 LS-PrePost 的研發。LS-PrePost 是一款專門針對有限元求解器 LS-DYNA 開發的前後處理軟件，它能夠提供快速的後處理功能，強大的 LS－DYNA 關鍵字和輸入模

型管理功能。LSTC 和大連富坤科技合作之後，推出了新設計的 LS-PrePost 版本，新版本擁有完

善的圖形界面、幾何處理模塊、ALE、金屬成形、氣囊顆粒法設置等新功能。最近開發的圖形處理

技術，大大提高 LS－的圖形處理速度。大連富坤科技開發有限公司開發部負責 LS-PrePost 的開發、

維護、技術支持及其所有相關工作。目前擁有博士三人，碩士六人。

2010 年經美國 Livermore Software Technology Coorperation (LSTC)公司委託及授權允許大

連富坤科技在中國直接銷售 LS-DYNA 及相關軟件產品。大連富坤科技銷售 LS－DYNA 主要通過

與其他推銷商合作方式。

http://www.hengstar.com/

LS－DYNA 臺灣代理商


LS－DYNA臺灣代理商

勢流科技股份有限公司( Flotrend Corp.)

地址：110 臺北市信義區忠孝東路五段 550號 13樓(任遠大樓)

電話：886-2-2726 6269 (37)手機：886-958-090 220

傳真: 886-2-27266265

網址:www.flotrend.com.tw 郵箱:[email protected]

愛發股份有公司(APIC)

地址: 臺北市 104 松江路 71 號 11 樓

電話： 886-2-2508 3066 (231) 手機：886-0938-187943

傳真: 886-2-2507 7185

網址:www.apic.com.tw 郵箱 [email protected]

TAIWANN

http://www.flotrend.com.tw/


代理商 LS-DYNA 活動信息


迪艾工程技術軟件（上海）有限公司

2014 年 LS-DYNA 課培訓安排

迪艾工程技術軟件（上海）有限公司（簡稱：ETA-China）一直致力於為廣大客戶提供優質的

技術支持及培訓服務，我們希望通過開展不定期的公開課培訓幫助廣大客戶及時瞭解最新的 CAE

應用技術並更好地使用 LS-DYNA 軟件。

培訓內容培訓

天數是否

收費

2014 年培訓時間安排

1月

2月

3月

4月

5月

6月

7月

8月

9月

10月

11月

12月

LS-DYNA 軟件基礎培訓 2 天免費 √ LS-DYNA 軟件在汽車行業應用

的高級培訓 2 天收費 √ LS-DYNA 軟件在電子行業中的

應用高級培訓 2 天免費 √

LS-DYNA 軟件在鈑金衝壓中的

應用高級培訓 2 天免費 √ LS-DYNA 軟件在 ALE-FSI 方

面的應用培訓 2 天免費 √

LS-DYNA 軟件在軌道交通中的

應用高級培訓 2 天收費 √ LS-DYNA 軟件在隱式分析中的

應用高級培訓 2 天收費 √ LS-DYNA 軟件在鈑金衝壓中的

應用高級培訓 2 天免費 √ LS-DYNA 軟件中整車碰撞分析

中的應用高級培訓 2 天收費 √ LS-DYNA 軟件在行人保護分析

中的應用高級培訓 2 天免費 √ LS-DYNA 軟件基礎培訓 2 天免費 √

培訓時間會根據報名情況做相應調整，敬請留意每月簡報或查看網頁 www.eta.com.cn 以獲取

完整的課程內容及培訓具體時間。

我們還可以根據客戶的不同要求定制培訓課程，如有需求請發郵件至 [email protected]

