一、前言

車輛研究測試中心(以下簡稱ARTC)於民國92

年11月動工建立國內首座「實車碰撞實驗室」，建

立包括實車前面全寬、前面偏置、側面、後面碰

撞、動態翻滾及全車碰撞模擬測試...等檢測技術，

所涵蓋之設備包括碰撞主系統、零組件碰撞模組、

燈光系統、人偶與感測系統、高速攝影系統、資料

擷取系統及尺度量測系統...等。預計於今年底前(民

國93年)完成實驗室建立，開始服務產業與協助車

輛研發工作，後續將執行實車碰撞之偵錯與改良技

術，結合CAE碰撞模擬分析與實驗數據比對，協助

產業改善車體結構，並藉由實車碰撞試驗，驗證改

善對策。

ARTC「實車碰撞實驗室」之規劃注重其可擴

充性配置，長期將視需求與技術建立行程，可考量

增設週邊設備，並應用於新車型之評估與學術研

究...等。由於實驗室尚屬設備建置階段，為了讓各

界有基本認識，本文將介紹ARTC實車碰撞實驗室

之設備規格與功能(預計93年底前可完工)，ARTC於

設備建置期間，除了檢測技術養成(如第二節所述)

外，同時建立實車碰撞電腦分析評估程序(如第三

節所述)，此外，ARTC亦定期舉辦研討會以利各界

了解實車碰撞技術現況，以92年為例，特別邀請美

國及瑞典與實車碰撞技術相關之專家進行「2003實

車碰撞技術應用研討會」，會中邀請四位講師

(Saverio M. Pugliese、Tom E Wittmann、Paul

Chiu、Willem Bakhuizen )，其分別在實車碰撞技術

應用、碰撞模擬試驗應用與解析、高速攝影分析技

術應用、高速攝影影片分析技術應用...等方面具豐

富實務經驗，合計參與之學員共九十名。後續將再

邀請學者與專家探討實車碰撞領域應用之相關議

題。

二、ARTC實車碰撞實驗室之設備規格功能與

技術指標

(一) 設備規格功能介紹：

ARTC「實車碰撞實驗室」主要涵蓋兩大系

統，一為「實車碰撞主系統」；一為「零組件碰撞

模擬系統」，採分軌設計規劃(圖2.1，2.2)，因此，

未來提供產業服務時，將更具機動性，本實驗室建

置完成後，碰撞主系統可曳引之車重達5公噸，可

執行之碰撞速度在5公噸時可達80 km/hr；在2公噸

22 車輛研測資訊 2004-01

■作者許文賢

產業新知

時可達100 km/hr。速度之控制精度為±0.5 km/hr。

在零組件碰撞模組方面，因近二十年來，安全系統

被要求更精密與完善，空氣囊已成為汽車標準裝

備，同時考量側面碰撞技術之普遍與需求，故零組

件碰撞模組必須能提供「高頻」之測試能量。所

以，本實驗室採用「伺服加速模擬（SERVO－

ACCELERATOR SLED SYSTEM簡寫SASS）」系統

(圖2.3，2.4)；其功能除了可產生法規之檢測波形

外，更可直接透過電腦設定高頻(可達400Hz)之波

形供研究測試用，同時本系統之承載能量可達3公

噸(可將測試車直接固定於SLED上)，將足以提供產

業於研發階段進行接近實車之碰撞模擬檢測，大幅

降低研發成本。有關ARTC實驗室採用之設備規格

功能及應用領域，摘要說明如(表2.1)：

車輛研測資訊 2004-01 23

▼表2.1：ARTC實車碰撞實驗室設備規格與功能項次 主設備名稱 規格與功能 應用領域

碰撞主系統

(圖2.5)

‧5公噸－80 km/h。

‧2公噸－100 km/h。

‧最大精度：(0.5 km/h。

‧具雙向曳引功能及緊急停止功能。

‧軌道長度：196公尺。

‧可執行美規前方全面碰撞(FMVSS208)。

‧可執行歐規前方偏置碰撞(ECE R94)。

‧可執行中國大陸前方碰撞(CMVDR294、GB11551)

‧可執行歐規側面碰撞(ECE R95)。

‧可執行歐規後面碰撞(ECE R34)。

零組件碰撞系統

(圖2.3，2.4)

