淺談汽車(chē)碰撞安全研究（頁(yè)）

1、汽車(chē)碰撞與安全研究車(chē)輛工程陳國(guó)強(qiáng)摘要：汽車(chē)的碰撞安全性問(wèn)題是當(dāng)今世界汽車(chē)工業(yè)亟需解決的一大難題，捉高汽車(chē)碰撞性能 的最基本的途徑是發(fā)展汽車(chē)碰撞安全性設(shè)計(jì)與改進(jìn)技術(shù)。文中主要介紹了汽車(chē)碰撞技術(shù)的發(fā) 展現(xiàn)狀，國(guó)內(nèi)外相關(guān)的法規(guī)，并對(duì)汽車(chē)碰撞安全性的設(shè)計(jì)方法，如經(jīng)驗(yàn)法、解析法、多剛體 動(dòng)力學(xué)法、試驗(yàn)法以及有限元方法進(jìn)行了歸類(lèi)和總結(jié)。關(guān)鍵詞：汽車(chē)碰撞；安全；現(xiàn)狀與發(fā)展abstract: vehicle passive safety issue is a big and urgent problem for world-wide automobile industry to solve as soon a

2、s possible. the basic approach of protecting people from being hurt or killed in an accident is to improve crashworthiness of vehicles this paper starts with discussing theories and methods for vehicle passive safety design, which included experiential methods, analytic methods, multi-body dynamics

3、methods, crash test methods and the finite element method key words: auto collision; safety; current conditions and development0引言科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，汽車(chē)己經(jīng)成為人們生活屮必不可少的交通t具。而在汽車(chē)交通事故屮 每年的死傷人數(shù)，常常超過(guò)世界的局部戰(zhàn)爭(zhēng)，交通事故已經(jīng)成為人類(lèi)社會(huì)的重人公害之一。 從全世界的統(tǒng)計(jì)數(shù)字來(lái)看，每年因道路交通事故而死亡的人數(shù)已高達(dá)50多萬(wàn)人。與世界 其他各國(guó)相比，我國(guó)的汽年總擁有量只占5%,而交通事故死亡人數(shù)卻占1()0%，并門(mén)碰撞 事故中的死亡率

4、也大大高于歐美、l1木等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，其中除了人為的因索外，車(chē)輛木身 的碰撞安全性達(dá)不到要求是一個(gè)重要因素。因此，汽車(chē)的碰撞安全性問(wèn)題，已成為近十多年 來(lái)汽車(chē)工業(yè)的主要研究問(wèn)題和攻關(guān)方向，世界各發(fā)達(dá)國(guó)家都對(duì)汽車(chē)碰撞安全性做出強(qiáng)制性要 求，并建立了各自的法規(guī)。1汽車(chē)碰撞國(guó)內(nèi)外法規(guī)最早的汽車(chē)碰撞安全性法規(guī)誕生于60年代中期的美國(guó)，在此z前，世界上并沒(méi)冇任 何對(duì)車(chē)輛的碰撞安全性能進(jìn)行要求限制的法規(guī),一些有關(guān)汽車(chē)碰撞安全性問(wèn)題的研究主要是 依賴(lài)于汽車(chē)牛產(chǎn)廠家的白覺(jué)性及對(duì)公眾的責(zé)任感。1965年，美國(guó)汽車(chē)工業(yè)部門(mén)撥款一千萬(wàn) 美元給密西根大學(xué)建立公路交通安全研究所。1966年，設(shè)立了運(yùn)輸部，并頒布了公路安

5、全 法規(guī)和國(guó)家交通與汽車(chē)安全法規(guī)，其中的汽年安全法規(guī)即苦名的fmvss系列法規(guī)，它提 出了包括關(guān)于事故防止、傷害保護(hù)、傷害后的保護(hù)及其它用以幫助捉高汽車(chē)碰撞安全性的規(guī) 則。安全法規(guī)在美國(guó)取得的成功給具它國(guó)家?guī)?lái)了啟示，緊隨美國(guó)之后，歐洲、h本等汽車(chē) 工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的政府部門(mén)也相繼采取了類(lèi)似的行動(dòng)，取得的效果同樣也是非常顯著。法規(guī)中 比較有代農(nóng)性的是美國(guó)的聯(lián)邦機(jī)動(dòng)車(chē)安全法規(guī)（fmvss）和歐洲法規(guī)（ece和eec）161,其他如 fi本、加拿大、澳大利亞等國(guó)家的法規(guī)基本上都是參考美國(guó)和歐洲的法規(guī)制定的。中國(guó)已于2000年1刀1 口實(shí)施了 “關(guān)于正面碰撞乘員保護(hù)的設(shè)計(jì)規(guī)則（cmvdr294）”, 規(guī)

