提高汽車結構耐撞性的研究

考慮汽車結構的安全性，可以在汽車發生碰撞、側翻等事故時，降低損傷。耐撞性對汽車碰撞安全非常重要。提高汽車耐撞性，可以在發生碰撞事故時，保護駕駛員和乘員安全，減少對行人等造成的傷害，將損失降到最低。

文獻[1]介紹了多目標知識庫的構建，基于知識庫進行耐撞性車身設計；文獻[2]對汽車結構耐撞性優化設計進行介紹，在保證汽車輕量化的同時，保證耐撞性；文獻[3]對復合材料保險杠吸能盒結構設計進行介紹；文獻[4]介紹了一種新型保險杠結構，在發生汽車碰撞事故后，可以自動恢復形狀，保證安全性的同時，節約更換保險杠的成本；文獻[5]對汽車碰撞事故數據分析方法進行研究，從大量事故中得出結論，可以指導汽車結構設計，提高汽車安全，減少碰撞事故造成的損傷。

1 高耐撞性汽車車身設計方法[1]

汽車應有較好的耐撞性，能夠減小乘客、行人和其他汽車在碰撞事故中受到的傷害。對汽車車身部件進行設計，使其在碰撞事件中可以吸收足夠的能量，從而保證車廂的完整性。采用多目標知識庫方法，可以快速進行車身設計。

在車身概念設計階段，采用多目標知識庫方法，首先根據確定的碰撞情況和車身部件結構，為部件選擇合適的橫截面幾何形狀和材料，接著為車身部件設計詳細的結構，保證汽車在碰撞事故中可以吸收足夠的能量，從而保證當發生碰撞事故時，乘客艙的完整性。

多目標知識庫的數據來源于汽車有限元碰撞仿真，通過有限元方法，對大量汽車碰撞過程進行仿真分析，提取車身部件橫截面幾何形狀和仿真結果獲得多目標知識庫所需數據。由于該方法采用面向性能的設計理念，在進行車身部件結構詳細設計階段所需的優化時間可以大大減少。

2 汽車結構耐撞性優化設計研究[2]

汽車安全變得越來越重要，需要進行提高汽車結構的耐撞性的研究。同時，環境和可持續發展日益受到關注，這又推動了汽車輕量化的研究。汽車行業已對這兩個相互矛盾的方面進行了大量研究。其中，汽車結構耐撞性和能量吸收的優化已成為有關社會安全和經濟效益的重要研究課題之一。

每年，全球約120萬人因車禍死亡，成為現代社會面臨的最大的公共健康問題之一，這加重了社會經濟負擔。研究表明，進行汽車結構的耐撞性設計，可以有效解決汽車安全問題，減少至少43%的潛在傷亡的發生。

為了評估汽車的耐撞性，歐盟建立了新車評價規程（NCAP），可為消費者提供評級結果。另一方面，為了降低汽車油耗及保護環境，研究者已通過結構優化及采用輕量化材料，進行汽車輕量化設計。但是在進行汽車輕量化設計的同時，要保證汽車的耐撞性。過去二十年來，優化設計已成為解決這一問題的有效工具。

進行汽車結構優化設計，需要建立汽車模型，可以使用多個替代模型來提高建模精度和優化效果。同時，為了充分利用高性能計算（HPC）、高效的全局優化（EGO）等，可以使用并行計算方法，從而可以節約時間。隨著計算機和軟件的發展，通過優化設計方法可以在進行汽車輕量化設計的同時，保證汽車結構的耐撞性。

3 汽車保險杠吸能盒結構的研究[3]

汽車吸能盒是安裝在汽車前部的由金屬或復合材料制成的薄壁結構。其主要目的是在碰撞事故中吸收因碰撞而產生的能量。吸能盒一般采用鐵、鋁等金屬材料制造，而由復合材料制造吸能盒正處于研發階段。汽車工業為降低汽車總質量，提高燃油消耗率，可以采用復合材料進行汽車結構設計。

吸能盒在汽車正面碰撞的情況下，起著重要的作用，可以吸收碰撞中絕大部分能量，按設計模式變形，從而降低其他汽車部件的損壞程度，保證車內乘員安全。通常為了減輕汽車重量，汽車零件通常由薄金屬片制成，因此金屬材料吸能盒的設計難度較大，而復合材料吸能盒剛度高，且重量低，具有較大的優勢。

Hussain對由GFRP（玻璃纖維增強聚合物）設計制造的吸能盒的性能進行實際試驗研究，研究了不同截面形狀GFRP吸能盒，在不同沖擊載荷下的性能。對吸能盒中峰值力、吸收能量變化，進行了比較研究，繪制出了每種情況下力與位移的曲線。