‧伺服加速模擬系統。

‧採油壓Close Loop控制迴路，可控制較高頻加速度波形(達400Hz)。

‧最大承載3公噸，小型車可直接架設於台車測試，平台承載尺寸1.5m×3.5m。

‧可控制行程1700mm；測試波形轉換時間2分鐘以內。

‧峰值加速度精度為±4%，速度精度為±0.3%。

‧安全帶動態檢測(ECE R16波形、CNS5563波形)。

‧兒童安全座椅動態檢測(ECE R44波形、CNS11497)。

‧座椅動態檢測(ECER14、ECER17之動態相關)。

人偶與感測系統

(圖2.6)

‧採FTSS公司之法規測試用人偶(含感測器)。

‧HYBRIDIII 50%(五十百分位)之前撞人偶(含感測器)。

‧EUROSID 之歐規側撞人偶(含感測器)。

‧HYBRIDIII 50%人偶可應用於美規與歐規前撞，可量測人偶之頭部傷害指數(HIC)、頸部傷害指數(NIC)、胸部傷害指數(V*C)、大腿軸向受力...等。

‧EUROSID可應用於歐規側撞(ECE R95)。

高速攝影系統

(圖2.7)

‧採用四部VRI/廠牌Phantom (V9) 之耐衝擊相機，有效解析度1,600x1,200；低解析度時片速60,000fps。

‧採用一部VRI (V6)之分離式相機 ，可接四個鏡頭。

‧採用四部512x512畫素，耐衝擊，On-Board之固定式高速攝影機。

‧分析軟體：TEMA分析軟體。

‧合計可同時搭配12個攝影鏡頭，進行高速攝影；可有效提供產業研究測試需求(一般法規測試需求約9個鏡頭)。

‧攝影機之拍片速度可達10,000fps以上(一般法規需求應達500fps以上)。

‧分析碰撞運動行為(亦包括Airbag Tracking及人偶頭形輪廓追蹤)。

三次元量測系統

(圖2.8)

‧採用Titanium Faro Arm之移動式三次元多關節量測系統。

‧測頭最大移動範圍：3084mm。

‧量測精度：0.025mm。

‧應用於量測車體相對或絕對變形量，包括方向盤之變形移動量或乘員之生存空間量測。

‧可應用於車體測試前/後之輪廓變化，或其它領域之研究測試。

資料擷取系統

(圖2.9)

‧採用Nicolet/Liberty之64頻道擷取系統。

‧軟體採用Nicolet /Perception操控軟體與DIAdem軟體，並搭配Crash Analysis Toolset及Clip兩種模組軟體。

‧可應用於碰撞過程中，車體與人偶之運動行為分析。

‧本實驗室採用金屬鏀素燈(Metal Halide)，色溫可達5500K，移動式燈光達256,000流明。

‧ARTC之專業化燈光系統，搭配高速攝影機，將可提供良好之影像解析，以利影像分析。

燈光照明系統

(圖2.1，2.5)

‧歐規之側面碰撞台車(含五個125kN荷重元) (圖2.10)

‧歐規之後面碰撞台車(圖2.11)

‧美規之靜態翻滾設備(圖2.12)

‧美規之動態翻滾設備(圖2.13)

‧角度(30度)碰撞治具(圖2.14)

‧側面碰撞(ECE R95)

‧後面碰撞(ECE R34)

‧可執行前方角度碰撞(FMVSS208)治具與碰撞台車

CAE模擬分析技術

(圖2.15)

‧前/後處理軟體：HyperMesh、PATRAN、FEMB等

‧動態特性分析軟體：ANSYS－LS-DYNA3D；ABAQUS

‧疲勞特性分析軟體：FATIGUE

‧可進行前方碰撞、側方碰撞模擬分析或零組件模擬分析..等。

‧比對實驗檢測數據。

1

2

3

4

5

6

7

8

9

(二) 技術指標：

‧建立歐規之前面碰撞檢測技術。(ECE R94)

‧建立美規之前面碰撞檢測技術。(FMVSS 208)

‧建立歐規之側面碰撞檢測技術。(ECE R95)

‧建立歐規之後面碰撞檢測技術。(ECE R34)

‧建立零組件碰撞模擬檢測技術。(ECE R16、ECE

R44波形測試)

