龔清陽　王廣逸

摘 要：隨著汽車技術(shù)不斷更新成為現(xiàn)代人出行首選工具，由于車使用率增加導致相關(guān)交通事故頻發(fā)，由于碰撞事故奪去乘員的生命造成巨大經(jīng)濟損失，汽車碰撞安全性問題是汽車工業(yè)急需解決的問題，發(fā)展汽車碰撞安全性設(shè)計改進技術(shù)是提高碰撞性能的基本途徑。研究概述汽車碰撞安全性理論，介紹碰撞有限元法有關(guān)計算，探討材料模型參數(shù)獲取技術(shù)，進行碰撞仿真實驗對比研究；指出設(shè)計薄壁吸能構(gòu)件需要考慮相關(guān)因素，在部件碰撞安全性設(shè)計中進行仿真研究；提出汽車噴樁性能設(shè)計改進方法。

關(guān)鍵詞：汽車碰撞 安全性 設(shè)計改進

科技經(jīng)濟的發(fā)展促進生活相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，汽車是現(xiàn)代實用交通工具，隨著道路條件的發(fā)展，汽車行駛速度不斷提高，導致相應交通安全事故逐漸增多。由于汽車交通事故造成死亡人數(shù)占據(jù)很大比例，交通事故成為人類社會的公害。汽車碰撞安全性涉及到車身與乘員安全系統(tǒng)，如何提高汽車防碰撞能力改進完善車身結(jié)構(gòu)成為汽車設(shè)計制造研究的重要課題。發(fā)達國家關(guān)注汽車設(shè)計制造中碰撞安全性，國內(nèi)頒布汽車碰撞安全性法規(guī)。早期汽車被動安全研究采用實驗方法，依靠實驗檢測汽車結(jié)構(gòu)耐撞性，現(xiàn)代汽車設(shè)計改進中降低成本是核心問題，需要用高效低成本方法了解碰撞規(guī)律，采用有限元法FEA計算模擬是有效的方法。

1 汽車碰撞安全性研究

隨著科技水平的提高，經(jīng)濟快速發(fā)展促使交通飛速發(fā)展，汽車成為人們出行的首選交通工具，由于汽車使用率增加與車速提高，導致相關(guān)交通事故不斷發(fā)生，技術(shù)工程師不斷加強汽車安全性能，但車輛碰撞事故發(fā)生難以避免，每年因120萬人因交通事故喪生，交通事故造成巨大的經(jīng)濟損失，對汽車碰撞安全性設(shè)計受到人們的關(guān)注。我國交通事故率較高，汽車安全技術(shù)水平落后，深入研究汽車碰撞安全性具有重要意義。

汽車誕生后人類交通問題得到改善，同時汽車碰撞事故造成巨大傷害，目前世界每年車禍致死人數(shù)超過戰(zhàn)爭人數(shù)[1]。隨著我國工業(yè)的發(fā)展，車輛保有量劇增導致車禍發(fā)生率提高。實際道路中行駛車輛發(fā)生碰撞事故類型多樣，常見形式包括正面?zhèn)让媾c追尾等，車輛發(fā)生前部碰撞占比約50%以上，受傷乘員比例與碰撞速度有關(guān)，研究高速行駛車輛前碰撞是保護車輛乘員安全的重要課題[2]。汽車安全性分為主動與被動型，減輕汽車碰撞對乘員的傷害要了解碰撞損傷機理，司乘人員碰撞中受傷原因包括乘坐室外部剛硬物體侵入乘客內(nèi)部，碰撞劇烈導致司乘人員加速度超過人體耐受度，一次碰撞劇烈引起回彈使司乘人員遭受二次碰撞。圖1為車輛發(fā)生碰撞部位統(tǒng)計。

汽車碰撞與司乘人員傷害直接相關(guān)，減輕汽車碰撞是提高安全性的關(guān)鍵。汽車內(nèi)安全帶等使用避免二次碰撞，安全帶吸收撞擊能量有限，一次碰撞性能較好的汽車對乘員傷害小[3]。乘員生命安全取決于車輛碰撞性能，強制性安全法規(guī)是保護乘員的首要方法，60年代中期美國誕生最早的汽車碰撞安全性法規(guī)，二戰(zhàn)后隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，產(chǎn)生碰撞死亡人數(shù)劇增。美國汽車工業(yè)部建立公路交通研究所頒布公路安全法規(guī)，與傷害防護有關(guān)規(guī)則對汽車結(jié)構(gòu)碰撞性能提出要求。我國汽車行業(yè)部門80年代末引進FMVSS系列安全法規(guī)，實施強制性碰撞安全性設(shè)計法規(guī)，促使汽車生產(chǎn)企業(yè)加強安全碰撞性研究。