6、定從1999年10月以后新申請(qǐng)上日錄的車(chē)輛必須滿足該法規(guī)的要求。對(duì)于該法規(guī)在實(shí)施 前己經(jīng)在我國(guó)銷(xiāo)售的達(dá)不到該法規(guī)要求的進(jìn)口車(chē)輛，則取消進(jìn)口許可。對(duì)于達(dá)不到法規(guī)要求 的在牛產(chǎn)車(chē)輛，要求2002年7月1日前通過(guò)結(jié)構(gòu)改造達(dá)到該法規(guī)要求，否則必須停止牛產(chǎn)。 2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀汽車(chē)的碰撞安全性問(wèn)題是世界汽車(chē)工業(yè)長(zhǎng)期以來(lái)而臨的一大難題，國(guó)外對(duì)這一問(wèn)題的研 究已進(jìn)行了將近一個(gè)世紀(jì)，30年代即開(kāi)始采用簡(jiǎn)單的實(shí)車(chē)碰撞試驗(yàn)，50年代之后發(fā)展了臺(tái) 車(chē)模擬碰撞試驗(yàn)，80年代以后發(fā)展了基于碰撞有限元理論的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，目前國(guó)外在 這一領(lǐng)域的相關(guān)研究大多采用這一技術(shù)。1993年，英國(guó)交通研究實(shí)驗(yàn)室（transportat

7、ion research laboratory ）對(duì)某一轎車(chē)的前撞進(jìn) 行了仿真計(jì)算，計(jì)算采用巨型機(jī)和oasys-dyna3d動(dòng)態(tài)非線性?xún)酉拊?jì)算分析軟件。整 車(chē)模型由25000個(gè)變形單元組成，計(jì)算100 ms的車(chē)輛撞擊響應(yīng)過(guò)程，耗時(shí)30cpu小時(shí)。計(jì) 算得到了車(chē)輛撞擊過(guò)程小的加速度變化illi線及車(chē)輛的撞擊變形等叫1995年，美國(guó)ford公司進(jìn)行了轎乍與護(hù)欄前撞的仿真計(jì)算。計(jì)算采用cray c-90型巨 型機(jī)和radioss商用非線性有限元碰撞分析軟件何。整車(chē)模型由31500個(gè)節(jié)點(diǎn)、30800個(gè) 單元組成。單元類(lèi)型包含冇殼單元、實(shí)體單元、梁?jiǎn)卧约胺蔷€性彈簧單元等。計(jì)算得到了 撞擊時(shí)儀表板等侵

8、入駕駛室的尺寸、車(chē)輛撞擊變形及車(chē)輛屮的乘員損傷情況。1989年，清華人學(xué)汽車(chē)系建立了國(guó)內(nèi)第一個(gè)簡(jiǎn)易的實(shí)車(chē)碰撞試驗(yàn)臺(tái)并進(jìn)行了一些探索 性的車(chē)輛碰撞試驗(yàn)研究，収得了較好的效果，在國(guó)內(nèi)汽車(chē)工業(yè)界造成了一定的影響w 隨 后，中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心（天津）、東風(fēng)汽車(chē)工程研究院（襄樊）、交通部公路交通試驗(yàn)場(chǎng)（北 京）以及湖南大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院等單位也先后建立了汽車(chē)碰撞試驗(yàn)設(shè)丿施，1997年5刀， 清華人學(xué)汽車(chē)系裘新等人利用簡(jiǎn)化的車(chē)輛模型實(shí)現(xiàn)了某輕型車(chē)的前碰撞仿真模擬,，2,o 1998 年10月，長(zhǎng)春汽車(chē)研究所賈宏波等人完成了 “紅旗”牌轎車(chē)車(chē)身前碰撞的仿真計(jì)算。北京 理工大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、湖南大學(xué)等都相

