（光学工程专业论文）汽车碰撞安全性设计与改进技术.pdf

摘要 摘要 汽车的碰撞安伞性问题是当今附界汽车工业亟需解决的一大难题，碰撞事故 不仅给人类社会带来了【- 三大的经济损失，更夺去了成千j ：万无窜乘员的生命，提 高汽车碰撞性能的最基术途径是发展汽车碰撞安全性设计与改进技术。文中对汽 车碰掩安全性的设计理论和方法进行了归类和总结，其中包括经验法、解析法、 多刚体动力学法、试验法以及有限儿方法等；_ 蕈点介绍了碰撞有限兀法的基本理 论和有关算法，涉及到有限儿求解控制方程、单元离散、沙漏模态控制、时问积 分、材料模型和应力修t 、薄壳单元算法以及接触碰撞界面算法等，探讨了有限 元汁算中的材料模型参数获取技术，开发了相应的材料试验装置及材料模碧参数 反求软件，在此基础上进行了基本的碰撞仿真算例和试验对比研究；文中通过应 用有限元方法研究了薄壁构件的碰撞吸能特性，指出了设计薄壁吸能构件时需要 考虑的几个主要影响因素，即焊点、壁厚、横截面和预变形等；在关于车辆部件 的碰撞安全性能设计中进行了吸能转向机构和自适应安全气囊的仿真研究，提出 了吸能转向机构和自适应安全气囊的仿真研究方法；文中最后探讨了整车碰撞性 能的设计与改进方法，提出了以理想碰撞特性为目标，采用分段加速度或者根据 碰撞时间进行设计的反推设计法、部件吸能仿真优化设计法等量化设计方法，并 通过综合应用文中所讨论的相关技术进行了整车碰撞性能的设计与改进实例研 究，所选定的车型是大众化的普通轿车和碰撞安全性基础较差的微型面包车，研 究结果表明，本文所提出的设汁与改进方法是适用而有效的，具有重要的工程实 用意义和价值。 关键词：汽车碰撞安全性设计技术仿真 a b s t r a c t a b s t r a c t v 曲i c l ep a s s i v e s a f e t y i s s u ei sa b i g a n du 唱e n t p r o b l e m f o rw o r l d - w i d e a u t o m o b i l ei n d u s t r yt os o l v ea ss o o na sp o s s i b l e n o to n l yd i dt h ec r a s ha c c i d e n t sb r i n g g r e a te c o n o m i c a i1 0 s st oh u m a ns o c i e 也b u ta l s ok i l l e dh u n d r e d so ft h o u s a n d si i m o c e n t p a s s e n g e r s t h eb a s i ca p p m a c ho fp r o t e c t i n gp e o p l ef j o mb e i n gh u r to rk i i l e di na 1 1 a c c i d e n ti st oi m p r o v ec m s h w o r t h i n e s so fv e h i c l e s t h i sp a p e rs t a n sw i t hd i s c u s s i n g t h e o “e sa n dm e t h o d sf o rv e h i c l ep a s s i v es a f e t yd e s 培n ，w h i c hi n c l u d e de x p e r i e n t i a l m e t h o d s ，a n a i y t i cm e t h o d s ，m u l t i _ b o d yd y n 锄i c sm e t h o d s ，c r a s ht e s tm e t h o d sa n dt h e f i n i t ee i e m e n tm e t h o d e m p h a s i sw i l lb ep a i dt ot h eb a s i cf e mt h e o r i e sa n da l g o r i t h m s o fi m p a c t p r o b l e m s t b p i c sd i s c u s s e d i n c i u d em eg o v e m i n ge q u a t i o n ，e l e m e n t d i s c r e t i z a t i o n ，h o u 唱l a s sc o n t r o l ， t i m e i n t e g r a t i o n ， m a t e r i a jm o d e l s h e l le l e m e n t a l g o r i t l m sa n dc