2 汽車碰撞安全性設(shè)計理論

汽車具有性能良好的主動安全性可降低交通事故發(fā)生率，六十年代末汽車安全技術(shù)工程師開始研究被動安全性，隨著計算機仿真技術(shù)水平的提高，從計算機仿真分析結(jié)果中分析優(yōu)化，使汽車重量與碰撞安全性達到最優(yōu)配合方案[4]。歐美國家汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，對汽車安全性深入研究，汽車安全性設(shè)計可以降低交通事故傷亡損失。汽車碰撞安全性設(shè)計涉及面廣，需要采用包括經(jīng)驗法、實驗法與多剛體動力學法等多種理論方法。轉(zhuǎn)向柱經(jīng)驗設(shè)計法見圖2。

80年代前有限元法應用于汽車碰撞分析只能計算簡化車輛模型，隨著有限元理論的完善，汽車碰撞精確數(shù)值分析成為現(xiàn)實[5]。汽車碰撞分析有限元法是復雜的課題，汽車碰撞分析理論包括非線性動態(tài)有限元求解控制方程等。汽車碰撞是非線性動態(tài)問題，汽車碰撞仿真算法包括薄殼單元算法，接觸碰撞界面算法。汽車安全性碰撞設(shè)計方法有密切關(guān)系，需要根據(jù)實際情況綜合應用相關(guān)理論，完整設(shè)計是經(jīng)驗法提出設(shè)計思想，試制出產(chǎn)品驗證評估。汽車主動安全性研究日臻完善，目前汽車碰撞研究主要是被動安全方向。乘員多剛體系統(tǒng)動力學分析模型如圖3。

汽車碰撞過程包括碰撞前與碰撞后，直接碰撞是汽車接觸到脫離瞬間經(jīng)歷時間，碰撞前汽車橫擺速度等參數(shù)不變，研究碰撞變形內(nèi)容主要是接觸后恢復階段[6]。汽車脫離接觸瞬間到停止時間可能發(fā)生二次碰撞，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，虛擬仿真模擬實驗成為主要手段。人工完成汽車主動安全措施不能完全保證安全，隨著車速提高碰撞事故率增加，目前汽車剛性固定式保險杠作用有限，前車身結(jié)構(gòu)是保護乘員主要方式，小轎車前后車身變形量有限，按最大壓縮量40cm計算，汽車承受碰撞速度上限值約為60km/h。

3 汽車碰撞安全性設(shè)計分析

汽車碰撞是猛烈撞擊過程，在非線性動態(tài)響應中涉及到大位移表現(xiàn)幾何非線性等問題，有限元法可以為復雜結(jié)構(gòu)建模提供靈活性，汽車碰撞安全研究主要使用計算機有限元仿真分析，仿真軟件包括LS-DYNA3D，RADIOS等[7]。碰撞仿真分析需要建立有限元模型，各大汽車廠商制定碰撞仿真分析標準，主要包括單元統(tǒng)一，網(wǎng)格質(zhì)量標準等。汽車碰撞分析建模工作量較大，驗證模型是保證模擬精度的基礎(chǔ)。表1薄壁管變形模型比較。

汽車結(jié)構(gòu)大多由薄壁金屬件構(gòu)成，受到強烈撞擊薄壁構(gòu)件發(fā)生塑性變形，需要研究薄壁構(gòu)件碰撞變形吸能，使得汽車結(jié)構(gòu)成為保護乘員的有效撞擊吸能裝置。材料本構(gòu)關(guān)系是影響計算結(jié)果可靠性的重要因素，通常借助其他可測量宏觀物理量標定，傳統(tǒng)方法用解析法分析參數(shù)與測量量關(guān)系，傳統(tǒng)標準實驗結(jié)果誤差大，需要研究材料模型參數(shù)獲取技術(shù)。工程問題碰撞有限元分析涉及到其他應用難點，如接觸摩擦處理，單元網(wǎng)格尺寸等。汽車發(fā)生強烈碰撞需要確保車輛具有較好一次碰撞特性，碰撞性能取決于車身薄壁構(gòu)件碰撞變形吸能情況，碰撞相關(guān)汽車安全部件設(shè)計技術(shù)包括安全氣囊等。汽車吸能梁的高速碰撞仿真變形見圖4。

