汽車碰撞的安全性設計和改進

龔清陽　王廣逸

摘 要：隨著汽車技術不斷更新成為現代人出行首選工具，由于車使用率增加導致相關交通事故頻發，由于碰撞事故奪去乘員的生命造成巨大經濟損失，汽車碰撞安全性問題是汽車工業急需解決的問題，發展汽車碰撞安全性設計改進技術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計算，探討材料模型參數獲取技術，進行碰撞仿真實驗對比研究；指出設計薄壁吸能構件需要考慮相關因素，在部件碰撞安全性設計中進行仿真研究；提出汽車噴樁性能設計改進方法。

關鍵詞：汽車碰撞 安全性 設計改進

科技經濟的發展促進生活相關產業的發展，汽車是現代實用交通工具，隨著道路條件的發展，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占據很大比例，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，如何提高汽車防碰撞能力改進完善車身結構成為汽車設計制造研究的重要課題。發達國家關注汽車設計制造中碰撞安全性，國內頒布汽車碰撞安全性法規。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構耐撞性，現代汽車設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，經濟快速發展促使交通飛速發展，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，導致相關交通事故不斷發生，技術工程師不斷加強汽車安全性能，但車輛碰撞事故發生難以避免，每年因120萬人因交通事故喪生，交通事故造成巨大的經濟損失，對汽車碰撞安全性設計受到人們的關注。我國交通事故率較高，汽車安全技術水平落后，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超過戰爭人數[1]。隨著我國工業的發展，車輛保有量劇增導致車禍發生率提高。實際道路中行駛車輛發生碰撞事故類型多樣，常見形式包括正面側面與追尾等，車輛發生前部碰撞占比約50%以上，受傷乘員比例與碰撞速度有關，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為車輛發生碰撞部位統計。

汽車碰撞與司乘人員傷害直接相關，減輕汽車碰撞是提高安全性的關鍵。汽車內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，二戰后隨著汽車工業的發展，產生碰撞死亡人數劇增。美國汽車工業部建立公路交通研究所頒布公路安全法規，與傷害防護有關規則對汽車結構碰撞性能提出要求。我國汽車行業部門80年代末引進FMVSS系列安全法規，實施強制性碰撞安全性設計法規，促使汽車生產企業加強安全碰撞性研究。

2 汽車碰撞安全性設計理論

汽車具有性能良好的主動安全性可降低交通事故發生率，六十年代末汽車安全技術工程師開始研究被動安全性，隨著計算機仿真技術水平的提高，從計算機仿真分析結果中分析優化，使汽車重量與碰撞安全性達到最優配合方案[4]。歐美國家汽車產業發展迅猛，對汽車安全性深入研究，汽車安全性設計可以降低交通事故傷亡損失。汽車碰撞安全性設計涉及面廣，需要采用包括經驗法、實驗法與多剛體動力學法等多種理論方法。轉向柱經驗設計法見圖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，汽車碰撞精確數值分析成為現實[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有限元求解控制方程等。汽車碰撞是非線性動態問題，汽車碰撞仿真算法包括薄殼單元算法，接觸碰撞界面算法。汽車安全性碰撞設計方法有密切關系，需要根據實際情況綜合應用相關理論，完整設計是經驗法提出設計思想，試制出產品驗證評估。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歷時間，碰撞前汽車橫擺速度等參數不變，研究碰撞變形內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生二次碰撞，隨著計算機技術的發展，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，前車身結構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 汽車碰撞安全性設計分析

汽車碰撞是猛烈撞擊過程，在非線性動態響應中涉及到大位移表現幾何非線性等問題，有限元法可以為復雜結構建模提供靈活性，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，主要包括單元統一，網格質量標準等。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。表1薄壁管變形模型比較。

