浅谈汽车碰撞安全研究.doc

汽车碰撞与安全研究车辆工程 陈国强摘要：汽车的碰撞安全性问题是当今世界汽车工业亟需解决的一大难题，提高汽车碰撞性能的最基本的途径是发展汽车碰撞安全性设计与改进技术.文中主要介绍了汽车碰撞技术的发展现状，国内外相关的法规，并对汽车碰撞安全性的设计方法，如经验法、解析法、多刚体动力学法、试验法以及有限元方法进行了归类和总结。关键词：汽车碰撞；安全；现状与发展Abstract： Vehicle passive safety issue is a big and urgent problem for worldwide automobile industry to solve as soon as possible. The basic approach of protecting people from being hurt or killed in an accident is to improve crashworthiness of vehicles。 This paper starts with discussing theories and methods for vehicle passive safety design， which included experiential methods, analytic methods， multi-body dynamics methods, crash test methods and the finite element method。Key words: Auto collision； safety; current conditions and development 0 引言科学技术的发展,汽车己经成为人们生活中必不可少的交通工具。而在汽车交通事故中每年的死伤人数，常常超过世界的局部战争，交通事故已经成为人类社会的重大公害之一.从全世界的统计数字来看，每年因道路交通事故而死亡的人数已高达50多万人1。与世界其他各国相比，我国的汽车总拥有量只占5%,而交通事故死亡人数却占1002，并且碰撞事故中的死亡率也大大高于欧美、日本等工业发达国家，其中除了人为的因索外，车辆本身的碰撞安全性达不到要求是一个重要因素。因此，汽车的碰撞安全性问题,已成为近十多年来汽车工业的主要研究问题和攻关方向，世界各发达国家都对汽车碰撞安全性做出强制性要求，并建立了各自的法规.1 汽车碰撞国内外法规最早的汽车碰撞安全性法规诞生于60年代中期的美国3,在此之前，世界上并没有任何对车辆的碰撞安全性能进行要求限制的法规，一些有关汽车碰撞安全性问题的研究主要是依赖于汽车生产厂家的自觉性及对公众的责任感.1965年，美国汽车工业部门拨款一千万美元给密西根大学建立公路交通安全研究所4。1966年，设立了运输部，并颁布了公路安全法规和国家交通与汽车安全法规,其中的汽车安全法规即著名的FMVSS系列法规5，它提出了包括关于事故防止、伤害保护、伤害后的保护及其它用以帮助提高汽车碰撞安全性的规则。安全法规在美国取得的成功给其它国家带来了启示，紧随美国之后，欧洲、日本等汽车工业发达国家的政府部门也相继采取了类似的行动，取得的效果同样也是非常显著。法规中比较有代表性的是美国的联邦机动车安全法规(FMVSS)和欧洲法规（ECE和EEC） 6，其他如日本、 加拿大、 澳大利亚等国家的法规基本上都是参考美国和欧洲的法规制定的。中国已于2000 年1月1日实施了“关于正面碰撞乘员保护的设计规则(CMVDR294）”, 规定从1999年10月以后新申请上目录的车辆必须满足该法规的要求7。对于该法规在实施前已经在我国销售的达不到该法规要求的进口车辆,则取消进口许可.