9、繼完成了轎車(chē)車(chē)身或轎午整午的碰撞仿真研究工作。3汽車(chē)碰撞安全性設(shè)計(jì)方法在對(duì)汽車(chē)的碰撞安全性進(jìn)行設(shè)計(jì)研究時(shí)，由于涉及面廣，因此，需要采川的理論和方法 也是多種多樣的，主要的方法有經(jīng)驗(yàn)法、解析法、多剛體動(dòng)力學(xué)法、試驗(yàn)法及有限元法等3。 目前，國(guó)外對(duì)汽車(chē)碰撞的仿真研究人多強(qiáng)調(diào)最后的階段，即建立大量有限單元的密車(chē)模型伸 元數(shù)從2萬(wàn)到10萬(wàn)或更多)，對(duì)整車(chē)結(jié)構(gòu)進(jìn)行最終碰撞性能的校核；然而，在一般車(chē)輛的初 始設(shè)計(jì)階段，可能沒(méi)有制作詳細(xì)的車(chē)輛碰撞校核模型所需耍的信息和時(shí)間。因此，簡(jiǎn)單化的 碰撞仿真設(shè)計(jì)方法和手段在實(shí)際的應(yīng)用中更受歡迎，這將是應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)進(jìn)行車(chē)輛結(jié) 構(gòu)碰撞性能設(shè)計(jì)的趨勢(shì)。3.1經(jīng)驗(yàn)法早期

10、在汽車(chē)被動(dòng)安全研究中采用的主要研究手段是試驗(yàn)的方法，汽車(chē)結(jié)構(gòu)耐撞性和各種 安全約束保護(hù)系統(tǒng)性能的檢測(cè)幾乎都依靠實(shí)驗(yàn)手段和研究人員的經(jīng)驗(yàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)廠需要經(jīng)歷很長(zhǎng) 的周期和花費(fèi)大量的資金。rh于初始起步研究階段缺乏相應(yīng)的理論，并研究受到整個(gè)工業(yè) 化水平及條件的限制，因此，研究手段和方法人多只能憑借人們口常生活屮的經(jīng)驗(yàn)或想象, 這種研究可稱(chēng)為“經(jīng)驗(yàn)法”。關(guān)于“經(jīng)驗(yàn)法”設(shè)計(jì)研究的一個(gè)典型的例子是當(dāng)時(shí)對(duì)汽車(chē)轉(zhuǎn)向柱的設(shè)計(jì)與改進(jìn)叫在 汽車(chē)的碰撞安全性問(wèn)題受到人們重視zmj的那一段時(shí)期，一旦發(fā)生汽車(chē)碰撞事故(這里主耍 指車(chē)輛前部正面碰撞事故)，一個(gè)最為突出的問(wèn)題就是轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)發(fā)生較大的向后位移，從而 對(duì)駕駛員造成致

11、命損傷。針對(duì)這一現(xiàn)象，當(dāng)時(shí)的汽車(chē)設(shè)計(jì)師們根據(jù)口常生活的經(jīng)驗(yàn)設(shè)想，如 果撞擊時(shí)轉(zhuǎn)向柱能夠較為輕易地被壓縮，比如用彈簧或錢(qián)接桿來(lái)代替剛性的直桿，那么撞擊 損傷就可能減輕或避免。圖3.1所示的中置彈贊式轉(zhuǎn)向柱在受到碰撞吋既可被壓縮，同吋 又具有一定的緩沖吸能作用，圖3.1(b)所示的錢(qián)接式轉(zhuǎn)向柱能被壓縮，但不具備吸能能力。 經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法往往并不需要很深的理論，但卻是一種創(chuàng)造。轉(zhuǎn)向柱圖3.1經(jīng)驗(yàn)法設(shè)計(jì)實(shí)例-轉(zhuǎn)向柱(a)中置彈簧式；(b)較接式在隨后的汽車(chē)發(fā)展過(guò)程中，“經(jīng)驗(yàn)法”設(shè)計(jì)仍然發(fā)揮著它的重要作用，許多結(jié)構(gòu)上的垂 大創(chuàng)新往往都是來(lái)口人們的“經(jīng)驗(yàn)”或“靈感”。僅從碰撞安全性設(shè)計(jì)方面來(lái)講，就有安全 帶、