o m a c t - i m p a c ta l g o r i m m s f o rm o r er e l i a b l es i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h i 8 p 印e rt h e nc o n d u c t ss t u d yo nh o wt oa c c u r a t e l yg e tm a t e r i a lm o d e lp a r a m e t e r sb y c o m b i n i i l gt h ef e mm e t h o dw i me x p e r i m e n t a lm e t h o d ：a n dd e v e l o p sr e l e v a n tm a t e r i a l t e s tm a c h i n ea 1 1 dp a r a m e t e rc a l c u l a t i n gs o r w a r e b a s e do nt h a t ，b a s i ct y p i c a li m p a c t s i m u l a t i o na n dt e s tv a l i d a t i o ns t u d ya r ec o n d u c t e do nt h eb a s i so ft h ea b o v ew o r k ，t h e p a p e fs t u d e st h et h i n s h e l ls t m c t u r e s c r a s h w o r t h i r l e s s ，w h i c hw a sa f r c c t e db yt h e f o l l o w i n g f a c t o r s： s p o t w e l d f e a t u r e s ， s h e u t h i c k l l e s s ， c r o s s s e c t i o na 1 1 d p r e d e f o n n a t i o n a st ov e h i c l ep a r t s c r a s h w o r t h i n e s s ，t h ep 印e rc o r l d u c t ss i m u l a t i o n s t u d yo fd e s i g n i n ge n e r g y a b s o r b i n gs t e e r i n gs y s t e ma n da d a p t i v ea i r b a gs y s t e m a p r a c t i c a le n e r g y a b s o r b i n gs t e e r i n gw h e e li sd e s i g n e d a sa ne x a m p l e i n 舒m e rd e p t h r e s e a r c h ，t h ep a p e rs u g g e s t ss e v e r a li n v e r s eq u a n t i f i c a t i o n a l m e t h o d sf o rv e h i c l e c r a s h w o n h i n e s sd e s 适nb a s e do nt h ei d e a lc r a s hc h a r a c t e r i s t i c s t 1 1 ea b o v em e o r i e sa n d m e t h o d sa r ea p p l i e dw i t hg o o dr e s u l t st 1 1 r o u 曲 s e v e r a l p m c t i c a l v e h i c l e s c r a s h w o r t h i n e s sd e s i g na n di m p r o v e m e n t k e yw o r d s ：v e h i c l e c r a s h 、v o r t h i n e s s d e s i g nt e c l l i l i q u e sc o m p m e r s i m u i a t i o n 第一章绪论 1 1 汽车的碰撞安全性 第一章绪论 自从汽车诞生以来，人类的道路交通问题得到了前所未有的改善，但同时人 类社会电受到了汽车所带来的巨大伤害，即汽车的碰撞事故给人类造成的生命财 产损失。据测算，在近l o o 年中，全世界已有3 2 0 0 多万人死于车祸，1 亿多人园 车祸伤残1 ；直到目前，全世界每年仍有7 0 多万人因车祸死亡，1 2 0 0 多万人因车 祸受伤“7 。