汽車安全性研究
1.1汽車被動安全性研究的意義與現狀
1.1.1研究的意義
     近年來我國的汽車工業飛速發展，汽車保有量迅速增加，這同時也導致了與汽車相關的各種事故的迅猛增長。根據國家安全生產局發布的全國安全生產形勢通報，2002年全國共發生各類安全事故107. 3萬起，死亡13. 9萬人。其中，道路交通事故77. 3萬起，占全部的72%，死亡10. 9萬人，占全部的78% , 56. 2萬人受傷，直接經濟損失33. 2億元。2003年我國一共發生交通事故607507起，總傷亡人數為598546人，其中側面碰撞占32％ ，因側面碰撞而造成的人員傷亡占31.1％。2006年，全國共發生道路交通事故378781起，造成89455人死亡、431139人受傷，直接財產損失14.9億元。與2005年相比，事故450254起，死亡人數98783人，受傷人數469911人，直接財產損失18.9億元。汽車交通安全已經成為公共安全問題中舉足輕重的部分。從世界范圍來看，我國汽車保有量只占全世界的1.9%，但我國交通事故死亡人數卻占全世界的15%左右。可見汽車安全性研究在我國的重要性。大量交通事故的發生，無數生命的代價換來民眾、生產廠商和政府部門對汽車安全性的重視并開始采取各種措施來減少人員及車輛的損失。通過提高汽車安全性能，達到事故無法避免時“車毀人不亡，車損人不傷”。^[1]
汽車被動安全性是汽車最為重要的一項整車性能指標，人們一直致力于汽車安全性的研究和安全技術的開發。汽車工業發達的國家如美國、日本，隨著汽車安全性研究的深入和安全法規的貫徹，雖然汽車保有量在增加，但交通事故的死亡率大大降低，成效十分顯著。這證明了先進的安全技術可以降低交通事故的發生率及減少財產的損失。我國目前已進入交通事故多發期，而且汽車安全水平落后，這已經成為阻礙我國交通運輸業和汽車工業進一步發展的主要因素之一，因此開展汽車被動安全性研究是十分必要和緊迫的。為了促進這一領域的研究工作，中國汽車被動安全技術專業委員會于1995年9月成立，標志著我國汽車被動安全性研究工作走上系統化和正規化的發展道路。而2000年1月1日，CMVDR 294《關于正面碰撞乘員保護的設計規則》的實施則標志著我國的碰撞法規正逐漸與國際接軌。
1.1.2研究現狀
目前，國內外有關汽車被動安全性的研究主要圍繞汽車抗撞性和乘員約束系統兩方面開展，具體表現為以下幾點：
1.1.2.1車身結構抗撞性
車身結構抗撞性研究提高汽車安全性，是汽車問世以來最重要的研究課題之一。車身是安裝懸掛部件的基礎，其堅固可靠可為行車安全提供必要的條件。在實際的新車開發中，應以此為目標，努力實現車身結構高強度化。然而，車身能夠直接發揮的最大作用還是提高整車的安全性。為此車身應有如下功能：
（1）為了盡量緩解乘員受到的沖擊，必須盡可能緩和吸收車輛和乘員的運動能量。
（2）在確保乘員的有效生存空間的同時，還必須保證碰撞后乘員易于逃脫和容易進行車外救護。
電子計算機的出現使得人們采用數學模擬方法來研究車身結構的抗撞性成為可能。隨著 Cray 等巨型計算機的出現，基于顯式積分的有限元方法在 80 年代初有了很大的發展，使人們可以對大型結構進行動態有限元分析，車身結構的抗撞性研究進入了一個嶄新的時期。從工程角度出發，在概念設計階段，可在用彈簧質量模型進行分析，而在產品設計的最后階段，則以采用整車有限元模型進行定量分析。
1.1.2.2安全帶和安全氣囊的研究