对于达不到法规要求的在生产车辆，要求 2002年7月1日前通过结构改造达到该法规要求，否则必须停止生产.2 国内外研究现状汽车的碰撞安全性问题是世界汽车工业长期以来而临的一大难题，国外对这一问题的研究已进行了将近一个世纪，30年代即开始采用简单的实车碰撞试验，50年代之后发展了台车模拟碰撞试验，80年代以后发展了基于碰撞有限元理论的计算机仿真技术，目前国外在这一领域的相关研究大多采用这一技术8。1993年,英国交通研究实验室（Transportation Research Laboratory ）对某一轿车的前撞进行了仿真计算,计算采用巨型机和OASYS-DYNA3D动态非线性有限元计算分析软件.整车模型由25000个变形单元组成，计算100 ms的车辆撞击响应过程，耗时30 cpu小时。计算得到了车辆撞击过程中的加速度变化曲线及车辆的撞击变形等9。1995年，美国Ford公司进行了轿车与护栏前撞的仿真计算。计算采用CRAY C-90型巨型机和RADIOSS商用非线性有限元碰撞分析软件10。整车模型由31500个节点、30800个单元组成.单元类型包含有壳单元、实体单元、梁单元以及非线性弹簧单元等.计算得到了撞击时仪表板等侵入驾驶室的尺寸、车辆撞击变形及车辆中的乘员损伤情况。1989年，清华大学汽车系建立了国内第一个简易的实车碰撞试验台并进行了一些探索性的车辆碰撞试验研究，取得了较好的效果，在国内汽车工业界造成了一定的影响11.随后，中国汽车技术研究中心(天津）、东风汽车工程研究院(襄樊）、交通部公路交通试验场(北京)以及湖南大学机械与汽车工程学院等单位也先后建立了汽车碰撞试验设施,1997年5月，清华大学汽车系裘新等人利用简化的车辆模型实现了某轻型车的前碰撞仿真模拟12。1998年10月，长春汽车研究所贾宏波等人完成了“红旗”牌轿车车身前碰撞的仿真计算.北京理工大学、同济大学、湖南大学等都相继完成了轿车车身或轿车整车的碰撞仿真研究工作。3 汽车碰撞安全性设计方法在对汽车的碰撞安全性进行设计研究时，由于涉及面广,因此，需要采用的理论和方法也是多种多样的，主要的方法有经验法、解析法、多刚体动力学法、试验法及有限元法等13。目前，国外对汽车碰撞的仿真研究大多强调最后的阶段，即建立大量有限单元的整车模型（单元数从2万到10万或更多),对整车结构进行最终碰撞性能的校核;然而，在一般车辆的初始设计阶段，可能没有制作详细的车辆碰撞校核模型所需要的信息和时间.因此，简单化的碰撞仿真设计方法和手段在实际的应用中更受欢迎，这将是应用计算机仿真技术进行车辆结构碰撞性能设计的趋势。3.1 经验法早期在汽车被动安全研究中采用的主要研究手段是试验的方法,汽车结构耐撞性和各种安全约束保护系统性能的检测几乎都依靠实验手段和研究人员的经验来实现，需要经历很长的周期和花费大量的资金。由于初始起步研究阶段缺乏相应的理论,并且研究受到整个工业化水平及条件的限制，因此，研究手段和方法大多只能凭借人们日常生活中的经验或想象，这种研究可称为“经验法。关于“经验法设计研究的一个典型的例子是当时对汽车转向柱的设计与改进14.在汽车的碰撞安全性问题受到人们重视之前的那一段时期，一旦发生汽车碰撞事故（这里主要指车辆前部正面碰撞事故)，一个最为突出的问题就是转向机构发生较大的向后位移，从而对驾驶员造成致命损伤。针对这一现象，当时的汽车设计师们根据日常生活的经验设想，如果撞击时转向柱能够较为轻易地被压缩，比如用弹簧或铰接杆来代替刚性的直杆，那么撞击损伤就可能减轻或避免.图3。1(a）所示的中置弹簧式转向柱在受到碰撞时既可被压缩，同时又具有一定的缓冲吸能作用，图3.1(b)所示的铰接式转向柱能被压缩,但不具备吸能能力。经验设计法往往并不需要很深的理论，但却是一种创造。图3.1 经验法设计实例-转向柱（a)中置弹簧式；（b)铰接式在随后的汽车发展过程中，“经验法”设计仍然发挥着它的重要作用，许多结构上的重大创新往往都是来自人们的“经验”或“灵感。