汽車碰撞的安全性設(shè)計(jì)和改進(jìn)

龔清陽(yáng)　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(dǎo)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(jì)損失，汽車碰撞安全性問(wèn)題是汽車工業(yè)急需解決的問(wèn)題，發(fā)展汽車碰撞安全性設(shè)計(jì)改進(jìn)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(jì)算，探討材料模型參數(shù)獲取技術(shù)，進(jìn)行碰撞仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究；指出設(shè)計(jì)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(jì)中進(jìn)行仿真研究；提出汽車噴樁性能設(shè)計(jì)改進(jìn)方法。

關(guān)鍵詞：汽車碰撞 安全性 設(shè)計(jì)改進(jìn)

科技經(jīng)濟(jì)的發(fā)展促進(jìn)生活相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，汽車是現(xiàn)代實(shí)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(dǎo)致相應(yīng)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(huì)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(jìn)完善車身結(jié)構(gòu)成為汽車設(shè)計(jì)制造研究的重要課題。發(fā)達(dá)國(guó)家關(guān)注汽車設(shè)計(jì)制造中碰撞安全性，國(guó)內(nèi)頒布汽車碰撞安全性法規(guī)。早期汽車被動(dòng)安全研究采用實(shí)驗(yàn)方法，依靠實(shí)驗(yàn)檢測(cè)汽車結(jié)構(gòu)耐撞性，現(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)改進(jìn)中降低成本是核心問(wèn)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(jì)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(jì)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(dǎo)致相關(guān)交通事故不斷發(fā)生，技術(shù)工程師不斷加強(qiáng)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(wàn)人因交通事故喪生，交通事故造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，對(duì)汽車碰撞安全性設(shè)計(jì)受到人們的關(guān)注。我國(guó)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(wèn)題得到改善，同時(shí)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(guò)戰(zhàn)爭(zhēng)人數(shù)[1]。隨著我國(guó)工業(yè)的發(fā)展，車輛保有量劇增導(dǎo)致車禍發(fā)生率提高。實(shí)際道路中行駛車輛發(fā)生碰撞事故類型多樣，常見(jiàn)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(hù)車輛乘員安全的重要課題[2]。汽車安全性分為主動(dòng)與被動(dòng)型，減輕汽車碰撞對(duì)乘員的傷害要了解碰撞損傷機(jī)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(dǎo)致司乘人員加速度超過(guò)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(jì)。

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(duì)乘員傷害小[3]。乘員生命安全取決于車輛碰撞性能，強(qiáng)制性安全法規(guī)是保護(hù)乘員的首要方法，60年代中期美國(guó)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(guó)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(hù)有關(guān)規(guī)則對(duì)汽車結(jié)構(gòu)碰撞性能提出要求。我國(guó)汽車行業(yè)部門80年代末引進(jìn)FMVSS系列安全法規(guī)，實(shí)施強(qiáng)制性碰撞安全性設(shè)計(jì)法規(guī)，促使汽車生產(chǎn)企業(yè)加強(qiáng)安全碰撞性研究。

2 汽車碰撞安全性設(shè)計(jì)理論

汽車具有性能良好的主動(dòng)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(kāi)始研究被動(dòng)安全性，隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)水平的提高，從計(jì)算機(jī)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(dá)到最優(yōu)配合方案[4]。歐美國(guó)家汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，對(duì)汽車安全性深入研究，汽車安全性設(shè)計(jì)可以降低交通事故傷亡損失。汽車碰撞安全性設(shè)計(jì)涉及面廣，需要采用包括經(jīng)驗(yàn)法、實(shí)驗(yàn)法與多剛體動(dòng)力學(xué)法等多種理論方法。轉(zhuǎn)向柱經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法見(jiàn)圖2。

80年代前有限元法應(yīng)用于汽車碰撞分析只能計(jì)算簡(jiǎn)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(shí)[5]。汽車碰撞分析有限元法是復(fù)雜的課題，汽車碰撞分析理論包括非線性動(dòng)態(tài)有限元求解控制方程等。汽車碰撞是非線性動(dòng)態(tài)問(wèn)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(jì)方法有密切關(guān)系，需要根據(jù)實(shí)際情況綜合應(yīng)用相關(guān)理論，完整設(shè)計(jì)是經(jīng)驗(yàn)法提出設(shè)計(jì)思想，試制出產(chǎn)品驗(yàn)證評(píng)估。汽車主動(dòng)安全性研究日臻完善，目前汽車碰撞研究主要是被動(dòng)安全方向。乘員多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析模型如圖3。

汽車碰撞過(guò)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(shí)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(fù)階段[6]。汽車脫離接觸瞬間到停止時(shí)間可能發(fā)生二次碰撞，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，虛擬仿真模擬實(shí)驗(yàn)成為主要手段。人工完成汽車主動(dòng)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(xiǎn)杠作用有限，前車身結(jié)構(gòu)是保護(hù)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(jì)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(jì)分析