公司地址：上海市漕溪北路 18 號上實大廈 39B

電話：021-51875539

傳真：021-64385752





近期培訓詳細介紹： 5 月 8-9 日 LS-DYNA 軟件在鈑金衝壓中的應用

地點：上海

講師：朱新海（LSTC 公司專家），劉克素（ETA-China 高級工程師）

內容：1.FLD 相關知識, FLD 的建立和應用；

2. 材料本構模型，力學實驗數據的處理和外插方法，CAE 分析中如何選擇材料模型及應用

3. 採用 DYNAFORM/LS-DYNA 回彈分析及回彈補償

4. 回彈分析及補償的案例詳解

5. LS-DYNA 軟件衝壓仿真新功能



ETA-China 2014 年軟件應用培訓已全面啟動

ETA-China 於 2014 年 4 月 15-18 日在北京瑞城大酒店成功舉辦了為期 4 天的“LS-DYNA

軟件應用基礎培訓及汽車方面應用高級培訓”，這標誌著 ETA-China 2014 年軟件培訓已全面啟

動。

培訓通知發出後，來自國內各著名汽車主

機廠、鋼鐵企業、超算中心、高校研究所等近

50 位工程師積極報名參加。此次為期四天的

LS-DYNA 軟件培訓涵蓋內容豐富，包括：LS-

DYNA K 文件介紹、時間步長與質量縮放、沙

漏控制、接觸算法、材料模型、邊界條件等基

礎應用；以及安全氣囊模擬、整車碰撞分析、

約束系統模擬等高級應用。

本次培訓師除了 ETA-China 的工程師王強

以及資深工程師彭冰元外，我們還榮幸地邀請

到 LS-DYNA 的專家 Jason Wang 博士做了一

天 MPP 及安全氣囊高級培訓，他們深入淺出的

講解使學員們收益頗豐，並就工作中的技術問

題進行了交流。

ETA-China 為了提供更好的技術服務給廣

大軟件用戶，將不定期地舉辦針對各行業的軟

件培訓並可為用戶單獨定制培訓。請大家關注

ETA-China 每月的軟件產品簡報。



ETA-China 與上汽集團關於 LS-DYNA 軟件的技術交流

上汽集團作為 LS-DYNA 軟件的資深用戶多年來已從 ETA-China 購買了近千核的 LS-

DYNA license，也是目前為止中國汽車主機廠購買核數最多的用戶。隨著 MPP 及高性能計算

技術的不斷升級發展，上汽集團亦需要軟件供應商提供全面的不間斷的技術支持。因此，

ETA-China 每年都會邀請 LSTC 公司專家親臨上汽做技術交流。

此次，特別邀請到 Jason Wang 博士于 4 月 16 日前往上汽乘用車院做了為期一天的現場

技術支持。首先，Jason Wang 博士做了關於”LS-DYNA 最新進展”的主題演講，詳細介紹了

LS-DYNA 的最新功能及以後的開發方向，同時介紹了一些歐美汽車公司使用 LS-DYNA 的情

況。演講結束後，Jason Wang 博士和參會工程師進行現場交流，詳細解答了工程師在試用

LS-DYNA 軟件時碰到的一些技術問題，例如：不同版本 LS-DYNA 求解差異；如何避免計算

時間已達到而計算進程並沒結束；是否可以通過接觸參數設置改善接觸區域有效應變；某些材

料的本構理論；整車正面碰撞分析中的正值負值問題等等。



奧雅納工程諮詢(上海)有限公司

ARUP 中國 2014 年度培訓安排

奧雅納工程諮詢（上海）有限公司（簡稱 Arup China）為滿足中國廣大 LS-DYNA 用戶的技術支

持和培訓需求，將安排每月一次的公開課培訓，提供學習和交流的機會，提升雙方的技術實力。

課程內容是否收費天數日期

Oasys 軟件 JavaScript 開發培訓免費 1 天 2014 年 3 月 18 日

LS-DYNA 粒子流 CPM 氣囊分析培訓收費 2 天 2014 年 4 月 22-23 號

Oasys 軟件基礎培訓免費 2 天 2014 年 5 月 20-21 日

LS-OPT 參數設計優化和魯棒性分析培訓收費 2 天 2014 年 6 月 17-18 日

LS-DYNA 約束系統分析培訓免費 2 天 2014 年 7 月 17-18 日

LS-DYNA 複合材料分析培訓收費 2 天 2014 年 8 月 14-15 日

Oasys 軟件基礎培訓免費 2 天 2014 年 9 月 15-16 日