仅从碰撞安全性设计方面来讲，就有安全带、安全气囊等碰撞安全部件的发明是直接依据人们的经验而得到的，至于现今一些车辆上广泛使用的能量吸收式转向柱则是在初始经验的基础上逐步发展完善起来的。值得指出的是，虽然“经验法是最直接的设计方法，但是仅仅依据经验而作的设计往往是不完善的,需要再辅以其它方法加以研究，比如工程计算分析，试验校核或试验验证等，只有这样才能把人们的直接经验转化为科学、实用、可靠的产品。因此，要发展汽车碰撞安全性设计与改进技术,除了需要借鉴人们长期积累的经验外,还应结合现代的科学及工程方法。3。2 解析法在工程实际中，定性设计是基础，定量分析是具体的实施手段，因此,到了六、七十年代,“解析法”开始被应用到汽车碰撞安全性设计与改进中来，用以计算整车或某些车辆部件的撞击力或撞击变形，因为这些部件或子结构的变形对整车的碰撞安全性影响重大.例如，驾驶室前壁和挡风玻璃立柱的过大变形将导致转向柱突入乘坐空间；抗扭箱梁过大的撞压变形将引起驾驶室搁脚板的变形;而其他重要的量还包括撞压力，它不应超过乘坐室的负荷极限等，这些结构的动力负荷和变形问题不能仅仅依靠经验而得出，而是需要加以定量分析计算的。解析法的优势是能够精确地求解，这是对简单构件而言的，但在当时的条件下，精确计算汽车前部结构的变形或撞击力是困难的,可用的方法是对结构采取一定的简化和假设,刁一能具体地求出汽车在不同条件如撞击速度、质量分布和几何形状下的冲击响应，如汽车质量的运动、零部件的撞击变形历程和能量吸收等，从而为设计提供依据。解析法的另一个优势是，一旦建立了某一车辆的分析模型,就会给后续的改进研究工作带来很大的方便.比如,通过分析需要改进车辆的某一抗力元件，则只需重新测量该部件的抗力性能，便可在原有车辆的基础上，对改进的结果进行再评估.图3。2所示是一个简化的车辆模型15，它由三个集中质量和八个非线性抗力元件组成，用以分析车辆以初始速度Vo撞击障碍物时的车辆前部结构响应。图3.2 汽车正面撞击障碍物的解析模型3。3 多刚体动力学法在关于汽车碰撞安全性的所有研究中，研究的目的或核心对象都是基于乘员，即所有的研究都是围绕着对乘员的保护进行的，因此，对人体本身的碰撞损伤研究是一个必不可少的研究课题.这类研究包括人体承受外部冲击能力的研究、人体的生物力学特性研究以及碰撞损伤评价指标与方法研究等。对乘员的受撞研究始于70年代，目前比较成熟的或广泛使用的研究方法是多刚体动力学法，该方法以荷兰国家科学研究院(简称NTO）研究开发的MADYMO软件为代表，它基于乘员特征、乘坐环境、约束系统和碰撞状态建立由铰连接的多刚体系统模型,如图3。3所示,用以进行碰撞受害者的运动和动力响应计算和分析16.图3。3 乘车多刚体系统动力学分析模型多刚体动力学方法以刚体来代表地板、仪表板、座椅、转向系和假人等，多刚体坐标系间的相互作用通过接触来定义，作用力的大小依据贯穿量和接触特性来计算。多刚体系统模型的输入为车辆所承受的撞击加速度曲线，输出结果为假人各部分的受力、减速度历程曲线以及伤害指标等.由于多刚体动力学方法以刚体来代表分析和受力的对象，因此，它不能直接用来计算分析车体结构的受撞变形，而只能用来评价乘员在特定碰撞状态下的响应等,仅限于乘员碰撞研究。3。4 试验法试验法是一种最直接、最客观的设计与验证方法。试验的目的是为了能够再现实际道路上的车辆碰撞事故并对其进行研究，因此,一般都需要建立特定的碰撞试验设施,比如牵引机构、障碍壁、电测量系统、高速摄影测量系统以及专用的测试用假人等，另一方面,从可能发生的碰撞事故考虑，必须研究各种不同形式的碰撞,也即碰撞试验的撞击形式以及测试内容也是多种多样的，仅实车一类的碰撞试验就有实车币面碰撞、偏置碰撞、侧面碰撞、追尾碰撞以及车对车的碰撞等，除此之外，还有零部件的碰撞试验,如安全带、安全气囊的动态碰撞试验、座椅、仪表板、转向机构以及车辆其它子结构的动态试验等；如果从碰撞试验的性质来分，又可分为法规碰撞试验、部件匹配试验以及自行开发研究试验等，可以说，试验法在汽车碰撞安全性的研究领域内应用得相当广泛。