车祸致死的人数已大大超过了同期死于战争的人数，这无疑表明了汽车 碰撞事故给人类社会造成伤害的严重性。 相对于发达国家来说，我国的情况则更为严重，从1 9 7 0 年到1 9 8 5 年的1 5 年 中，发生的车祸导致1 3 2 万多人受伤，2 7 万多人死亡”。1 9 8 5 年后，随着我国工 业的飞速发展，车辆数量开始急剧增加，道路交通也变得更加拥挤，其结果是每 年车祸发生的频率逐步增高，导致的死亡人数也呈不断上升的趋势，国家有关部 门对此进行了统计，得到的数字结果如表l il 所示。 表l - l中国每年车祸死亡人数统计 年份死亡人数( 下限) 1 9 8 5 h 1 9 8 7 5 万 1 9 9 2 6 万 1 9 9 51h ( 注：表中的数据摘自参考文献 2 ) 到了1 9 9 8 年，全国共发，卜交通事故3 2 厅多起，造成7 3 j 多人死亡：，3 0 多 万人受伤，直接经济损失1 8 6 8 亿元，相当于平均每天就有2 0 0 多人死丁车祸。 与世界相比，我圈的汽车总拥有肇只；5 ，而交通事故死亡人数却占1 ( ) ，并日 碰掩每故中的死j 、：二红也夫人高r 瞅炎、h 本等丁、【k 发达困家，其中除了人为的闪 索外，肯i 辅本身的瓶掩安全性达不剑要求足。个重要因素。 需要指h 的足，实际道路 ：乍辆发，e 碰掩事故的类j 诅是多种多样的，常见的 第一章绪论 碰撞形式有前部正面碰撞、成一定角度碰撞、侧面碰撞、追尾碰撞以及侧翻等， 但国外对大量汽车碰撞摩故的统计研究表明，在所有这些碰撞事故中，车辆发生 前部碰撞的比率占到5 0 以上【，参见图1 1 ，并且乘员也大多是在这一类碰撞事 故中受伤或死亡，参见表l _ 2 和表1 3 中。另外，受伤乘员的比例数还与相对碰撞 速度( 即v ) 有很大的关联，图1 2 的统计曲线显示了这种关系，因此，从保护 大多数车辆乘员的生命意义上来说，最值得重视和研究的碰撞类型应为中高速行 驶的车辆前碰撞。 图1 18 0 年代美国车辆碰撞发生部位统计”1 ( 括号中的数据为维多利亚卅i 的统计) 表1 2 各国车辆事故类型的统计车辆事故类型的构成率 国家正面碰撞侧面碰撞后面碰撞翻车( )伤害程度 ( )( )( ) 日本( 1 9 7 8 ) 4 92 791 5 死亡事故 美国( 1 9 7 8 ) 5 42 93 1 4 死亡事故 法国( 1 9 6 8 ) 5 73 12 1 0 重伤和 死亡事故 联邦德国 6 33 043 重伤和 死亡事故 意大利 5 72 51 26 轻伤、重伤和 死亡事故 英国 6 42 237 重伤和 死亡事故 ( 注：表中的数据摘自参考文献 1 】) 2 第一章绪论 表13 澳大利亚的车辆碰撞事故类型及碰撞伤害统计( 1 9 9 0 年) 分类 前部( ) 侧面( )尾部( ) ( a ) 所有碰撞类型 5 62 7 91 6 1 ( b ) 严重和致命的 6 223 2 35 5 碰撞 ( c ) 致命的碰撞5 0 84 6 3 2 9 ( 注：表中的数据摘自文献 1 ) 8 0 7 0 兰6 0 蠢5 0 墓4 0 鐾3 0 $ 2 0 削l o o 0 碰掩速度频率分柑( k m h ) 图l2 受伤乘员的比率与相对碰撞速度的关系曲线【8 】 1 2 汽车碰撞损伤机理 要避免或减轻汽车碰撞事故对乘员造成的伤害，首先必须要了解汽车碰撞损 伤机理。一般来说，汽车发生碰撞时都会伴随有两个过程，刨“饮碰撞”和“二 次碰撞”。一次碰撞是指车辆与障碍物之间发生的碰撞，而二次碰撞是指车内司乘 人员与乘 | 垒室内物体之问的碰掩。司乘人员在碰撞过程中受到损伤的主要原因叮 j _ | 纳为以f 四点： ( 1 ) 一次碰掩过程过分剧烈，以致传递到司乘人员身i j 的加速度值超过了 人体的刷受极限，使人体器官受到损伤； ( 2 )僦撞过槲中乘坐室外部刚硬物体( 如发动机) 侵入乘坐室内部，自接 将r d 乘人员挤压伤：； ( 3 ) “f 卜一次碰掩的过分剧烈而引起的掸很厉害，致使司乘人员符：午内 ? 、。 第一章绪论 遭受前后两个方向的多次“二次碰撞”而受伤； ( 4 )在碰撞过程中，乘坐室变形太大，以致司乘人员缺乏生存空间而伤亡。 在以上四点中，除了乘坐室外部刚硬物体侵入乘坐室内部直接将司乘人员挤 压伤亡外，其它均与一次碰撞和二次碰撞的剧烈程度有关，由此可见，减轻这两 次碰撞的程度是提高车辆碰撞安全性的关键。如今，车内安全带、安全气囊等的 使用主要在于避免二次碰撞或减轻二次碰撞的程度，它们在保护碰撞事故中的司 乘人员时发挥了巨大的作用；但是，由于受本身制作材料以及人体承受碰撞能力 的限制，安全带和安全气囊所能吸收的撞击能量是有限的，因此，绝大部分的碰 撞能量必须由车体结构来吸收。