‧建立實車碰撞所需人偶之校正技術(含前撞人偶

與側撞人偶校正)。

24 車輛研測資訊 2004-01

▲圖2.2：實車碰撞及碰撞模擬測試區上視圖

▲圖2.3：伺服加速模擬測試設備配置

▲圖2.4：碰撞模擬測試實例

▲圖2.5：碰撞主系統(前面偏置碰撞實例)▲圖2.1：實車碰撞及碰撞模擬測試區示意圖

▲圖2.6：正撞(右)與側撞(左)人偶

▲圖2.7：高速攝影系統

產業新知

車輛研測資訊 2004-01 25

▲圖2.8：三次元量測系統

▲圖2.9：資料擷取系統(Nicolet/liberty)

▲圖2.10：側面(歐規台車)碰撞檢測實例

▲圖2.11：後面(歐規台車)碰撞檢測實例

▲圖2.13：動態翻滾檢測實例

▲圖2.12：靜態翻滾檢測實例

▲圖2.14：角度(30度)前方碰撞檢測實例

▲圖2.15：CAE技術應用，前面碰撞試驗與電腦模擬分析比對

三、實車碰撞電腦輔助分析技術概要

ARTC「實車碰撞實驗室」建置完成後，將可

利用既有之檢測設備與分析能量，結合學、研界之

分析人才與資源，共同為產業界提供最大服務，一

般而言，國內學術界從事與碰撞相關之領域，均採

電腦模擬分析(CAE)等方法，然而普遍面臨之瓶頸

則是無法驗證模擬結果，而學界一般均具備很強之

模型建立與電腦分析之前、後處理能力，所以一旦

透過實車碰撞試驗累積資料庫，再經由產、學間之

合作，相信對產業界與學術界均能互蒙其利，在國

外產、學、研界之相互合作已相當普遍，其分工通

常由學術界先對車廠提供之CAD 模型進行CAE分

析所需之前處理作業，即利用如PATRAN等處理軟

體建立網格，接續與業界間相互配合進行各項條件

設定，包括車輛各零組件之材料特性、鈑件厚度、

車體各部接合點 .等參數設定，再與測試機構(如

ARTC)搭配進行碰撞試驗條件之設定、確認，最後

進行測試和分析，並驗證改善對策或提出改善方

案。近年來，由於電腦運算速度之大幅提昇以及非

線性有限元素分析法應用於接觸力學之理論日趨成

熟，所以利用電腦模擬技術，分析3D大變形車體結

構之抗撞性已蔚為潮流。ARTC於本年度(93)碰撞設

備之建置與檢測技術養成階段，亦同時建立實車碰

撞之電腦分析評估程序，由於使用電腦分析模擬之

優點包括(1)確認正確模型後，可迅速改變設計參數

(例如：厚度，材質，幾何形狀)，尋求最佳之結構

設計。(2)模型具重覆使用性，甚至修改後可應用於

其它類似結構之評估。(3)可降低實車檢測之失敗

率，大幅降低設計成本。因此，ARTC將著力於電

腦模擬分析技術之建立，並結合車體結構之原理與

蒐集實際之碰撞檢測資料，以提高實車碰撞模擬之

準確性，同時應用在車型開發前之結構特性評估，

以期作為業界開發新車型之設計參考依據。

目前有關碰撞模擬分析之國、內外研究大致可

分為四方面：(1)車體結構變形之模擬與分析。(2)