汽車座椅安全帶是重要的乘員保護約束系統之一，在減輕碰撞事故中乘員傷害程度方面起著重要作用。汽車上使用的安全帶按固定方式分為兩點式、斜掛式、三點式和四點式4種，一般是由織帶、安裝固定件、卷收器和調節件等部件組成。安全帶在交通事故中，對駕駛員和乘員有著重要的保護作用，特別是在高速公路上行車時，其作用更加明顯。研究表明，使用安全帶能夠減少乘員在碰撞事故中50％的死亡率。
安全氣囊的研究起步于20世紀80年代后期，90年代開始得到迅速發展。安全氣囊與安全帶的配合使用大大降低了碰撞中乘員受傷的危險。傳統安全氣囊的設計是在發生正面撞車事故時避免車內乘員的頭部、頸部和胸部強烈撞擊在儀表盤、方向盤或擋風玻璃上。在后面碰撞、翻車或大多數側面碰撞的情況下，它不會被引發而打開。隨著技術的發展，安全氣囊的保護范圍將進一步擴大，從現在的前排乘員前方保護擴展到前排乘員的側面、膝部和后排乘員的前方與側面以及車外行人。側面安全氣囊、發動機罩寬幅氣囊、車外氣囊等產品不斷推出。同時，安全氣囊已出現智能化，能識別乘員席有無乘員、有無逆向兒童座椅以及乘員身材大小、重量、坐姿、是否系戴安全帶等，并根據上述信息調整動作，以求最大限度地減少失誤和保護乘員^[2]。
 
1.2汽車側面碰撞研究的意義和內容
1.2.1汽車側面碰撞研究的意義
近十年的交通事故統計表明，側面碰撞引起的交通事故均高于正面碰撞，側面碰撞的致死率僅次于正面碰撞，而致傷率則居第一位。據有關資料統計表明，國外交通事故死亡人數中，因正面碰撞而導致死亡的接近70%，因側面碰撞而導致死亡的接近30%，而在我國由于交通法規執行情況及道路使用狀況的特殊性，由側面碰撞而導致死亡的比例高于國外；數據表明，我國1998年汽車側面碰撞事故的發生率占整個交通事故的31.56%，嚴重受傷人數占30.15%，都僅次于正面碰撞事故。同時考慮碰撞造成的乘員傷害及財產損失時，側面碰撞達到了一個相對較高的水平,其所造成的巨大經濟損失和給上千萬個家庭帶來的災難及殘疾人口增長引發的社會問題是非常嚴重的。在這種形勢下，改善汽車安全性，降低乘員和行人的傷亡率以及減少交通事故所造成的經濟損失的重要性顯得尤為重要。
汽車側面是車體中強度較薄弱的部位，尤其是對于轎車而言，其側面強度更為薄弱； 同時車內乘員同強烈貫穿的撞擊物之間僅隔著車門和20-30cm的空間，這意味著一旦受到來自側面的撞擊，不可能有像汽車的前部及后部那樣，有足夠空間發生結構變形及吸收碰撞能量，轎車側面的可變形空間小,很有可能在撞擊過程中，乘員受到擠壓，同時左側的乘員頭部也有可能與車身發生碰撞，造成昏迷狀態，使得不能自救，這就是側面碰撞對乘員的傷害較其他類型的碰撞要嚴重的原因。在斜坡上或在轉彎時發生的側面碰撞，還有可能引起被撞汽車翻傾，可能導致車門框變形使車門不能開啟，影響乘員離開危險地帶及對乘員的救援。因此與正面、后部碰撞相比，側面碰撞對乘員可能造成的傷害更大。因此開展側面碰撞安全性研究已成為汽車被動安全領域研究的一個新熱點。
 
1.2.2汽車側面碰撞研究的內容
國外對于側碰的研究則是從上個世紀八十年代才開始真正興起，主要集中于以下幾個方面:側面碰撞試驗臺的研究，計算機模擬側碰的研究，側碰中乘員響應及傷害指標的研究，側碰假人的研究及側面碰撞試驗法規的研究等。
(一)側面碰撞試驗臺的研究