車輛發(fā)生碰撞時駕駛員易發(fā)生二次碰撞，轉(zhuǎn)向機構(gòu)是致傷率高的部件，汽車誕生后工程師關(guān)注轉(zhuǎn)向駕駛功能，由于發(fā)生交通事故造成大量乘員傷亡，人們開始設(shè)計吸能式轉(zhuǎn)向柱，汽車工程師開始關(guān)注轉(zhuǎn)向柱套管，采用摩擦阻尼耗能轉(zhuǎn)向柱套管上下套筒總成有抗彎剛度。方向盤受撞特性對駕駛員保護非常重要，方向盤撞擊吸能設(shè)計不斷發(fā)展，早期車輛方向盤采用硬輻條設(shè)計，隨后采用輪緣減輕撞擊，需要通過附加吸能元件提高吸能水平。轉(zhuǎn)向柱套管碰撞仿真分析處理鋼球作用很關(guān)鍵，要采用局部細分網(wǎng)格，研究采用波紋約束力模擬計算，仿真用于設(shè)計時注意套限制管最大軸向碰撞力，套管吸收能約定于F·S，影響參數(shù)包括鋼球數(shù)量等。研究提出基本方框結(jié)構(gòu)弱化設(shè)計方案，采用內(nèi)裝加速度傳感器球體為撞擊物體，通過調(diào)節(jié)球體下落高度給定撞擊速度。吸能優(yōu)化設(shè)計后方向盤碰撞性能提高。

4 汽車碰撞安全性設(shè)計改進技術(shù)

汽車薄壁構(gòu)件碰撞性能設(shè)計等側(cè)重于車輛結(jié)構(gòu)局部碰撞性能，乘員生命安全取決于部件綜合作用。車生活中輛種類有很多，迫切需要發(fā)揮適用車輛碰撞安全性設(shè)計技術(shù)提高碰撞性能。車輛碰撞安全性設(shè)計要了解碰撞特性，車輛發(fā)生碰撞要求保證乘員足夠生存空間，部件變形吸收撞擊能量。設(shè)計首先使乘坐室結(jié)構(gòu)剛度大于前部變形區(qū)域，可通過整車結(jié)構(gòu)剛度匹配等途徑實現(xiàn)。碰撞變形區(qū)設(shè)計復雜，低速碰撞車輛變形力值小，發(fā)生中速碰撞變形力值應均勻。

反推設(shè)計法是根據(jù)車輛理想碰撞特性設(shè)計碰撞安全部件結(jié)構(gòu)。通過給定碰撞性能參數(shù)確定車輛結(jié)構(gòu)參數(shù)，需要從動力學方面考慮滿足運動學關(guān)系式。設(shè)計方法是根據(jù)車輛配置確定撞擊加速度值，進行整車碰撞仿真計算。車輛碰撞時影響安全性包括車內(nèi)安全件，目前國際上安全氣囊與車輛匹配形成非正式設(shè)計準則，氣囊充滿氣體厚度約為7英寸。不同車型駕駛員頭部離方向盤距離等存在差異，氣體部件存在碰撞作用時間問題，碰撞時間反推設(shè)計法是按理想碰撞特性對重要安全部件碰撞作用時間分配設(shè)計部件性能。研究微型乘用車具備碰撞安全性基礎(chǔ)較差，車輛碰撞安全性存在變形區(qū)結(jié)構(gòu)不理想導致轉(zhuǎn)向盤前后移量大等問題，車輛采用前輪后置設(shè)計，可采用加速度反推設(shè)計法設(shè)計碰撞特性。圖5為車輛縱向碰撞理想變形與不變形區(qū)域示意。

車輛前部區(qū)段分為保險杠與前縱梁段，根據(jù)車輛前部利用空間設(shè)計特定形狀保險杠，按反推設(shè)計法碰撞力學要求仿真計算分析。第二區(qū)段碰撞性能由車架前端撞擊特性決定，可以采用直梁模型計算。為保證結(jié)構(gòu)碰撞均勻壓縮模型變形進行碰撞仿真分析，分析表明左右梁變形不對稱，改進方式是保證前端梁均勻性，必須整體保證前端碰撞充分變形，橫梁前端縱梁變形強度高于橫梁后端，需要改進讓后端變形剛度大于前端。車輛碰撞仿真分析顯示改進設(shè)計效果理想，改進車輛碰撞變形集中于車體前部，符合車體理想碰撞變形特性，緩沖吸能時間延長。研究微型乘用車方向盤未配備安全氣囊，對方向盤進行樁基吸能設(shè)計，研究表明反推設(shè)計法應用效果明顯。

5 結(jié)語

汽車碰撞是汽車工業(yè)界的難題，傳統(tǒng)設(shè)計法通過碰撞實驗修改問題。計算機仿真技術(shù)應用于汽車碰撞安全性研究，如何運用實驗技術(shù)快速完成碰撞安全性設(shè)計是本文研究目標。本文總結(jié)汽車碰撞安全性設(shè)計理論，介紹碰撞有限元法基本理論，為提高仿真計算精度進行材料模型參數(shù)獲取研究，精確提供仿真用材料模型參數(shù)；提出仿真計算分析對相關(guān)因素的作用效果；討論理想碰撞吸能結(jié)構(gòu)形式設(shè)計方法，為改變車內(nèi)氣囊產(chǎn)生負面作用情況，建立仿真模型驗證，得到自適應氣囊控制參數(shù)；提出汽車碰撞特性依據(jù)的加速度反推設(shè)計發(fā)，表明對碰撞安全性設(shè)計有效。

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