LS-DYNA NVH 及頻域分析收費 2 天 2014 年 9 月 18-19 日

LS-DYNA 汽車碰撞高級培訓免費 2 天 2014 年 11 月 17-18 日

LS-DYNA 約束系統分析培訓免費 2 天 2014 年 12 月 18-19 日

屆時每個月都將發佈下個月的培訓邀請函，邀請函中的培訓日期可能會做變更。詳細培訓課程

內容請從 ARUP 公司網站（www.arup.com/dyna）下載，或發郵件至 [email protected] 獲

得。

Arup China 將於 2014 年 9 月 17 日舉辦第三屆 OASYS（LS-DYNA）中國年會，屆時將邀請

來自 ARUP 英國，DYNAMore 德國，LSTC 美國的技術專家對 OASYS（LS-DYNA）相關軟件進

行精彩演講，在年會前後也將安排相關培訓課程，請見上述列表。

公司地址：上海市淮海中路 1045 號淮海國際廣場 39-41 樓，30 樓

電話：021-31188876

傳真：021-31188882

mailto:或发邮件至[email protected]



奧雅納工程諮詢有限公司 (ARUP 中國) 第三屆 Oasys（LS-DYNA）中國用戶年會

時間：2014 年 9 月 17 日

地點：上海

聯繫郵箱：[email protected]

2014 年 ARUP 公司旗艦產品 OASYS 軟件屆時將發佈 12.0 最新版本，LSTC 旗艦

產品 LS-DYNA 也將發佈更多新功能和新方向應用，9 月 17 日的研討會將彙聚中國的

OASYS（LS-DYNA）廣大用戶，LSTC 美國專家，ARUP 英國專家和 DYNAMore 德國

專家進行充分技術展示和交流。

在會議期間，將舉辦 OASYS 軟件及 LS-DYNA 軟件的相關培訓課程，詳見 ARUP

中國 2014 年度培訓安排。

會議議題將包含如下內容(待定)：

OASYS12.0 最新版本更新說明（ARUP 英國專家演示）

LS-DYNA 軟件的最新功能說明（LSTC 美國專家演示）

Dummy 假人模型的最新開發說明（DYNAMore 德國專家演示）

OASYS 及 LS-DYNA 軟件在各行業的應用技術交流（各行業用戶演示）

會議期間提供茶歇，午餐。熱烈歡迎新老客戶參加，會議內容及日程詳見年會邀

請函。




上海恒士達科技有限公司

2014 年 LS-DYNA 相關高級技術培訓

2014 年 1

月 2月

3月

4月

5月

6月

7月

8月

9月

10月

11月

12月

LS-DYNA 高級入門 An Introduction to LS-DYNA （3 天）

汽車碰撞仿真模擬 Crashworthiness Simulation with LS-DYNA （5 天）

汽車被動安全及乘員約束系統設計 Passive Safety and Restraint Systems Design （3 天）

LS-Prepost, LS-DYNA MPP, 安全氣囊分析（LS-DYNA） LS-Prepost, LS-DYNA MPP, Airbag Simulation with LS-DYNA （3 天）

行人保護，汽車被動安全及乘員約束系統仿真分析

模擬（LS-DYNA） Pedestrian Safety and Passive Safety Simulation with LS-DYNA （3 天）

汽車碰撞仿真分析理論和技術，及基於 LS-DYNA仿真分析的優化（LS-OPT） Crashworthiness Theory and Technology, Introduction of LS-OPT which is based on LS-DYNA （3 天）

混凝土，建築材料模擬及爆破模擬 Concrete & Geomaterial Modeling, Blast Modeling with LS-DYNA （2 天）

根據美標，歐標的前碰約束系統統計 Frontal Restraint Systems according to FMVSS 208 and Euro NCAP （2 天）