12、安全氣囊等碰撞安全部件的發(fā)明是直接依據(jù)人們的經(jīng)驗(yàn)而得到的，至于現(xiàn)今一些車(chē)輛上 廣泛使用的能最吸收式轉(zhuǎn)向柱則是在初始經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上逐步發(fā)展完善起來(lái)的。值得指出的是，雖然“經(jīng)驗(yàn)法”是最直接的設(shè)計(jì)方法，但是僅僅依據(jù)經(jīng)驗(yàn)而作的設(shè)計(jì)往 往是不完善的，需要再輔以其它方法加以研究，比如工程計(jì)算分析，試驗(yàn)校核或試驗(yàn)驗(yàn)證等, 只有這樣才能把人們的肓接經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為科學(xué)、實(shí)用、可靠的產(chǎn)品。因此，要發(fā)展汽車(chē)碰撞安 全性設(shè)計(jì)與改進(jìn)技術(shù)，除了需要借鑒人們長(zhǎng)期積累的經(jīng)驗(yàn)外，還應(yīng)結(jié)合現(xiàn)代的科學(xué)及工程方 法。3.2解析法在工程實(shí)際中，定性設(shè)計(jì)是基礎(chǔ)，定量分析是具體的實(shí)施手段，因此，到了六、七十年 代“解析法”開(kāi)始被應(yīng)川到汽車(chē)碰撞安

13、全性設(shè)計(jì)與改進(jìn)中來(lái)，川以計(jì)算整車(chē)或某些車(chē)輛部 件的撞擊力或撞擊變形，因?yàn)檫@些部件或子結(jié)構(gòu)的變形對(duì)整車(chē)的碰撞安全性彩響重大。例如, 駕駛室前捲和擋風(fēng)玻璃立林的過(guò)大變形將導(dǎo)致轉(zhuǎn)向柱突入乘他空間；抗扭箱梁過(guò)人的撞壓變 形將引起駕駛索擱腳板的變形；而其他重要的量還包括撞壓力，它不應(yīng)超過(guò)乘處宗的負(fù)荷極 限等，這些結(jié)構(gòu)的動(dòng)力負(fù)荷和變形問(wèn)題不能僅僅依靠經(jīng)驗(yàn)而得出，而是需耍加以定量分析計(jì) 算的。解析法的優(yōu)勢(shì)是能夠精確地求解，這是對(duì)簡(jiǎn)單構(gòu)件而言的，但在當(dāng)時(shí)的條件下，精確計(jì) 算汽車(chē)前部結(jié)構(gòu)的變形或撞擊力是困難的，可用的方法是對(duì)結(jié)構(gòu)采収一定的簡(jiǎn)化和假設(shè)，刁 -能具體地求出汽午在不同條件如撞擊速度、質(zhì)量分布和兒何形狀

14、下的沖擊響應(yīng)，如汽車(chē)質(zhì) 量的運(yùn)動(dòng)、零部件的撞擊變形歷程和能量吸收等，從血為設(shè)計(jì)提供依據(jù)。解析法的另一個(gè)優(yōu) 勢(shì)是，一旦建立了某一車(chē)輛的分析模型，就會(huì)給后續(xù)的改進(jìn)研究工作帶來(lái)很大的方便。比如, 通過(guò)分析需要改進(jìn)車(chē)輛的某一抗力元件，則只需重新測(cè)最該部件的抗力性能，便可在原有車(chē) 輛的基礎(chǔ)上，對(duì)改進(jìn)的結(jié)果進(jìn)行再評(píng)估。圖3.2所示是一個(gè)簡(jiǎn)化的車(chē)輛模型1小，它由三個(gè)集 中質(zhì)量和八個(gè)非線性抗力元件組成，用以分析車(chē)輛以初始速度vo撞擊障礙物時(shí)的車(chē)輛前部 結(jié)構(gòu)響應(yīng)。圖3.2汽車(chē)正面撞擊障礙物的解析模型3.3多剛體動(dòng)力學(xué)法在關(guān)于汽車(chē)碰撞安全性的所有研究中，研究的目的或核心對(duì)象都是基于乘員，即所有的 研究都是圍繞著對(duì)