    側面碰撞試驗臺經歷了一個不斷發展與完善的過程，大致分為兩種類型:第一類只有一個臺車的試驗臺，Heidelberg^[3]型是其中比較典型的一個，原理是假人置于座椅上，座椅固定于能水平側向移動的滑車，初始狀態為假人與滑車一起加速至碰撞速度，然后滑車在短時間內速度減到零，慣性作用下假人在座椅上作側向移動，與固定在座椅上的側壁障發生碰撞。此類型的試驗臺其實更適合于模擬二次碰撞對乘員的傷害，對于側面碰撞而言車門、B柱等發生側向變形和位移直接與乘員接觸造成乘員的傷害，因而它不能很好地模擬側面碰撞中車門與乘員之間相互作用以及能量的轉移，對于研究車門內飾和緩沖材料還比較合適。^[4]
    第二類試驗臺，即兩個臺車的試驗臺，其中L.M.Morrie.Shaw設計的試驗臺能夠較好的重現側面碰撞，基本原理是一運動的撞擊滑車撞向一靜止的目標滑車，座椅及假人固定在目標滑車上，連接側門與目標滑車的吸能器用來模擬側面碰撞中能量的轉移；另一種Douglas .Stein^[5]設計的試驗臺能比較準確的模擬真實碰撞中車門、座椅與假人之間的位置關系(這對于研究側撞氣囊的安裝和打開至關重要)。第二類試驗臺能很好的模擬了真實的側撞情形，對于研究側面碰撞乘員約束系統配置尤其是側撞氣囊的安裝有重要的指導意義。
(二)側面碰撞虛擬試驗技術的研究
    隨著計算機技術和計算方法的飛速發展，計算機模擬在汽車碰撞安全性的研究中得到廣泛應用。顯式有限元方法的成熟標志著汽車碰撞安全性研究進入了試驗和理論研究并重的階段。由于有限元技術本身的特點，它能夠很好地處理異常復雜的結構和邊界條件，而且其適用面廣、精度高，因此，該方法一出現就顯示其強大的生命力。各種用于碰撞仿真分析的商用軟件如LS-DYNA,PAM-CRASH,MSC/DYTRAN, NASTRAN, RADIOSS, MADYMO等相繼問世^[6]，這些軟件不僅可以在汽車碰撞的有限元仿真中處理結構的大變形問題，而且對碰撞過程中乘員的仿真分析也有相應的處理方法。
    國外從事側面碰撞計算機模擬研究的工作重點放在了各種數值模型的建立以及乘員響應的研究方面。David J. Segal等人采用集中質量模型與CAL-3D軟件建立了15個剛體的多體模型，研究了側碰中不同類型的緩沖材料對身材不同尺寸乘員的傷害程度，認為緩沖材料對乘員損傷的影響較大，而且對于小身材乘員的影響更大。
(三)側面碰撞中乘員響應及傷害指標的研究   
乘員響應的研究主要集中在頭部、頸部、胸部、腹部及骨盆等在側碰中最易受傷的人體部位，這些是進行乘員保護研究的基礎，以對于乘員約束系統如側撞氣囊的研究，車體側圍結構的設計如車門剛度、內飾板材料特性、座椅尺寸及形狀等都有指導意義。^[7]
    在研究乘員損傷的各種評價指標方面，美國韋恩州立大學的J.Cavanaugh等人做了大量工作，他們在一系列人體死尸試驗基礎上研究乘員損傷機理及承受極限，并運用工程軟件MADYMO及PAM-CRASH建立相應數值模型，進行評價指標的研究，以探討側碰中乘員的保護。
1.3計算機仿真技術在側面碰撞中的國內外應用狀況
近幾十年來，計算機仿真碰撞技術迅速發展，在安全性車身的開發、乘員保護措施的優化、人體生物力學、碰撞用假人的開發等領域中發揮了重大作用。盡管計算機模擬試驗還不能完全取代昂貴的實車碰撞試驗，但是在產品的概念設計階段、樣車的試制、試驗次數的減少、開發費用及周期的降低等方面有明顯的優勢，而且可重復性強、結果信息全面。同時計算機模擬研究的適用面廣、精度高，可以處理很多異常復雜的結構變形等問題，還可以設定模型的邊界條件和其它特定條件等，因此顯示出強大的生命力。