結果表明，在吸能盒截面幾何形狀相同情況下，在不同的沖擊載荷作用下，結構對沖擊能量的吸收率不同，變形模式不同；在相同沖擊載荷作用下，不同截面吸能盒的能量吸收率和變形模式也不相同。研究結果可為GFRP吸能盒結構設計提供指導，設計出在相應沖擊載荷作用下，有著預期變形模式的吸能盒結構。

4 一種新型汽車保險杠壓潰設計方案[4]

現代社會中公路運輸占很大比重，因車禍造成的傷亡事故數量十分巨大。近年來，科研人員不斷努力，以提高汽車的安全性。為了減輕汽車發生碰撞事故時，對乘客和被碰對象的影響，設計了汽車折皺區；為了提高汽車耐撞性和能量吸收能力，人們越來越重視能量吸收裝置（如保險杠梁）的研發。

目前，汽車上使用的大多數吸能裝置，通過永久變形來吸收碰撞能量、增加撞擊時間，從而可以吸收大量的沖擊能量。在有些情況下，即使汽車發生輕微碰撞，消費者也必須修理甚至更換能量吸收器。

通常對于不同汽車制造商設計標準不同，保險杠梁后方吸能元件有不同形狀，如圓管、方管、蜂窩狀等，各種形狀結構有不同特性，均需要進行各種加載情況下的性能測試。近年來，有關新型能量吸收器的專利數量很多。已有設計中，在保險杠梁后部放置兩個擠壓罐，試驗表明這種設計效果較好，可以吸收更多沖擊能量。但是一旦擠壓罐或保險杠梁損壞，必須整體更換，成本較高。

Ganilova提出了一種混合型保險杠壓潰設計方案，將可以自動恢復形狀的管狀結構安裝到保險杠梁中，用于輕度碰撞情況，而傳統的能量吸收裝置仍按原有方式布置，用于較大程度碰撞情況。其中可以自動恢復形狀的管狀結構，是一種可回收結構，由一個空管和一個蜂窩狀元件組成。最后，對該結構進行了有限元仿真，表明在輕度碰撞情況下，只有管狀結構發生變形，且管狀結構可以自動恢復形狀，當碰撞程度稍重情況下，管狀結構發生永久變形，可以只更換該管狀結構。

5 降低汽車碰撞損害方法的研究[5]

對汽車碰撞事故的傷害進行分析，對于預防碰撞發生及降低傷害程度十分重要。通過對大量碰撞事故進行研究，可以為汽車安全裝置設計提供指導。要想對碰撞事故進行研究，需要設計出合理的傷害分析和評價的方法。

為了可以科學地分析汽車碰撞事故，Mallory開發了一種用于分析碰撞和傷害數據的方法，通過對大量汽車碰撞結果數據進行研究分析，進而定量確定出不同碰撞情況下，事故的傷害程度及預防方法。

Mallory對2005年至2015年NASSCDS（全國汽車采樣系統耐撞性數據系統）的69,597名乘員的病例進行研究，對醫院病例的結果進行頻率和嚴重程度分析。其中，病例結果和嚴重程度，主要包括：死亡、殘疾等病例數量、受傷害程度（受傷位置和影響）及事故發生原因和程度。

根據研究結果，可以得到許多有用結論，從而可以預防碰撞事故發生或者降低碰撞程度。研究表明：汽車追尾事故是最常見碰撞事故，損失較小；汽車側碰及正碰等事故最嚴重，死亡率最高，損失較大；乘員或行人死亡主要與其頭部和胸部受損有關，殘疾主要與肢體受損有關。

Mallory開發的碰撞數據挖掘方法，將有助于確定減少碰撞和傷害的方法，用其分析結果指導汽車主動和被動安全系統的研究，可以提高系統性能，更好地提高汽車安全性。

[1]Dama K K,Babu V S,Rao R N,et al.Multi Objective Knowledgebase Concept Design Methodology of Automotive Space Frame Structures for Crashworthiness by Numerical Methods[J].2017,4：1837-1842.

[2]Fang J,Sun G,Qiu N,et al.On design optimization for structural crashworthiness and its state of the art[J].Structural&Multidisciplinary Optimization,2017,55(3)：1091-1119.

[3]Hussain N N,Regalla SP,Rao Y V D.Comparative Study of Trigger Configuration for Enhancement of Crashworthiness of Automobile Crash Box Subjected to Axial Impact Loading[J].Procedia Engineering,2017,173：1390-1398.

[4]Ganilova O A,Jia J L.Application of smart honeycomb structures for automotive passive safety[J].Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part D Journal of Automobile Engineering,2017(1)：095440701770891.

[5]Mallory A,Kender A,Moorhouse K.Opportunities for Crash and Injury Reduction：A Multi-Harm Approach for Crash Data Analysis.[J].Traffic Injury Prevention,2017,18(sup1)：S1.