15、乘員的保護(hù)進(jìn)行的，因此，對(duì)人體本身的碰撞損傷研究是一個(gè)必不可少的 研究課題。這類(lèi)研究包括人體承受外部沖擊能力的研究、人體的生物力學(xué)特性研究以及碰插 損傷評(píng)價(jià)指標(biāo)與方法研究等。對(duì)乘員的受撞研究始于70年代，目前比較成熟的或廣泛使用的研究方法是多剛體動(dòng)力 學(xué)法，該方法以荷蘭國(guó)家科學(xué)研究院（簡(jiǎn)稱(chēng)nto）研究開(kāi)發(fā)的madymo軟件為代表，它基 于乘員特征、乘坐環(huán)境、約束系統(tǒng)和碰撞狀態(tài)建立由錢(qián)連接的多剛體系統(tǒng)模烈，如圖3.3所 示，用以進(jìn)行碰撞受害者的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算和分析圖3.3乘車(chē)多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析模型多剛體動(dòng)力學(xué)方法以剛體來(lái)代表地板、儀表板、朋椅、轉(zhuǎn)向系和假人等，多剛體坐標(biāo)系 間的相互作用通過(guò)

16、接觸來(lái)定義，作用力的人小依據(jù)貫穿量和接觸特性來(lái)計(jì)算。多剛體系統(tǒng)模 型的輸入為車(chē)輛所承受的撞擊加速度曲線，輸出結(jié)果為假人各部分的受力、減速度歷程曲線 以及傷害指標(biāo)等。由于多剛體動(dòng)力學(xué)方法以剛體來(lái)代表分析和受力的對(duì)彖，因此，它不能直 接用來(lái)計(jì)算分析車(chē)體結(jié)構(gòu)的受撞變形，而只能川來(lái)評(píng)價(jià)乘員在特定碰掠狀態(tài)f的響應(yīng)等，僅 限于乘員碰撞研究。3.4試驗(yàn)法試驗(yàn)法是一種最直接、最客觀的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證方法。試驗(yàn)的冃的是為了能夠再現(xiàn)實(shí)際道路 上的車(chē)輛碰扌童事故并對(duì)其進(jìn)行研究，因此，一般都需要建立特定的碰撞試驗(yàn)設(shè)施，比如牽引 機(jī)構(gòu)、障礙壁、電測(cè)最系統(tǒng)、高速攝彩測(cè)最系統(tǒng)以及專(zhuān)用的測(cè)試用假人等，另一方面，從可 能發(fā)牛的碰撞事

17、故考慮，必須研究各種不同形式的碰撞，也即碰撞試驗(yàn)的撞擊形式以及測(cè)試 內(nèi)容也是多種多樣的，僅實(shí)車(chē)一類(lèi)的碰撞試驗(yàn)就有實(shí)車(chē)幣而碰撞、偏置碰撞、側(cè)而碰撞、追 尾碰撞以及車(chē)對(duì)午的碰撞等，除此z外，述有零部件的碰撞試驗(yàn)，如安全帶、安全氣囊的動(dòng) 態(tài)碰撞試驗(yàn)、座椅、儀表板、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)以及車(chē)輛其它了結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)等；如果從碰插試驗(yàn) 的性質(zhì)來(lái)分，又可分為法規(guī)碰撞試驗(yàn)、部件匹配試驗(yàn)以及白行開(kāi)發(fā)研究試驗(yàn)等，可以說(shuō)，試 驗(yàn)法在汽千碰撞安全性的研究領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用得和當(dāng)廣泛?？偨Y(jié)起來(lái)，碰撞試驗(yàn)法的作用大致可分為如下三個(gè)方而"3對(duì)比優(yōu)選當(dāng)需耍從同一部件的幾種不同設(shè)計(jì)方案中選擇一種設(shè)計(jì)方案,或者是對(duì)某一設(shè)計(jì)方案進(jìn) 行改進(jìn)研