隨著牛頓矢量力學、拉格朗日分析力學、多剛(柔)體系統動力學、生物力學、碰撞理論、材料理論、有限元理論、數值方法以及計算機技術水平的不斷提高，汽車碰撞計算機模擬理論和方法得到了不斷發展和完善，涌現出各種用于碰撞仿真分析的商用軟件，如MADYMO、LS-DYNA、PAM-CRASH、MSC/DYTRAN等，其中采用多剛體系統動力學理論建模的軟件可以模擬碰撞事故中乘員與環境的相互作用，能很好地再現事故過程，而采用顯式有限元理論建模的軟件可以用來描述車身結構的抗撞性，處理很多異常復雜的結構大變形問題。這些軟件的模擬結果能與實車碰撞結果大致吻合，尤其是對于車身結構的改進，可以使用這些軟件和算法在短時間內對多種方案作出比較，得到滿意的改進方案。
國內外相關研究表明，對汽車碰撞過程進行計算機模擬，不僅能較準確的預測碰撞過程中乘員的響應與傷害程度，同時還能預測汽車結構本身的耐碰撞性能，評價汽車耐撞結構的好壞，并進行相應的改進，從而可以經濟快速的評價多種設計方案，淘汰不合理的設計，使技術人員在車輛開發早期進程就能有效預測其被動安全性能，加快新車型開發速度。同時還可以省去不必要的試錯過程，將碰撞試驗的費用減少到最低。
 
1.3.1國外狀況
國外對整車碰撞的計算機模擬研究始于上世紀六十年代，但一直受限于計算機硬件技術和算法理論的發展，真正的突破始于1986年LS-DYNA首次成功地模擬了整車大變形，從此之后，基于動態顯式非線性有限元技術的計算機仿真方法在國外開始得到廣泛使用。  
在有關側面碰撞的計算機模擬研究中，國外從事汽車安全研究的技術人員已做了大量的工作，其工作重點放在汽車結構本身的耐碰撞性能研究和乘員的響應研究方面。Seyer等人^[8]通過研究不同的MDB與汽車的側面碰撞，以及汽車與汽車之間的側面碰撞，得出了以下幾個結論：①汽車或者MDB的剛度大小決定了碰撞載荷的起始時刻；②剛度越大，載荷作用在汽車和假人身上的時刻越早。
Mangala M.Jayasuriya應用計算機仿真技術，立足于移動變形壁障(MDB)與汽車碰撞時刻之間的相互作用力，研究了IIHS MDB，EuroNCAP MDB,LINCAP MDB對2車門轎車側面性能的影響，得出下面的結論：LINCAP MDB產生的相互作用力是最大的，并且汽車車身后部侵入量最大； IIHS MDB對車門腰部的侵入量最大。^[9]
乘員響應的研究主要涉及頭部、頸部、胸部、腹部及骨盆等部位損傷機理的研究。因為這些部位不僅是人體最重要的部位，也是碰撞中容易受損傷的部位。這些研究是進行乘員保護研究的基礎，對車輛的設計參數(如車門的剛度、內飾板的材料特性、座椅的形狀與尺寸等)、乘員約束系統(如側碰氣囊)等的研究都有指導作用。
David J .Sega111^[10]采用集中質量模型和CAL-3D軟件所建的包括15個剛體，并由14個鉸鏈聯接的多剛體模型，研究了在側碰中不同類型的緩沖材料與各種不同尺寸的乘員間搭配的損傷程度，其認為:緩沖材料對乘員損傷的影響較大，且對小尺寸乘員比對大尺寸乘員的影響程度更大。
美國韋恩州立大學的J.Cavanaugh等人基于一系列人體死尸試驗的基礎上，進行了大量的研究工作^{[11. 12. 13. 14. 15. 16]}。內容涉及緩沖材料的性能對乘員的保護作用;側面碰撞下乘員損傷的各種評價指標的研究；利用工程軟件如MADYMO及PAM-CRASH建立相應的數值模型，并進行相關的參數研究，以探討側面碰撞時乘員的保護。