总结起来，碰撞试验法的作用大致可分为如下三个方面17:(1)对比优选当需要从同一部件的几种不同设计方案中选择一种设计方案，或者是对某一设计方案进行改进研究时，通过试验结果的对比能够直接达到优选方案的目的。因此，试验对比法是常用的设计方法。比如，安全带或安全气囊等安全零部件与整车结构的性能匹配设计,通常即可由试验对比法来完成。(2)安全性评估碰撞试验能够直接测量出各种撞击结果，如人体各部位的加速度值、人体胸部压缩变形以及腿部受力等，根据这些结果可直接评估某一特定的设计或修改是“行或者“不行”，这对于设计初期的方案确定往往非常重要。试验评估的内容也可以是多方面的,如结构碰撞变形模式的好或坏,车体撞击减速度值的高或低以及人体撞击伤害指标值的大或小等.（3)辅助设计与改进任何零部件的设计,都不太可能一次就达到最佳状态，对碰撞性能而言更是如此,设计的中间过程需要反复,需要一步步的改进。通过多次的试验及对试验结果的观察，可找出设计中存在的不足或缺陷，从而确定改进的目标或方向,因此,试验法是辅助设计与改进的一种十分有效的方法和手段。与其它研究领域中的试验方法不同,汽车碰撞安全性试验是一种破坏性的试验，每一个产品只能试验一次，不论是车辆零部件、车身结构还是整车,试验一次即失去了再利用的价值,所以说，碰撞试验是一种昂贵的试错过程,尽管试验法具有以上所述的诸多优越性，但如果在整个车辆的碰撞安全性设计与改进研究过程中都完全依赖于试验方法的话，则不仅需要花费大量的时间,更要付出高昂的代价。3。5 有限元法现代汽车的设计、改进、开发过程中，降低成本与缩短时间始终是关注的核心问题。这就需要能够尽快、用尽可能小的代价了解汽车的碰撞规律,拿出切实可行的设计方案和改进方法,提高汽车的耐撞性。但是要对一辆汽车，甚至是一个部件进行理论分析，确定其碰撞特性是非常困难的。准静态分析如此，如果再考虑到材料缺陷和制造误差带来的诸多不确定因素，用理论分析的手段来解决汽车的耐撞性问题几乎是不可能的,而采用有限元方法 FEA （Finite Element Analysis) 进行计算机模拟计算是一种行之有效的方法。汽车耐撞性分析的有限元法是二十世纪八十年代以后逐步发展和完善起来的先进技术，如今已在汽车工业发达国家得到广泛的应用，并已取得了巨大的成就。与碰撞试验方法的不同是，有限元法是一种数值方法，分析与计算都是在计算机上完成,它所具有的优势是方便、快捷并且花费相对低廉，因此在当今的汽车碰撞安全性研究中占有特殊重要的地位。碰撞有限元法的应用也是十分广泛，如进行整车的碰撞分析（如图3。4所示),部件或结构的碰撞分析、或者是安全带、安全气囊与假人的碰撞作用分析等，其求解的内容可包括车身、车架等的撞击变形及动态响应以及人体的碰撞响应等多种未知量；求解的结果可直接用来评价车辆或部件碰撞安全性能的好坏,以帮助改进结构设计中的缺陷等。图3.4 汽车碰撞变形分析18碰撞有限元法所具有的巨大优势主要表现在以下几个方面19:（1）花费低廉，即一个模型可用来进行无数次的碰撞而不损坏;（2）如果结构发生了变化，只需改动模型中的相关参数即可进行再次的碰撞分析，这比实体修改后再试验的过程更方便、快捷，利于多种方案的快速分析和比较;（3)不需要任何的测量仪器，就可输出所需要的撞击结果，如某结构部位的撞击加速度、结构上某一点的位移、结构的变形能以及人体的撞击受力等等，并且有些结果是试验无法测到的；(4）能够任意多次地重复再现各个部件的中间变形过程,方便设计人员对结构的观察、分析和改进。