18、究時(shí)，通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比能夠直接達(dá)到優(yōu)選方案的冃的。因此，試驗(yàn)對(duì)比法是常 用的設(shè)計(jì)方法。比如，安全帶或安全氣囊等安全零部件與整車(chē)結(jié)構(gòu)的性能匹配設(shè)計(jì)，通常即 可由試驗(yàn)對(duì)比法來(lái)完成。(2) 安全性評(píng)估碰撞試驗(yàn)?zāi)軌蛑苯訙y(cè)量出各種撞擊結(jié)果，如人體各部位的加速度值、人體胸部壓縮變形 以及腿部受力等，根據(jù)這些結(jié)果町直接評(píng)佔(zhàn)某一特定的設(shè)計(jì)或修改是“行”或者“不行”， 這對(duì)于設(shè)計(jì)初期的方案確定往往非常重要。試驗(yàn)評(píng)估的內(nèi)容也可以是多方面的，如結(jié)構(gòu)碰撞 變形模式的好或壞，車(chē)體撞擊減速度值的高或低以及人體撞擊傷害指標(biāo)值的大或小等。(3) 輔助設(shè)計(jì)與改進(jìn)任何零部件的設(shè)計(jì)，都不太可能一次就達(dá)到最佳狀態(tài)，對(duì)碰播性能而言更

19、是如此，設(shè)計(jì) 的中間過(guò)程需要反復(fù)，需要一步步的改進(jìn)。通過(guò)多次的試驗(yàn)及對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的觀察，可找出設(shè) 計(jì)屮存在的不足或缺陷，從而確定改進(jìn)的目標(biāo)或方向，因此，試驗(yàn)法是輔助設(shè)計(jì)與改進(jìn)的一 種十分有效的方法和手段。與其它研究領(lǐng)域中的試驗(yàn)方法不同，汽車(chē)碰撞安全性試驗(yàn)是一種破壞性的試驗(yàn)，何一個(gè) 產(chǎn)品只能試驗(yàn)一次，不論是車(chē)輛零部件、車(chē)身結(jié)構(gòu)還是整車(chē)，試驗(yàn)一次即失去了再利用的價(jià) 值，所以說(shuō)，碰撞試驗(yàn)是一種昂貴的試錯(cuò)過(guò)程，盡管試驗(yàn)法具冇以上所述的諸多優(yōu)越性，但 如果在整個(gè)車(chē)輛的碰撞安全性設(shè)計(jì)與改進(jìn)研究過(guò)程屮都完全依賴(lài)于試驗(yàn)方法的話，則不僅需 要花費(fèi)大量的時(shí)間，更要付出高昂的代價(jià)。3.5有限元法現(xiàn)代汽車(chē)的設(shè)計(jì)、改進(jìn)、

20、開(kāi)發(fā)過(guò)程中，降低成木與縮短時(shí)間始終是關(guān)注的核心問(wèn)題。這 就需要能夠盡快、用盡可能小的代價(jià)了解汽車(chē)的碰撞規(guī)律，拿出切實(shí)可行的設(shè)計(jì)方案和改進(jìn) 方法，提高汽車(chē)的耐撞性。但是要對(duì)一輛汽車(chē)，其至是一個(gè)部件進(jìn)行理論分析，確定其碰撞 特性是非常困難的。準(zhǔn)靜態(tài)分析如此，如果再考慮到材料缺陷和制造誤差帶來(lái)的諸多不確定 因素，用理論分析的手段來(lái)解決汽不的耐扌童性問(wèn)題幾乎是不可能的，陽(yáng)采用有限元方法fea (finite element analysis)進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算是一種行之有效的方法。汽車(chē)耐撞性分析的有限元法是二十世紀(jì)八十年代以后逐步發(fā)展和完善起來(lái)的先進(jìn)技術(shù)， 如今己在汽車(chē)工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家得到廣泛的應(yīng)用，并已

21、取得了巨人的成就。與碰撞試驗(yàn)方法的不 同是，冇限元法是一種數(shù)值方法，分析與計(jì)算都是在計(jì)算機(jī)上完成，它所具冇的優(yōu)勢(shì)是方便、 快捷并且花費(fèi)相對(duì)低廉，因此在當(dāng)今的汽車(chē)碰撞安全性研究中占有特殊重要的地位。碰撞有 限元法的應(yīng)用也是十分廣泛，如進(jìn)行整車(chē)的碰撞分析(如圖3.4所示)，部件或結(jié)構(gòu)的碰撞分 析、或者是安全帶、安全氣囊與假人的碰撞作用分析等，具求解的內(nèi)容可包括車(chē)身、車(chē)架等 的撞擊變形及動(dòng)態(tài)響應(yīng)以及人體的碰撞響應(yīng)等多種未知最;求解的結(jié)果可肓接用來(lái)評(píng)價(jià)車(chē)輛 或部件碰撞安全性能的好壞，以幫助改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)屮的缺陷等。圖3.4汽車(chē)碰撞變形分析劇碰撞有限元法所具有的巨大優(yōu)勢(shì)主耍表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面四：(1) 花