实际道路碰撞事故及相关试验研究表明，在其它 条件相同的情况下，一次碰撞性能较好的汽车在发生碰撞事故时对乘员的损伤最 小 2 】，这说明，一次碰撞的特性决定了车辆最基本的碰撞安全性能。 1 3 汽车碰撞安全法规 由于乘员的生命安全在很大程度上取决于车辆的碰撞性能，因此，保护乘员 的首要方法是制定强制性的汽车碰撞安全法规，使车辆的碰撞性能达到法规规定 的标准要求。 最早的汽车碰撞安全性法规诞生于6 0 年代中期的美国，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【“。 第二次世界大战之后，随着美国汽车工业的迅速发展，车辆数量的急剧增加， 由此而产生的汽车碰撞死亡总人数达到了惊人的数字，这引起了美国公众对撞车 伤亡的极度恐慌和关注，公众鼎沸并强烈要求美国政府采取紧急的行动对这一事 件进行强制性的干预。 1 9 6 5 年，美国汽车工业部门拨款一千万美元给密西根大学( m 幽瓣卯 跏f v p 坩妙) 建立公路交通安全研究所。翌年，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f 彳飚s ( 凡虎阳f 胁，0 r 砣矗耙抬翰，罾加廊口竹幽耐) 系列法规，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，其中与伤害防护有关 的若干规则对汽车结构的碰撞性能提出了直接的要求，如： d 第一章绪论 f m 撼s 2 叭车内撞击中的乘员保护 该标准要求一个人头模型以2 4 肠舶的速度撞击仪表板或者座椅靠背。若在 任何时刻产生的加速度值超过8 0g ，那么其持续时间不得大于3 珊j ； f 椰1 s 2 0 4 转向机构的向后位移 该标准要求当车辆以4 8 踟肪的速度撞击一刚性障碍物时，其转向柱相对于 乘坐室的向后移动量不得超过1 2 7c ； f 卯s ，2 0 8 汽车乘员撞击保护 该标准规定了车辆在正面碰撞、侧面碰撞以及翻车试验中对人体的伤害指标 及限值，其中，摄重要的一个指标是头部伤害指标明c ( 胁“d 埘“，yo f 船，f o ) ， 其计算公式及指标隈值如下： 删。 l 击f 一咖j 1 ， o o 式中，口( f ) 为头部质心的合成加速度，用重力加速度g 的倍数表示； ，r ，为碰撞过程中的任意两个时刻，但它们的取值必须使上式的计算 结果达到最大值。 其他相关的安全标准法舰还包括f a 开s ，2 1 4 侧门强度；删飓s2 1 6 车顶抗撞强度：删腿，3 0 l 燃料系统的完整性等。 矾拈嬲系列安全法规颁布后，实际道路上碰撞事故中的乘员伤亡总数迅速下 降，具体的实例如美国马瞿兰州的统计，参见图1 3 。 6 0 5 0 薜 譬4 0 量3 0 型 壶2 0 嘿 l o o 1 9 7l 1 9 7 2l 9 7 31 9 7 4【9 7 5 年份 hl3f w f 傩乐剁交1 三浊州4 实施雨后的统削。l ( 炎旧r 5 h 兰州的统计，1 9 7 2 i9 7 5 年) l 1 9 斛1 。以拊术作胤定的1 柏 2符合_ 川法挑l 的乍辆 3倚合咒友伞枷、准( f m i 髑) 佝1 嘲( 1 9 6 8 印以j 厅1 0 虹l 内) 5 第一章绪论 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 也是非常显著的，虽然车辆的数量在不断增加，但碰撞事故中的乘员伤亡总数却 呈下降趋势，如图1 4 所示。 、， 鼎 u u l l l 一一 一一l 一一j一，i 一一，l 。1 6 5 6 6 6 76 8 6 97 0 7 l 7 27 3 7 47 57 67 了 7 87 9 年份 图14 每万辆汽车交通事故死亡人数的统计结果 我国汽车行业政府部门于8 0 年代末开始引进f m v s s 系列汽车安全法规，并 于9 0 年代后期开始。在这些安全法规标准中，重点是关于车辆| j 部正面碰撞的， 如： - g b t1 1 5 5 1 8 9 汽车乘员碰撞保护 g b1 1 5 5 7 8 9 防止汽车转向机构对驾驶员伤害的舰定 到2 0 0 2 年，我国将开始强制实施汽车碰撞安全性设计法舰，即刚彳加r2 9 4 ， 届时所有的乘用车辆部必须满足这一要求后才能生产和销售，这说明，我国汽车 行、政府部门已将车辆的碰撞安全性问题摆在了重要位置，它必将促使国内汽车 7 e 产企业加强汽车碰撞安全性的研究，从而不断提高我幽车辆的碰撞安全性能， 逐步改善我国的汽车道路交通事故乘员伤亡状况。 