T Zeguer^[17]運用有限元軟件LS-DYNA進行了側碰氣囊的開發，此種方法已被JAGUAR汽車公司用于實際的側面氣囊的研發中。側面碰撞下，對緩沖材料的研究也是工作的重點之一。Michael W .Monk^[18]等人對用于側面碰撞的緩沖材料的一般特性進行了研究，從減小乘員損傷這個角度定性地分析了材料所須具備的特性。Hung-Hsu Chen^[19]等人利用集中質量法建立了材料與乘員腳部的集中質量模型，并用此模型初步探討了材料的特性對胸部損傷的影響。
還有一部分工作放在對人體替代物的研究之上。目前，在試驗中被廣泛采用的是EuroSID、 BioSID、 USSIDDG三種側碰假人。Adrian Khan^[20]用有限元軟件RADIOSS建立了BioSID側碰假人的完整的有限元模型，描述了建立此種模型的步驟及建模過程中應該注意的一些問題。Chinmoy Pal^[21]等人也運用RADIOSS軟件建立了EuroSID側碰假人的有限元模型，主要介紹了假人各個部位的標定即確定其形狀、材料等特征的過程。Emmanuel Lizee等人^[22]收集了大量第50百分位成年男性的身體數據，并在一些試驗數據的基礎上，建立了相應的人體有限元數值模型。
1.3.2國內狀況
 我國已經開展了側面碰撞的計算機仿真研究。國內現已出現了關于側面碰撞計算機仿真的文獻。
侯飛等人^[23][24]研究了3種側門防撞桿結構對某車型的FMVSS214性能的影響,并提出了相應的側門防撞桿優化設計方案。吳毅等人針對國內某SUV車型，同樣對側門防撞桿進行了優化^[25]。
游國忠等^[26]人模擬分析了車門結構的側面抗撞性能，得出結論：車門防撞桿截面形狀和材料特性將會對車門結構產生剛度的影響；車門內增設吸能泡沫能夠吸收側面撞擊時很大的能量；車門內飾件材料和形狀直接影響側面碰撞中能量的吸收，材料的彈性模量越大，吸能效果越好。在文獻[27]中，作者對B柱進行了結構的優化，其提出了B柱的有限元模型邊界約束條件的確定必須以整車仿真數據為基礎;優化中正確地設定對B柱有較大影響的邊界條件是非常重要的環節。
陳曉東等按照ECER95法規對移動變形壁障性能的要求及驗證試驗的方法,建立了移動變形壁障的有限元模型，并對移動變形壁障模型的可靠性進行了驗證，并且按照ECER95,對某國產轎車進行了汽車側面碰撞計算機模擬仿真，得到了與試驗結果基本一致的仿真結果^[28][29]。
李發宗等人^[30]分析汽車側面碰撞仿真過程參數設置對計算結果的影響，簡單的介紹了Belytschko-Tsay(BT)單元與S/R co-rotational Hughes-Liu(S/R HL)單元兩者之間的差別，BＴ單元的計算效率高，但是其不能有效的控制　沙漏變形以及單元的過度翹曲；S/R HL單元計算速度比BT單元慢8.84，但是該單元能夠較好的控制沙漏變形以及翹曲情況。在沙漏方面，提出了采用粘性沙漏控制方法。關于這兩個方面，作者僅從理論上作了分析和對比，并沒有通過實際的分析來驗證。
高衛民、王宏雁，徐敦舸等對于車身焊點提出了碰撞模擬中常用的模擬方法，提出在碰撞模擬中必須考慮焊點斷裂特性，否則將大大降低碰撞模擬的精度^[31]。薛量等人探討了各種連接方式的不同約束條件和失效準則。分析了連接失效對載荷――位移曲線和碰撞吸能特性的影響，結果表明焊點的強度對薄壁梁結構的折曲模式有很大的影響，其吸能性能隨焊點的失效而降低^[32]。