22、費(fèi)低廉，即一個(gè)模型可用來(lái)進(jìn)行無(wú)數(shù)次的碰扌童而不損壞；(2) 如果結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，只需改動(dòng)模型屮的相關(guān)參數(shù)即可進(jìn)行再次的碰撞分析，這比 實(shí)體修改后再試驗(yàn)的過(guò)程更方便、快捷，利于多種方案的快速分析和比較；(3) 不需要任何的測(cè)量?jī)x器，就可輸岀所需要的撞擊結(jié)果，如某結(jié)構(gòu)部位的撞擊加速度、 結(jié)構(gòu)上某一點(diǎn)的位移、結(jié)構(gòu)的變形能以及人體的撞擊受力等等，并門(mén)有些結(jié)果是試驗(yàn)無(wú)法測(cè) 到的；(4) 能夠任意多次地重復(fù)再現(xiàn)各個(gè)部件的屮間變形過(guò)程，方便設(shè)計(jì)人員對(duì)結(jié)構(gòu)的觀察、 分析和改進(jìn)。盡管有限元法具有強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)和功能，但它并不能脫離試驗(yàn)而單獨(dú)存在，這是因?yàn)橐环?而，碰撞計(jì)算所需耍的眾多參數(shù)，如材料特性、部件連接特性等

23、，都必須由試驗(yàn)來(lái)提供；另 一方面，冇限元分析受人為因素的影響較大，如模型的建立，仿真參數(shù)的選擇等可隨分析人 員的不同而不同，因此，仿真計(jì)算的結(jié)果一般需要通過(guò)試驗(yàn)加以驗(yàn)證，只有經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的模型 才是正確和可用的模型。在實(shí)際工作中，為了最大限度地發(fā)揮出有限元法的能力與潛力，必 須使z與試驗(yàn)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)。4汽車(chē)碰撞研究的發(fā)展趨勢(shì)提高仿真運(yùn)算速度與仿真結(jié)果的可靠性是汽車(chē)碰撞仿真技術(shù)發(fā)展的核心汽車(chē)碰撞仿真 技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)就在于它能對(duì)還未制造出的產(chǎn)站設(shè)計(jì)方案進(jìn)行安全性評(píng)估，捉出設(shè)計(jì)改進(jìn)方 案，從而提高了新不型滿足極高的碰播安全性耍求的成功率。在這方而，仿真技術(shù)本身的可 靠性起著決定性的作用。4.1開(kāi)發(fā)新的

24、人體模型在人體模型模擬技術(shù)小，使用最多的是多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法。它用于計(jì)算假人頭部傷 害指數(shù)hic、胸部質(zhì)心處合成加速度及人腿軸向合力等參數(shù)，以便判斷是否滿足法規(guī)要求。 冃前采用有限元方法建立人體結(jié)構(gòu)生物力學(xué)模型，可以比佼真實(shí)地描述人體局部結(jié)構(gòu)的變 形。但為了更精確分析人體在汽車(chē)碰撞時(shí)的運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，開(kāi)發(fā)新的人體模型模擬技 術(shù)仍是汽車(chē)碰撞仿真研究的難點(diǎn)。4.1尋求接觸搜尋新算法創(chuàng)詢(xún)縱梁是吸收汽車(chē)正而碰撞沖擊能量的主要部件。碰撞發(fā)牛吋，而縱梁將以丿用曲形式被 壓潰，直至變成波紋管狀。材料的塑性變形吸收了沖擊能量，被壓潰的前縱梁的最終長(zhǎng)度一 般只冇原長(zhǎng)的20%到30%,同時(shí)，汽車(chē)前部壓皺區(qū)的