14 国内外研究现状 汽乍的碰撞安令性问题是世界汽车工业i 圭期以米面临的人难题，国外对这 6 6 4 2 o 8 6 4 2 0 第一章绪论 一问题的研究已进行了j l 哿近一个世纪，3 0 年代即开始采用简单的实车碰撞试验， 5 0 年代之后发展了台车模拟碰撞试验，8 0 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，其中，已 进行过的较为典型的整车碰撞计算实例有： ( 1 )1 9 9 3 年，英匡l 交通研究实验室( 丹册j 口d p m ，f 彻r p s e “m a 上d 6 0 ，口f d r v ) 对某轿车的前撞进行了仿真计算，计算采用c 删yf 脚巨型机和 洲s 蹲d ”“，d 动态非线性有限元计算分析软件。整车模型由2 5 0 0 0 个变形单元 组成，计算1 0 0m j 的车辆撞击响应过程，耗时3 0 印村小时。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 】。 ( 2 ) 1 9 9 5 年，美国n 耐公司进行了轿车与护栏前撞的仿真计算。计算采用 c 列王，g 9 0 型巨型机和删d ，n 婚商用非线性有限元碰撞分析软件。整车模型由 3 1 5 0 0 个节点、3 0 8 0 0 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等 1 5 】。 目前，对汽车碰撞安全性的仿真研究涉及面相当广泛，如车体结构，碰撞保 护措施，人体生物力学等，具体的求解计算内容大致包括两个方面：用有限元 方法计算汽车碰撞过程中车身、车架等的变形及动态响应；用有限元方法或多 刚体动力学法计算人体( 即车内乘员) 在各种碰撞条件下的响应。与这些研究相 关的最基本也是最复杂的工作是建立能真实反映实际碰撞状况的数学模型，这些 模型呵分为集中质量模型、多刚体系统模型或有限元模型等，每一类模型的建立 要根据不同的条件以及特定的分析目的，如： 根据各种碰撞条件可建立车辆正面碰撞模型、侧面碰撞模型、尾部碰撞模 型或者部件碰撞模型等； 根据不同的乘员特征建立各类假人模型； 根据人体局部损伤分析的需要建立人体局部结构的生物力学模型； 研究乘员与约束系统碰撞时建电约束系统的模型等。 由_ r | 汽车碰撞涉及的两个主要方面即车体和人体，因此，人们常采用如f 两 利研究模式：即不包含乘员的整车碰掩特性研究与以乘员为卜的次碰掩特性研 究。但乘员在碰掩过程t p 的损伤既受：次m 撞特性的影u 阿，州时也还受到+ 次埘 掩性能的影响，因此，对一次眦撞性能的研究足提高汽乍碰撞安全性的琏础1 2 l 。最 新的资料罹示，n 木丘家大钢铁公卅矿在联 进行一种乍体新材料( 干十新的合 一1 一 第一章绪论 会钢) 的丌发研究，这种材料的特性是重量轻，但具有良好的撞击吸能特性( 与 应变率相关) ，能够适应从低速碰撞到高速碰撞的各种撞击吸能要求【1 。 另外，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1 0 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一大 趋势。 国内开展汽车碰撞安全性的研究已是八十年代末期的事情，与国外相比，虽 然起步较晚，但由于有了国外的经验可供借鉴，因此，发展也相当迅速。 1 9 8 9 年，清华大学汽车系首先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，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，国内的汽车碰撞试验研究工作蓬勃开展起来，尤 其是在政府部门制定了强制性的汽车碰撞安全法规后，各汽车生产厂家更是加紧 了对汽车碰撞安全性的设计与改进研究工作。 在汽车碰撞的仿真研究方面，国内近年来也丌展了一些工作，如1 9 9 7 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 | ；1 9 9 8 年l o 月，陡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【，接着，北京理工：大学、上海同济大学、氏沙湖南大学等都相继完 成了轿车车身或轿车整车的碰掩仿真研究工作，这说明我国汽车碰撞的仿真研究 已进入到实用性阶段。值得指出的是，湖南大学等单位关于机械系统碰撞的计算 机仿真理论和算法研究已达到围际水平，并开发了具有自主知识产权的汽车碰撞 并行化仿真系统分析软件，这为我国川：展汽车碰撞的计算机仿真研究奠定了相当 良好的基础。 总的晚束，由丁固内在汽车碰撞安全性这领域的研究起步较晚，所做的基 础研究工作还桐当有限，随到目前，也还受到计算机软件、硬什、试验条件以及 资命投入的限制，冈此，仿真计算中车辆碰掩模型的建立、仿真计算参数的选择 以及仿真方法的研究等力。面的 二作有待进一步深入，并且仿真计算的精度及其l r 第一章绪论 程实用性也有待于提高【8 】，这也是国内在汽车碰撞安全性研究领域应用计算机仿 真技术的主要趋势。 