尽管有限元法具有强大的优势和功能，但它并不能脱离试验而单独存在，这是因为一方面,碰撞计算所需要的众多参数，如材料特性、部件连接特性等，都必须由试验来提供；另一方面，有限元分析受人为因素的影响较大，如模型的建立，仿真参数的选择等可随分析人员的不同而不同，因此，仿真计算的结果一般需要通过试验加以验证，只有经过验证的模型才是正确和可用的模型.在实际工作中，为了最大限度地发挥出有限元法的能力与潜力，必须使之与试验有机地结合起来。4 汽车碰撞研究的发展趋势提高仿真运算速度与仿真结果的可靠性是汽车碰撞仿真技术发展的核心汽车碰撞仿真技术的最大优点就在于它能对还未制造出的产品设计方案进行安全性评估，提出设计改进方案,从而提高了新车型满足极高的碰撞安全性要求的成功率。在这方面，仿真技术本身的可靠性起着决定性的作用。4.1 开发新的人体模型在人体模型模拟技术中，使用最多的是多刚体系统动力学方法。它用于计算假人头部伤害指数HIC、胸部质心处合成加速度及大腿轴向合力等参数，以便判断是否满足法规要求。目前采用有限元方法建立人体结构生物力学模型，可以比较真实地描述人体局部结构的变形.但为了更精确分析人体在汽车碰撞时的运动学与动力学响应，开发新的人体模型模拟技术仍是汽车碰撞仿真研究的难点。4.1 寻求接触搜寻新算法20前纵梁是吸收汽车正面碰撞冲击能量的主要部件。碰撞发生时,前纵梁将以屈曲形式被压溃，直至变成波纹管状.材料的塑性变形吸收了冲击能量，被压溃的前纵梁的最终长度一般只有原长的20到30，同时,汽车前部压皱区的其他零部件还会发生另外形态的变形,从而使接触搜寻比较困难。在汽车碰撞仿真工作中，用于接触处理的时间占运算时间的60到80%，所以接触算法的品质直接影响碰撞仿真软件精度和仿真运算速度。4。3 降价积分新技术在显式有限元程序中，常常使用单点积分计算单元节点内力21。这样不仅避免了全阶积分时“剪切自锁”现象，而且提高了软件的运算速度。然而，如何克服由此产生的“砂漏”现象,是显式有限元法的一个新难点。“砂漏抑制算法的有效性在很大程度上依赖于控制参数的选择。控制参数若取得太小,则“砂漏现象仍会出现.若取得太大，则“剪切自锁”现象会重现。目前,普遍倾向于牺牲部分运算速度以换取“砂漏”控制可靠性的做法，以求速度与可靠性兼顾.其中最成功的是适用于壳体单元的交叉降价积分法与适用于任意单元的灵活降价积分法。前者的主导思想是在壳单元参考面方向与厚度方向交叉进行降阶积分,并将对角线上积分点和剪应变进行加权平均。这样，一方面可减少数值积分计算量和消除薄壳自锁现象。另一方面根据实际变形模式来消除“砂漏，提高了计算可靠性。后者主要是根据单元所处的工作状态，交叉使用降价积分，即当单元完全处于弹性工作状态时,使用单点积分.当单元的一部分处于弹性而另一部分处于塑性工作状态时，使用多点积分；而当单元全部处于塑性工作状态时，又对该单元采用单点积分。5 结论汽车是高投入、高产出、高风险的高科技产品,其市场竞争力和寿命与产品的高科技含量息息相关。为使我国汽车工业实现具备自主开发新车型的能力，产品和制造技术达到当代国际水平的目标，应密切注视汽车碰撞仿真研究领域的发展动向，并尽快使其转化为生产力。各汽车制造厂商应抓紧时机对其现有的汽车产品进行正面碰撞耐撞性改进，并且力争在汽车新品开发中使产品具有高的被动安全性品质，力图以核心竞争力的提升占据市场竞争的制高点。开展汽车安全性研究改进车辆耐撞性设计，提高乘用车碰撞安全性，降低交通事故的死亡，是我国汽车行业研究的重要课题,也是汽车制造企业十分紧迫的任务。参考文献1佐藤武主编，吴关昌等译.汽车的安全M。北京：机械工业出版社，1988： 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