汽車碰撞是猛烈撞擊過(guò)程，在非線性動(dòng)態(tài)響應(yīng)中涉及到大位移表現(xiàn)幾何非線性等問(wèn)題，有限元法可以為復(fù)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(jì)算機(jī)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(biāo)準(zhǔn)，主要包括單元統(tǒng)一，網(wǎng)格質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)等。汽車碰撞分析建模工作量較大，驗(yàn)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(qiáng)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(hù)乘員的有效撞擊吸能裝置。材料本構(gòu)關(guān)系是影響計(jì)算結(jié)果可靠性的重要因素，通常借助其他可測(cè)量宏觀物理量標(biāo)定，傳統(tǒng)方法用解析法分析參數(shù)與測(cè)量量關(guān)系，傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)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(wèn)題碰撞有限元分析涉及到其他應(yīng)用難點(diǎn)，如接觸摩擦處理，單元網(wǎng)格尺寸等。汽車發(fā)生強(qiáng)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(jì)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(jiàn)圖4。

車輛發(fā)生碰撞時(shí)駕駛員易發(fā)生二次碰撞，轉(zhuǎn)向機(jī)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(kāi)始設(shè)計(jì)吸能式轉(zhuǎn)向柱，汽車工程師開(kāi)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(duì)駕駛員保護(hù)非常重要，方向盤撞擊吸能設(shè)計(jì)不斷發(fā)展，早期車輛方向盤采用硬輻條設(shè)計(jì)，隨后采用輪緣減輕撞擊，需要通過(guò)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(xì)分網(wǎng)格，研究采用波紋約束力模擬計(jì)算，仿真用于設(shè)計(jì)時(shí)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(jì)方案，采用內(nèi)裝加速度傳感器球體為撞擊物體，通過(guò)調(diào)節(jié)球體下落高度給定撞擊速度。吸能優(yōu)化設(shè)計(jì)后方向盤碰撞性能提高。

4 汽車碰撞安全性設(shè)計(jì)改進(jìn)技術(shù)

汽車薄壁構(gòu)件碰撞性能設(shè)計(jì)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(jì)技術(shù)提高碰撞性能。車輛碰撞安全性設(shè)計(jì)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(jì)首先使乘坐室結(jié)構(gòu)剛度大于前部變形區(qū)域，可通過(guò)整車結(jié)構(gòu)剛度匹配等途徑實(shí)現(xiàn)。碰撞變形區(qū)設(shè)計(jì)復(fù)雜，低速碰撞車輛變形力值小，發(fā)生中速碰撞變形力值應(yīng)均勻。

反推設(shè)計(jì)法是根據(jù)車輛理想碰撞特性設(shè)計(jì)碰撞安全部件結(jié)構(gòu)。通過(guò)給定碰撞性能參數(shù)確定車輛結(jié)構(gòu)參數(shù)，需要從動(dòng)力學(xué)方面考慮滿足運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系式。設(shè)計(jì)方法是根據(jù)車輛配置確定撞擊加速度值，進(jìn)行整車碰撞仿真計(jì)算。車輛碰撞時(shí)影響安全性包括車內(nèi)安全件，目前國(guó)際上安全氣囊與車輛匹配形成非正式設(shè)計(jì)準(zhǔn)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(shí)間問(wèn)題，碰撞時(shí)間反推設(shè)計(jì)法是按理想碰撞特性對(duì)重要安全部件碰撞作用時(shí)間分配設(shè)計(jì)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(dǎo)致轉(zhuǎn)向盤前后移量大等問(wèn)題，車輛采用前輪后置設(shè)計(jì)，可采用加速度反推設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)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(xiǎn)杠與前縱梁段，根據(jù)車輛前部利用空間設(shè)計(jì)特定形狀保險(xiǎn)杠，按反推設(shè)計(jì)法碰撞力學(xué)要求仿真計(jì)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(jì)算。為保證結(jié)構(gòu)碰撞均勻壓縮模型變形進(jìn)行碰撞仿真分析，分析表明左右梁變形不對(duì)稱，改進(jìn)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(qiáng)度高于橫梁后端，需要改進(jìn)讓后端變形剛度大于前端。車輛碰撞仿真分析顯示改進(jìn)設(shè)計(jì)效果理想，改進(jìn)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(shí)間延長(zhǎng)。研究微型乘用車方向盤未配備安全氣囊，對(duì)方向盤進(jìn)行樁基吸能設(shè)計(jì)，研究表明反推設(shè)計(jì)法應(yīng)用效果明顯。

5 結(jié)語(yǔ)

汽車碰撞是汽車工業(yè)界的難題，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)法通過(guò)碰撞實(shí)驗(yàn)修改問(wèn)題。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)應(yīng)用于汽車碰撞安全性研究，如何運(yùn)用實(shí)驗(yàn)技術(shù)快速完成碰撞安全性設(shè)計(jì)是本文研究目標(biāo)。本文總結(jié)汽車碰撞安全性設(shè)計(jì)理論，介紹碰撞有限元法基本理論，為提高仿真計(jì)算精度進(jìn)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(jì)算分析對(duì)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(jì)方法，為改變車內(nèi)氣囊產(chǎn)生負(fù)面作用情況，建立仿真模型驗(yàn)證，得到自適應(yīng)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(jì)發(fā)，表明對(duì)碰撞安全性設(shè)計(jì)有效。

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