人偶動態之模擬與分析。(3)頭部、頸部、胸部之碰

撞傷害研究。(4)車體結構最佳化之模擬分析。然以

上所述，很少文獻詳細說明其學理依據與設計法

則；且所建立之模型更視為商業機密而不供他人使

用。因此，為助於讀者了解電腦分析技術之應用，

本文將舉ARTC與國立中正大學之合作研究例說明

評估程序架構與效益，說明如下：

(一) 電腦輔助分析評估程序介紹：

1. 由於國內實車碰撞實驗室仍屬設備建置階段，

初期先蒐集相關之學術與應用技術資料，包括

國內、外期刊、研討會論文集、網路資訊等。

初期重點將放在全車前面碰撞、側面碰撞、後

面碰撞。

2. 建立全車碰撞分析模型(FEM)，取得各項重要

模擬參數與設定邊界條件。

3. 評估模擬結果、分析並進行模型改善。

4. 進行模擬分析，建立碰撞資料庫。

26 車輛研測資訊 2004-01

產業新知

5. 選用結構相類似之車種，進行模擬分析，提供

初期開發依據。

本文以下所舉之碰撞模擬分析實例，為應用外

顯式有限元素法，探討車體結構參數之設計敏感

度。以LS-DYNA3D碰撞分析軟體進行模擬，最後

由分析所得之結果整理出重要資料，通常包括(1)車

體結構之受力曲線(Barrier Force)。(2)車體重心之減

加速度曲線(Deceleration Pulse)。(3)變形模態。

(Crash Shape Mode)。(4)變形能量分佈。(Strain

Energy Distribution)。而透過分析結果評估車輛之

結構特性，未來更可納入人偶模型並建構空氣囊系

統、安全帶系統...等進行乘員傷害模擬分析。

(二) 全車有限元素分析模型

實車碰撞模擬分析，一般利用結構動態衝擊分

析軟體LS-DYNA3D，本文為模擬全車前面碰撞動

態過程，節錄Ford Taurus之全車有限元素模型：

Ford Taurus(1993)全車模型乃從NCAC (National

Crash Analysis Center) 網站下載獲得，由26,801個

節點及28,362個元素組成，全車分成131Parts，如表

3.1所示。詳細模型如圖3.1、圖3.2所示。

由圖中可看出Taurus網格較寬，雖不利於表現

出車輛細部構造，但並不至於影響模擬分析，因此

有意義之模型簡化將省下可觀CPU計算時間。經由

有限分析前處理軟體(PATRAN)進行查驗後，Taurus

Model Mesh之網格品質可符合碰撞分析之要求。而

且檔案中附加Lump Mass、Nodal Constraint、Rigid

Body Constraint等碰撞模擬所需之重要參數。從以

上判斷，Ford Taurus全車有限元素分析模型，可適

合於PC上進行全車前撞模擬。而碰撞模擬過程中

Lump Mass、 Nodal Constraint及 Rigid Body

Constraint之設定為影響模擬結果之重要參數，因

此，良好之參數設定(接近實車之結構特性，如鈑

厚、焊點強度、鈑面之搭接方式...等)可使得模擬結

果更趨近實驗結果。同時，在不影響分析結果下，

簡化模型縮短程式運算時間，則是模型建立之重要

步驟。

車輛研測資訊 2004-01 27

▼表3.1：Taurus全車Nodes與Elements統計表Beam Solid Shell Total Total

Element Element Element Nodes Elements

Taurus 140 349 27873 26801 28362

▲圖3.1： Full Frontal Impact Baseline Model前視圖

▲圖3.2： Full Frontal Impact Baseline Model後視圖

Z

Y

X

Z

Y X

(三) 全車模型之驗證

本文所介紹之全車模型驗證，將進行模擬後之

軸向加速度曲線與實車測試之結果相比較。經過驗

證之全車模型，即成為後續模擬分析之基礎模型

(Baseline Model)。實車碰撞之實驗曲線可由文獻

【3】所取得。速度之設定為30MPH(48km/h)。X方

向減加速度曲線比較如圖3.3所示。由圖可看出分析

與實驗結果趨勢一致，即驗證所建立之模型可應用

於後續之碰撞模擬分析。

(四) Baseline Model模擬分析程序

在分析前，先決定分析模型所須擷取之資料，

其中較常擷取之資料有以下六項：(1)車輛質心。

(2)空氣囊感測系統(Airbag Electronic Control Units,

ECU)。(3)方向盤。(4)車門。(5)車門檻下緣。(6)其

他量測之加速規。在分析模型中所對應之節點如表

3.2。其有限元素模型之位置如圖3.4與圖3.5所示。

每個節點均可計算出減加速度、速度與位移曲線，

可用於建立碰撞資料庫，由於可分析之資料眾多，

本文僅選擇車輛質心分析結果與一組加速規輸出資

料進行程序評估介紹。

28 車輛研測資訊 2004-01

500000

400000

300000

200000

100000

0

-100000

-200000

-300000

-400000

-500000

-600000

-700000

-800000

-9000000.05 0.1 0.150

Time (sec)