1 5 本章小结 汽车的诞生与发展在给人类社会带来无尽的交通方便和快乐的同时，却因碰 撞的不安全性造成了人类社会大量生命和财产的损失。为了保护碰撞事故中乘员 的生命安全，一方面，世界各汽车工业发达国家及我国先后颁布了严格的汽车碰 撞安全法规，通过采用强制手段来促进汽车碰撞安全性的提高；另一方面，从销 售利益考虑，世界各大汽车生产厂家及相关的科研机构也自觉为汽车的碰撞安全 性研究投资了大量的人力和物力。虽然经过长期努力取得的效果是显著的，但是 直到目前，关于汽车碰撞安全性的设计与改进技术等方面仍然存在许多问题有待 解决，这就需要我们对此作进一步的探讨和研究。 0 第二章一汽车碰撞安全性设计理论和方法 第二章汽车碰撞安全性设计理论和方法 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，这些理论和方法不仅在过去的一段时间里发挥过重 要作用，并且也将是我们目前及今后的进一步研究工作中仍需要使用和借鉴的， 因此，本章将对这些理论和方法进行一个较为系统的归类和总结，并讨论各自的 优势及应用环境。这罩将要讨论的方法包括经验法、解析法、多刚体动力学法、 试验法以及有限元法等。 2 1 经验法 在汽车诞生初期( 即十九世纪末和二十世纪初) ，人们关于汽车碰撞时的乘员 保护意识非常淡薄，这是由于当时的汽车数量相当少、在道路上行驶时的车速也 很低、并且也很少发生碰撞事故及乘员因此而受损伤的缘故。即使道路上偶尔发 生一两起车辆碰撞事故，相关的汽车设计研究人员也总是希望能从主动安全的角 度去避免它。 到了二十世纪三卜年代、车辆进入到批量化生产阶段时，道路上的车辆数量 开始急剧增加，汽车碰撞事故及乘员受伤人数迅速增长起来，这时，一些具有前 瞻性的汽车生产企业开始关注起撞车现象，并着手研究对乘员的撞击保护。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足当时对汽车转向柱的设计与改 进。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( 这罩主要指车辆面部正而碰撞事故) ， 个最为突出的训题就是转向机构 发，k 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f i 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束代替川性的直杆，邢么撞击损伤就可能减轻或避免，这 设想导致的转向柱结构如图2 【所示。 第二章汽车碰撞安全性设计理论和方法 转向柱 ( b 向盘 图2 1 经验法的没计实例转向柱 ( a ) 中置弹簧式；( b ) 铰接式 图2 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2 1 ( b ) 所示的铰接式转向柱能被压缩，但不具备吸能 能力。 从上例可以看出，这种经验设计法往往并不需要很深的理沦，但却是一种创 造。实践证明，图2 1 所示的转向柱具有比原始设计更好的碰撞性能。 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。 2 2 解析法 一般来说，上节所讨论的“经验法”设计往往只是一种定性的设计，在：f 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”丌始被应用到汽车碰撞安全性设汁t j 改进中柬，用以计算整车或某 止j 车辆部什的撞击力或撞十j 变形，因为这止j 部件或于结构的变形对整车的碰掩安 令性影h 向重大。例如，驾驶窄前壁和挡风玻璃立柱的过大变形将导致转向柱突入 乘坐空川；抗扭箱梁过大的掩压变7 眵将引起驾驶窜搁脚板的变形：而其他重要的 1 2 第二章一汽车碰撞安全性设计理论和方法 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，才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。 图2 2 所示是一个简化的车辆模型，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撞击障碍物时的车辆前部结构响应。 酬2 2 汽车止面撞击障碍物盼解析模型 m 。一车身质量；m 。一发动机o 变速器质量；m 广横粱加前悬架的质量 r - 一抗扭箱梁：ro 一前梁；rs 一传幼系：r 广钣食组件：ri 一钙驶空前壁；rs 散热器 r i 一发动机立然镪块：rs 一变速器殳鞋蚺块：c - 一钣会组件问睬；cs 一十g 驶室前壁间隙：cs 一散热器间隙 在图2 2 中，整个车辆的质量分成了三大部分，即车身质量、发动机与变速器质 量以及横梁与前悬架的质量，其它部分以弹簧和阻尼来代表。