車身碰撞性設計，模擬和優化 Crashworthy Car Body Design, Simulation, Optimization（2 天）

側碰要求及實現策略 Side Impact-Requirements and Development Strategies （2 天

課程內容及培訓具體時間請查看網頁 www.hengstar.com

地址：上海市張江高科技園區郭守敬路 498 號 6 幢 11206 室

郵編：201203 電話： 86-21-6163 0122

傳真：86-21-6163 0201




上海恒士達科技有限公司(HengStar) 2014 LS-DYNA 中國論壇邀請函

尊敬的 LS-DYNA 用戶：

為回饋 LS-DYNA 用戶對上海恒士達科技有限公司一直以來的信任與支持，上海

恒士達科技有限公司將於 2014 年 5 月 26 日在上海中油陽光大酒店舉辦 LS-DYNA 中國

論壇，誠邀您和您團隊成員參加。上海恒士達科技有限公司本著“持之以恆，奮進博

達”的宗旨，邀請來自北美、德國、日本及國內經驗豐富的專家舉辦有關“汽車被動安

全及碰撞 LS-DYNA 模擬”、“約束系統設計與 LS-DYNA 模擬”、“LS-DYNA 並行計算”

等各種 LS-DYNA 高級技術培訓，幫助國內 OEMs 借鑒與分享國內外汽車安全設計策

略和開發方法，使用戶更加有效地運用 CAE 技術提高汽車的安全性能，提升產品自主

開發與創新能力。

本次 LS-DYNA 中國論壇將邀請來自國內主機廠、汽車配件廠、北美 LSTC、德國

等多名專家開展主題演講及技術討論，包括汽車結構耐撞性設計、約束系統開發與仿

真、LS-DYNA 並行計算、氣囊模擬技術、先進的失效模擬手段、計算力學新方法及新

應用，複合材料，優化設計，高性能計算集群，假人有限元模型等等。已邀請的專家

有趙會博士（中國長安汽車股份有限公司），陳可明博士（中國汽車工程研究院），陳

偉剛博士（北京汽車股份有限公司），Jason Wang 博士（美國 LSTC 公司），C.T. Wu 博

士（美國 LSTC 公司），彭雄奇博士（上海交通大學），Paul Du Bois 先生（德國 Hermes

Engineering NV），Phani Adduri 博士（美國 VR&D 公司），Yih-Yih Lin 博士（美國 HP），

徐洪 (產品總監, 中國聯想), Fuchun Zhu 博士（美國 Humanetics）。

同時十分感謝美國 LSTC，美國 FEA Info，美國 VR&D，中國聯想，中國 HP，法

國 ESI Group,美國 Humanetics，德國 Dynamore，及 LS-DYNA 用戶等的大力支持。

具體論壇的相關信息請查閱 www.hengstar.com

上海恒士達科技有限公司

03/10/2014


中國 FEA 活動及年會信息


國內會議信息快遞

2014 年 5-6 月中國機械工程協會機械工業自動化分會培訓信息

5 月 26-28 日車身結構設計與優化技術培訓班地點：武漢

6 月 23-25 日汽車尺寸工程設計與分析技術培訓班地點：長春

6 月 23-25 日第八屆板材衝壓成形技術專題培訓班地點：長春

2014 年 6 月 4-7 日

第十五屆中國國際模具技術和設備展覽會地點：上海

會議介紹：由中國模具協會主辦，詳情請參閱：www.diemouldchina.com，www.dmcexpo.com 2014 年 8 月 19-22 日

中國汽車工程學會第十七屆汽車安全技術學術會議

地點：河北保定

會議介紹：由長城汽車股份有限公司主辦，。本次學術會議將邀請汽車安全技術領域的國內外

知名學者、企業人士出席。會議將就目前國內外汽車安全技術研究及應用的最新進展展開

研討。

2014 年 9 月月 16-19 日

中國國際金屬成形展覽會

地點：北京

會議介紹：由中國鍛壓協會主辦的中國專業的鍛造、衝壓、鈑金成形展覽會。www.china-

metalform.com

本刊通訊地址：

7374 Las Positas Road

Livermore, CA 94551 (美國)

電話：(001)-925-245-4562

傳真：(001)-925-449-2507

連絡人：Yanhua Zhao

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