X-C

ompo

nent

Acc

eler

atio

n(m

m/s

2 )

Full Scale Test

Full Car Impact Simulation--Full Frontal

▲圖3.3︰實驗室與模擬之軸向加速度曲線比較圖 ▲圖3.4︰碰撞模擬分析資料出處示意圖

項次 位 置 相對應 Nodes

1 質量中心(Vehicle Pulse) Node 53615

2 ECU Node 9203, Node9204, Node9205

3 方向盤上緣(Steel Column) Node19484

4 車門變形(Front Door) Node751, Node1355

5 車門檻下緣(Driver-Door) Node50, Node105, Node467

Node26742, Node26750,Node26758, Node26766,Node26774, Node26782,Node26790, Node26798

6 8個加速規(Accelerometer)

7 上、下樑內能(Strain Energy)

▲表3.2：碰撞模擬分析資料出處列表

質量中心

ECU

方向盤上緣

車門×2

車門檻前緣

加速規

1

3

2

2

3

4

1

4

4

5

5

6

6

產業新知

(五) 車輛質心分析程序

全車碰撞分析中所得之重要資料包括車輛質心

減加速度曲線（Vehicle Pulse）。該數據可用於後續

設計空氣囊、安全帶以及車輛內裝件分析時之輸入

條件。在確定了前面碰撞之Baseline Model後，進

行初速度為30MPH與35MPH之模擬分析。分析過

程中可針對車輛質心之減加速度(Deceleration)、速

度與位移曲線進行探討。本文僅針對研究中之一項

數據進行介紹，圖3.6所示為進行30MPH與35MPH

時三種碰撞方式之質心加速度變化趨勢模擬分析：

碰撞方式分別為(1)全車正面碰撞(Full Frontal)。(2)

全車固定壁半幅偏置(50% Offset)。(3)全車三十度

傾斜固定壁(30 Degrees Oblique)所產生之X方向減

加速度曲線。所得之減加速度峰值以35MPH/偏置

時為最大，此乃因偏置碰撞時僅半邊車體承受撞

擊。由於模擬結果與實際之車體結構設計及車輛質

心位置息息相關，此分析結果之趨勢與一般由實驗

所得之結果相符合。由於電腦分析可擷取之資料眾

多，本文僅介紹分析程序，故其它參數相關性及Y

方向與Z方向減加速度特性暫不討論。

(六) 加速規分析程序介紹

模擬全車碰撞分析中，另一重要結果為車體內

各處放置之加速規所擷取之數據。圖3.5為八處加速

規位置圖。加速規位置通常為感測器之置放位置。

藉由全車碰撞之模擬分析可了解車體各部分之變形

趨勢，即由各節點之減加速度或速度輸出曲線，掌

握不同速度碰撞時加速規之感測訊號。從而設計相

關零組件控制系統之Governing Equation。例如：圖

車輛研測資訊 2004-01 29

500000

0

-500000

-1E+06

-1.5E+060.05 0.10

X-C

ompo

nent

Acc

eler

atio

n(m

m/s

2 )

Time (sec)