汽車結構大多由薄壁金屬件構成，受到強烈撞擊薄壁構件發生塑性變形，需要研究薄壁構件碰撞變形吸能，使得汽車結構成為保護乘員的有效撞擊吸能裝置。材料本構關系是影響計算結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，傳統方法用解析法分析參數與測量量關系，傳統標準實驗結果誤差大，需要研究材料模型參數獲取技術。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，單元網格尺寸等。汽車發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件碰撞變形吸能情況，碰撞相關汽車安全部件設計技術包括安全氣囊等。汽車吸能梁的高速碰撞仿真變形見圖4。

車輛發生碰撞時駕駛員易發生二次碰撞，轉向機構是致傷率高的部件，汽車誕生后工程師關注轉向駕駛功能，由于發生交通事故造成大量乘員傷亡，人們開始設計吸能式轉向柱，汽車工程師開始關注轉向柱套管，采用摩擦阻尼耗能轉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，方向盤撞擊吸能設計不斷發展，早期車輛方向盤采用硬輻條設計，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。轉向柱套管碰撞仿真分析處理鋼球作用很關鍵，要采用局部細分網格，研究采用波紋約束力模擬計算，仿真用于設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，影響參數包括鋼球數量等。研究提出基本方框結構弱化設計方案，采用內裝加速度傳感器球體為撞擊物體，通過調節球體下落高度給定撞擊速度。吸能優化設計后方向盤碰撞性能提高。

4 汽車碰撞安全性設計改進技術

汽車薄壁構件碰撞性能設計等側重于車輛結構局部碰撞性能，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，迫切需要發揮適用車輛碰撞安全性設計技術提高碰撞性能。車輛碰撞安全性設計要了解碰撞特性，車輛發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。設計首先使乘坐室結構剛度大于前部變形區域，可通過整車結構剛度匹配等途徑實現。碰撞變形區設計復雜，低速碰撞車輛變形力值小，發生中速碰撞變形力值應均勻。

反推設計法是根據車輛理想碰撞特性設計碰撞安全部件結構。通過給定碰撞性能參數確定車輛結構參數，需要從動力學方面考慮滿足運動學關系式。設計方法是根據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安全件，目前國際上安全氣囊與車輛匹配形成非正式設計準則，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計部件性能。研究微型乘用車具備碰撞安全性基礎較差，車輛碰撞安全性存在變形區結構不理想導致轉向盤前后移量大等問題，車輛采用前輪后置設計，可采用加速度反推設計法設計碰撞特性。圖5為車輛縱向碰撞理想變形與不變形區域示意。

車輛前部區段分為保險杠與前縱梁段，根據車輛前部利用空間設計特定形狀保險杠，按反推設計法碰撞力學要求仿真計算分析。第二區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。為保證結構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計，研究表明反推設計法應用效果明顯。

5 結語

汽車碰撞是汽車工業界的難題，傳統設計法通過碰撞實驗修改問題。計算機仿真技術應用于汽車碰撞安全性研究，如何運用實驗技術快速完成碰撞安全性設計是本文研究目標。本文總結汽車碰撞安全性設計理論，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獲取研究，精確提供仿真用材料模型參數；提出仿真計算分析對相關因素的作用效果；討論理想碰撞吸能結構形式設計方法，為改變車內氣囊產生負面作用情況，建立仿真模型驗證，得到自適應氣囊控制參數；提出汽車碰撞特性依據的加速度反推設計發，表明對碰撞安全性設計有效。

參考文獻：

[1]李井吉. 某電動汽車正面碰撞安全性能分析與結構改進研究[D].中北大學，2021.

[2]吳波. 車用動力電池碰撞仿真與安全性分析[D].南昌大學，2021.

[3]韓睿囡. 某車型正面100%剛性壁碰撞分析與結構改進研究[D].沈陽工業大學，2019.

[4]徐安琪. 某多用途乘用車碰撞安全性能分析及結構優化[D].南京理工大學，2019.

[5]張譯文. 小型轎車碰撞安全性能有限元分析[D].哈爾濱工程大學，2018.

[6]陳媛媛. 基于代理模型的汽車碰撞安全性多目標優化研究[D].重慶大學，2017.

[7]馬聰承. 輕質吸能結構改善汽車碰撞安全性研究[D].華南理工大學，2017.