对于每个质量，仅考虑 一个自由度，即纵向的移动，相应的位移6 竖标以x l 、x ：和x ，表示。 建立浚模型可用来设计校核乘坐室| j 部的撞击吸能组件，以保证乘坐室在撞击 过程中不发，e 变形，建模时坩车辆结构所作的假改是： - 1 ! | ：整个掩i 杆过程中，乘匹搴始终保持结构的完整性 汽车对其睡直。p 面对称 第二章一汽车碰撞安全性设计理论和方法 忽略汽车的前后颠动、左右摆动和横向摇动 结构零部件在静载荷f 的变形模式和动载荷下相同( 适用于零部件的惯性力 比其破坏强度小得多的情况) ； 每个抗力元件都是非弹性的，但其卸载重新加载的路径则是弹性的。 由于假定结构零部件在静载荷下的变形模式和动载荷下的相同，因此，可用汽车 结构零部件的静态的力一变形特性作为上述模型的输入来进行求解。 抗力元件的变形定义如下： 【= x l x 3 ，2 = x 3 ，3 = z 1 一x 2 4 = x l o ，5 = x i x 2 一c 5 6 = x 2 一c 6 7 = x 2 一x 3 ，s = x 2 一工】 相应的变形率定义为：厶，= 鲁，= 1 ，2 ，8 一个零部件的动力抗力一般是变形及变形率的函数，即 o ) = ( ，厶，) ，= l ，2 ，8 ( 2 1 ) 其中f ( ，厶，) 是与静态的力位移厂( ，) 及变形率厶，有关的函数。 对图2 - 2 所示系统的运动方程，可容易地推导如下： m 。量，= 一只一e 一一e 十只 心：量2 = e + e 一圪一一只 ( 2 2 ) m 3 i 3 = f 、一f 2 七f ， 式中，f 由式( 2 1 ) 得出。 方程( 2 2 ) 的初始条件为： x ：( 0 ) = x ：( o ) = x ，( o ) = o j ( o ) = i ：( o ) = i ，( o ) = ( 2 3 ) 式中，k 为给定车辆的撞击速度。 j 要函数，为已知，则系统的动力响应就i i j 通过求解式( 2 2 ) 和式( 2 3 ) 定义 的仞值问题来确定。但抗力元件的力位移关系一般是卜分复杂的，需要借助数值 1 4 第二章一汽车碰撞安全性设计理论和方法 方法才能求解。 解析解对于汽车结构设计初期的碰撞性能校核是非常必要的，即使只足在一 定假发与简化条件下的校核。这里应当指出，若要精确预测汽车与障碍物的撞击 性能，就需要进行精确的抗力元件撞击试验数据结果的收集，并且对于每个零部 件都需要特殊的试验台来获得正确的破坏模式。所谓“f 确的破坏模式”，即是与 实际撞击相同的破坏模式和顺序。为了达到这一点，试验时合理的约束十分重要。 对于某些抗力元件，如抗扭箱梁( 图2 2 中的r 1 ) 和前梁( 图2 2 中的r 2 ) 等， 布置约束并不困难；而对于以翼子板、发动机罩、护栅总成等组成的钣金组件( 图 2 2 中的) ，其约束就难以模仿，如果单独对这些饭金组件进行测试，很可能得 到与实际撞击不相同的破坏结果，这时，可采取的办法是将这些钣金组件和车架 一起进行试验，再从测量结果中扣除车架的影响。 解析法的一个优势是，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。 2 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。 削23 乘员多刚体系统动力f 分析模刑 对乘员的受撞研究始于7 0 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( 简称刀坳) 研究丌发的纠口，翮软件为 代表，它基寸二乘员特征、乘坐环境、约束 系统和碰掩：状态建立由铰连接的多刚体系 统模型，如图2 3 所示，用以进行碰掩受 害肯的运动和动力响应计算和分析。 第二章一汽车碰撞安全性设计理论和方法 在图2 3 中，乘员与乘坐环境系统由多个刚体所组成，删口埘p 对多刚体系 统的动力学算法采用达朗伯拉格朗日方程描述，刚体上任一点( 以尸表示) 的位置、速度和加速度分别为( 参见图2 4 ) ： 盖。= i + i ， 盖，= i + 西i ， 贾，= i + 亩i ：+ 面 i ，) 式中，脚为刚体相对于惯性坐标系的转 动角速度。 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，各刚体之 问的相互作用通过接触来定义，作用力的大 幽2 4 多刚体坐标系 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，因 此，在车辆碰撞安全陛的设计与研究中，多刚体动力学方法仅限于乘员碰撞研究。 