Full Frontal-30MPH

Half Barrier-30MPH

30Degrees-30MPH

Full Frontal-35MPH

Half Barrier-35MPH

30Degrees-35MPH

▲圖3.6：在30MPH與35MPH時X方向之車輛質心加速度曲線圖

▲圖3.5：加速規位置圖

Nd267742 Left Rear

Nd26790 Interior Panel

Nd26782 Left Caliper

Nd26758 Engine Top

Nd26766 Engine Bottom

Nd26774 Right Caliper

Nd26750 Right Rear

Nd26798 Floorboard

1

2

3

4

5

6

7

8

1

78

2

4 3

56

Z

Y

X

3.5中Nd267742與Nd26750即放置側撞時感測器之位

置。圖3.7與圖3.8分別繪出在30MPH時八處加速規之

X方向速度與位移曲線變化。由圖中可發現X速度分

量明顯有兩族群之差異，原因為加速規置放位置不

同造成，較靠近車體前端之加速規，速度曲線呈現

較大變化，尤其是引擎前端(Nd26758)，而位於車體

後方之加速規所受撞擊力較輕微，曲線相對趨緩。

在位移曲線方面，引擎前端之位移量最小，而位於

車體後方之加速規位移較大而平緩。此分析結果之

趨勢與一般由實驗(文獻)所得之結果亦符合。關於其

它參數分析資料之描述，因本文僅介紹分析程序，

故其它方向(Y與Z方向)之加速度、速度與位移特性

暫不討論。

(七) 後續發展與效益：

經由以上介紹，電腦分析技術之應用將可有效

分析車體之結構特性，協助產界進行車體結構之改

善，後續除了可朝向分析方法之改善與提昇分析效

率外，更可結合ARTC之檢測設備，包括全車碰撞模

擬系統、實車碰撞主系統、高速攝影與影像分析系

統...等驗證分析結果，後續將加入人偶與車廠各車

型之專用配備等安全系統(如空氣囊與安全帶及座

椅...等)，逐項建立屬於車廠之資料庫，一旦資料庫

建立後，未來針對相類似之車體結構時，其車型開

發將更具效率且可降低實車碰撞之驗證測試失敗機

率，大幅降低研發成本。圖3.9為實車碰撞分析程序

基礎架構。

30 車輛研測資訊 2004-01

Time (sec)0

14000

13000

12000

11000

10000

9000

8000

7000

6000

5000

4000

3000

2000

1000

0

-1000

-2000

-3000

X-C

ompo

nent

Vel

ocity

(mm

/s)

2674226750267582676626774267822679026798

0.05 0.1 0.15

▲圖3.7：加速規X分量速度圖

600

500

400

300

200

100

0

Time (sec)0

X-C

ompo

nent

Dis

plac

emen

t(m

m)

0.05 0.1 0.15

2674226750267582676626774267822679026798

▲圖3.8：加速規X分量位移圖

產業新知

車輛研測資訊 2004-01 31

蒐集實車碰撞設備之學術

與應用技術相關資料。

碰撞分析程序規劃(含整

車與零組件模組)。

全車模型與網格建立(含

車體各項重要參數設定，

如鈑厚、焊點等)。

FEM碰撞模擬分析(含前

面、斜向碰撞分析、偏置

碰撞分析)。

結合試驗數據，建立碰撞

分析資料庫。

分析方法改善與研發：結合MATLAB與LS-DYNA 探討結構參

數(如車體鈑厚、焊點、鈑件搭接方式等)之影響性。

進行碰撞模擬分析，判讀

分析結果。

四、結論與建議

1. ARTC規劃之實車碰撞實驗室於92年11月動土興

建，預計於93年底前，完成設備驗收工作，並

開始協助產業進行車輛研發碰撞測試，95年

起，將協助產業進行車型結構偵錯與改良技術

應用。

2. ARTC規劃之碰撞設備除了考量現有經費可發

揮最大效益外，並著重實務與研發，故採碰撞

主系統與零組件碰撞模組分軌設計，同時大幅

提昇零組件碰撞模組之檢測能量，此外，實驗

室採可擴充性之設計原則，未來可視需求擴展

檢測能量。

3. ARTC規劃之實車碰撞實驗室與電腦模擬分析

技術可協助車廠每車型縮短開發時程，大幅降

低成本。

五、誌謝

ARTC「實車碰撞實驗室」能順利建立，除了

感謝經濟部技術處之大力支持外，國內車輛業界、

學界亦於設備規劃期間，不斷提出指導與協助，在

此，謹致上十二萬分謝意。

六、參考資料

1. 陳偉霖，「實車碰撞設備規劃報告」，財團法人

車輛研究測試中心，(2003)。

2. 劉德騏，「實車碰撞設備之應用分析與車體撞

擊分析程序之技術建立」，中正大學，(2002)。

3. Dhafer Marzougui, Cing Dao Kan, and Nabih E.

Bedewi, "Development and Validation of An

NCAP Simulation Using LS-DYNA3D,"

FHWA/NHTSA National Crash Analysis Center.

4. 許文賢，「實車碰撞技術之需求應用與效益分

析」，車輛研測資訊, 第32期，(2003)。

5. 許文賢，「實車碰撞之應用與效益分析報告」，

財團法人車輛研究測試中心，(2002)。

6. 許文賢，「實車碰撞設備對車輛產業影響評估

報告」，財團法人車輛研究測試中心，(2002)。

▲圖3.9：實車碰撞分析程序基礎架構