25、其他零部件還會(huì)發(fā)生另外形態(tài)的變形, 從而使接觸搜尋比較困難。在汽車(chē)碰撞仿真工作中，用于接觸處理的時(shí)間占運(yùn)算時(shí)間的60% 到80%,所以接觸算法的品質(zhì)直接影響碰撞仿真軟件精度和仿真運(yùn)算速度。4.3降價(jià)積分新技術(shù)在顯式有限元程序中，常常使用單點(diǎn)積分計(jì)算單元節(jié)點(diǎn)內(nèi)力0】。這樣不僅避免了全階 積分時(shí)“剪切自鎖”現(xiàn)彖，而提高了軟件的運(yùn)算速度。然而，如何克服由此產(chǎn)生的“砂漏” 現(xiàn)象，是顯式有限元法的一個(gè)新難點(diǎn)?！吧奥币种扑惴ǖ膬有栽诤苋顺潭壬弦蕾?lài)于控制 參數(shù)的選擇?？刂茀?shù)若取得太小，則“砂漏”現(xiàn)象仍會(huì)出現(xiàn)。若取得太大，貝剪切h鎖” 現(xiàn)象會(huì)重現(xiàn)。目詢(xún)，普遍傾向于犧牲部分運(yùn)算速度以換取“砂漏”控制可靠性

26、的做法，以求 速度與可靠性兼顧。其中最成功的是適用于殼體單元的交叉降價(jià)積分法與適用于任意單元的 靈活降價(jià)積分法。前者的主導(dǎo)思想是在殼單元參考面方向與厚度方向交叉進(jìn)行降階積分，并 將對(duì)角線上積分點(diǎn)和剪應(yīng)變進(jìn)行加權(quán)平均。這樣，一方面可減少數(shù)值積分計(jì)算最和消除薄殼 口鎖現(xiàn)象。另一方面根據(jù)實(shí)際變形模式來(lái)消除“砂漏”，提高了計(jì)算可靠性。后者主耍是根 據(jù)單元所處的工作狀態(tài)，交義使用降價(jià)積分，即當(dāng)單元完全處于彈性工作狀態(tài)時(shí)，使用單點(diǎn) 積分。當(dāng)單元的一部分處于彈性而另一部分處于塑性工作狀態(tài)時(shí)，使用多點(diǎn)積分；而當(dāng)單元 全部處于冊(cè)性工作狀態(tài)時(shí)，又對(duì)該單元采用單點(diǎn)積分。5結(jié)論汽車(chē)是高投入、高產(chǎn)出、高風(fēng)險(xiǎn)的髙科技產(chǎn)品

27、，其市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力和壽命與產(chǎn)品的高科技含 量息息相關(guān)。為使我國(guó)汽車(chē)工業(yè)實(shí)現(xiàn)具備自主開(kāi)發(fā)新車(chē)型的能力，產(chǎn)站和制造技術(shù)達(dá)到當(dāng)代 國(guó)際水平的冃標(biāo)，應(yīng)密切注視汽午碰撞仿真研究領(lǐng)域的發(fā)展動(dòng)向，并盡快使其轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力。 各汽車(chē)制造廠商應(yīng)抓緊時(shí)機(jī)對(duì)其現(xiàn)冇的汽車(chē)產(chǎn)品進(jìn)行止面碰撞耐撞性改進(jìn)，并力爭(zhēng)在汽車(chē) 新品開(kāi)發(fā)屮使產(chǎn)品具有高的被動(dòng)安全性品質(zhì)，力圖以核心競(jìng)爭(zhēng)力的提升占據(jù)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的制高 點(diǎn)。開(kāi)展汽車(chē)安全性研究改進(jìn)車(chē)輛耐撞性設(shè)計(jì)，提高乘用車(chē)碰撞安全性，降低交通事故的死 亡，是我國(guó)汽車(chē)行業(yè)研究的重要課題，也是汽車(chē)制造企業(yè)十分緊迫的任務(wù)。參考文獻(xiàn)1 佐藤武主編,吳關(guān)昌等譯汽車(chē)的安全m北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1988: 54-59.2 鐘志華.汽車(chē)耐撞性分析的冇限元法j.汽車(chē)工程.1994:13(1) :24-26.朱西產(chǎn)，鐘榮華.薄壁直梁件碰撞性能計(jì)算機(jī)仿真方法的研究j.汽車(chē)工程 2000, 22 (2):85-89.4 劉鳳梧等.微型客不針對(duì)正而碰撞法規(guī)的系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)j.汽午技術(shù)2002(9):