張君媛、張敏等人針對某轎車建立了基于多剛體理論的側面碰撞乘員約束系統動態仿真模型，并依據試驗結果進行了模型的有效性驗證。通過對乘員側面碰撞傷害指標的分析，提出了包含乘員多輸出目標值的綜合傷害評估值。
向晉乾等人以汽車側面碰撞下的乘員骨盆響應為研究對象，以多剛體系統動力學為基礎，建立了用于模擬側面碰撞的多體數值仿真模型，分析側面碰撞時緩沖材料特性參數和乘員與車門側面碰撞參數對乘員骨盆響應的影響 ^[33]。
   綜上所述，在側面碰撞分析研究方面前人已作了大量的研究工作，為后人鋪平了道路，但是：（1）側面碰撞計算機仿真的基礎性研究的工作還是不夠，在關鍵參數設定，如單元類型和密度、沙漏控制等方面很少有可借鑒的資源；（2）移動變形壁障是側面碰撞仿真中不可缺少的工具模型，國內現在對關于它的開發和參數驗證的文獻很少，還沒有形成一套行之有效的處理方法或處理原則；（3）對Euro-SID II 假人的驗證和修改的文獻很少，特別是關于全方位的改進假人的文獻。本論文針對其中的一些問題，對側面碰撞計算機仿真技術在汽車的安全性方面的應用做更進一步的研究，為計算機仿真技術在我國安全性設計方面的更好的應用做出努力。
1.4本課題研究背景和研究內容
汽車安全性的研究成為汽車領域一項主要的研究內容.實車的碰撞試驗，需要耗費大量的資金、人力、物力，數據采集困難、破壞性大，因此，汽車碰撞的研究也就受到了很大的限制。在這種情況下就應運而生了用計算機模擬的研究方法，其優點在于:不必等新產品制造出來，在其初期的設計階段就可以對產品的安全性做出初步的評價，可盡早的發現問題和解決問題，因此極大的降低了開發的費用和縮短了開發的周期；采用模擬計算方法可根據實車結構作多方案修改，存儲信息量大，而且還可將汽車沿任意斷面剖開，觀察關鍵零件的變形情況。
LS-DYNA3D是一個以顯式為主，隱式為輔的通用非線性動力分析有限元程序，可以求解各種二維、三維非線性結構的高速碰撞、爆炸和金屬成型等非線性問題。用這個軟件包LS-DYNA建立的殼單元、實體單元可以構造出完整的汽車模型，也可以選用金屬、玻璃、塑料、橡膠等各種材料來構造汽車模型。程序的Automatic-Single-Surface接觸功能可以保證汽車全部構件內外表面與假人、氣囊、安全帶之間，以及外部障礙物表面相互接觸時不穿透，可以相對滑動，考慮摩擦，實現汽車高速碰撞時全過程的數值模擬和有關數據的輸出。該軟件包的眾多優點為本課題的順利完成提供了十分有利的條件。
本課題的主要目的是對微型轎車側面碰撞計算仿真應用技術進行研究，深入其中的一個環節或細節，力求掌握其中關鍵技術，得到微型轎車側面碰撞的計算機仿真的結果，并對仿真結果進行客觀評價分析。研究的內容歸納為以下幾個方面：
①對汽車側面碰撞計算機仿真相關理論進行深入、系統的學習，深入領會其中具有代表意義的非線性動態有限元法、有限單元類型、單元算法等理論。
②對微型轎車側面碰撞計算的有效性進行基礎性研究，重點探討單元類型、單元尺寸以及積分點的選取，分析不同沙漏控制對計算精度的影響關系。
③按照法規對移動變形壁障性能的要求建立了移動變形避障模型。
④建立了某微型轎車的整車模型，對汽車側面碰撞虛擬試驗中仿真過程參數進行設置與控制，最后對汽車側面碰撞進行計算機仿真。分析了仿真的結果，并對仿真結果作出了客觀的評價。
 

轉自：徐州租車徐州捷辰鴻通汽車服務有限公司