2 4 试验法 在关于汽车碰撞安全性的研究中，最早采用且应用时间最长的研究方法当属 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 的碰掩试验设施，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，从町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，仪实车 一类的碰撞试验就有实车l f 面碰撞( 如图2 5 所示) 、偏置碰撞、侧面碰撞、追尾 碰掩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 气囊的动态碰掩试验( 如图2 6 j 折示) 、座椅、仪表板、转向机构以及车辆其它子 结构的动态试验等；如果从碰掩试验的性质来分，义可分为法规碰撞试验、部件 匹配试验以及自行丌发研究试验等，r 可以蜕，试验法在汽车碰撞安全性的研究领 域内应用得相当广泛。 f 6 第二章一汽车碰撞安全性设计理论和方法 蚓25 实车碰撞试验 ( a )( b ) 图2 6 部件碰撞试验 ( a ) 安全带试验 ( b ) 新型安全气囊试验 总结起来，碰撞试验法的作用大致可分为如下三个方而： ( 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t 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”，这埘丁设计初期的方案确定往往非常重要。试验评估的内容 1 7 第二章一汽车碰撞安全性设计理论和方法 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种十分有效的方法和手段。 这罩特别需要指出的是，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。 2 5 有限元法 汽车耐撞性分析 的有限元法是= 十世 纪八十年代以后才逐 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。碰撞有 限元方法用于工程实 际分析的殷过程如 图2 7 所示。 j 碰掩试验方法 的不同足，仃限元法是 种数值方法，分析与 汁算部是矗! 计算机l 第二章一汽车碰撞安全性设计理论和方法 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。 与碰撞试验一样，碰撞有限元法的应用也是一卜分广泛，如进行整车的碰撞分 析( 如图2 8 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( 如图2 9 所示) 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2 8 整车碰撞的有限元分析幽2 9 安全带作用分析 由于碰撞有限元分析的工作通过计算机来完成，不会像实际碰撞试验那样损 坏任何的实体，并且能够对初始设计进行快速的评估等，因此，该方法得到的应 用越来越广泛，并且正在逐步取代部分试验室的工作。 归纳起来，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： ( 1 ) 花费低廉，即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叮进行再次的碰撞 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出受力等等， 并 、有些结果足试验无法测至0 的； ( 4 ) 能够任意多次地重复再现各个部件的中问变形过程，方便设计人员对结 1 日 第二章汽车碰撞安全性设计理论和方法 构的观察、分析和改进。 需要说明的是，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。 2 6 本章小结 本章将汽车碰撞安全性设计理论和方法进行了简单分类，目的在于总结出各 种方法的特点、优势及应用环境。对于一个实际问鼷的研究来说，这些理论和方 法并不是相互独立的，而是有着不可分割的联系，因此，需要根据具体的情况和 要求灵活与综合应用这些理论和方法，个完整的设计过程往往可能是由经验法 提出设计思想，再由有限元法进行分析计算，最后试制出的产品由试验进行验证 或评估，而试验结果反过来又可作为多刚体系统模型或解析模型的输入等，如何 使上述方法有机地结合起来，同样也是需要进一步研究和发展的技术问题。 2 0 第三章一碰撞有限元基本理论和算法 第三章碰撞有限元基本理论和算法 8 0 年代之前，当有限元法应用于汽车的碰撞分析时还只能计算非常简化的车 辆模型，不仅单元数量少，而且模型与实体之间差别巨大；8 0 年代之后