汽车碰撞的安全性设计和改进
龚清阳王广逸
摘要：随着汽车技术不断更新成为现代人出行首选工具，由于车使用率增加导致相关交通事故频发，由于碰撞事故夺去乘员的生命造成巨大经济损失，汽车碰撞安全性问题是汽车工业急需解决的问题，发展汽车碰撞安全性设计改进技术是提高碰撞性能的基本途径。研究概述汽车碰撞安全性理论，介绍碰撞有限元法有关计算，探讨材料模型参数获取技术，进行碰撞仿真实验对比研究；指出设计薄壁吸能构件需要考虑相关因素，在部件碰撞安全性设计中进行仿真研究；提出汽车喷桩性能设计改进方法。
关键词：汽车碰撞安全性设计改进
科技经济的发展促进生活相关产业的发展，汽车是现代实用交通工具，随着道路条件的发展，汽车行驶速度不断提高，导致相应交通安全事故逐渐增多。由于汽车交通事故造成死亡人数占据很大比例，交通事故成为人类社会的公害。汽车碰撞安全性涉及到车身与乘员安全系统，如何提高汽车防碰撞能力改进完善车身结构成为汽车设计制造研究的重要课题。发达国家关注汽车设计制造中碰撞安全性，国内颁布汽车碰撞安全性法规。早期汽車被动安全研究采用实验方法，依靠实验检测汽车结构耐撞性，现代汽车设计改进中降低成本是核心问题，需要用高效低成本方法了解碰撞规律，采用有限元法FEA计算模拟是有效的方法。
1汽车碰撞安全性研究
随着科技水平的提高，经济快速发展促使交通飞速发展，汽车成为人们出行的首选交通工具，由于汽车使用率增加与车速提高，导致相关交通事故不断发生，技术工程师不断加强汽车安全性能，但车辆碰撞事故发生难以避免，每年因120万人因交通事故丧生，交通事故造成巨大的经济损失，对汽车碰撞安全性设计受到人们的关注。我国交通事故率较高，汽车安全技术水平落后，深入研究汽车碰撞安全性具有重要意义。
汽车诞生后人类交通问题得到改善，同时汽车碰撞事故造成巨大伤害，目前世界每年车祸致死人数超过战争人数[1]。随着我国工业的发展，车辆保有量剧增导致车祸发生率提高。实际道路中行驶车辆发生碰撞事故类型多样，常见形式包括正面侧面与追尾等，车辆发生前部碰撞占比约50%以上，受伤乘员比例与碰撞速度有关，研究高速行驶车辆前碰撞是保护车辆乘员安全的重要课题[2]。汽车安全性分为主动与被动型，减轻汽车碰撞对乘员的伤害要了解碰撞损伤机理，司乘人员碰撞中受伤原因包括乘坐室外部刚硬物体侵入乘客内部，碰撞剧烈导致司乘人员加速度超过人体耐受度，一次碰撞剧烈引起回弹使司乘人员遭受二次碰撞。图1为车辆发生碰撞部位统计。
汽车碰撞与司乘人员伤害直接相关，减轻汽车碰撞是提高安全性的关键。汽车内安全带等使用避免二次碰撞，安全带吸收撞击能量有限，一次碰撞性能较好的汽车对乘员伤害小[3]。乘员生命安全取决于车辆碰撞性能，强制性安全法规是保护乘员的首要方法，60年代中期美国诞生最早的汽车碰撞安全性法规，二战后随着汽车工业的发展，产生碰撞死亡人数剧增。美国汽车工业部建立公路交通研究所颁布公路安全法规，与伤害防护有关规则对汽车结构碰撞性能提出要求。我国汽车行业部门80年代末引进FMVSS系列安全法规，实施强制性碰撞安全性设计法规，促使汽车生产企业加强安全碰撞性研究。
2汽车碰撞安全性设计理论
汽车具有性能良好的主动安全性可降低交通事故发生率，六十年代末汽车安全技术工程师开始研究被动安全性，随着计算机仿真技术水平的提高，从计算机仿真分析结果中分析优化，使汽车重量与碰撞安全性达到最优配合方案[4]。欧美国家汽车产业发展迅猛，对汽车安全性深入研究，汽车安全性设计可以降低交通事故伤亡损失。汽车碰撞安全性设计涉及面广，需要采用包括经验法、实验法与多刚体动力学法等多种理论方法。转向柱经验设计法见图2。
80年代前有限元法应用于汽车碰撞分析只能计算简化车辆模型，随着有限元理论的完善，汽车碰撞精确数值分析成为现实[5]。汽车碰撞分析有限元法是复杂的课题，汽车碰撞分析理论包括非线性动态有限元求解控制方程等。汽车碰撞是非线性动态问题，汽车碰撞仿真算法包括薄壳单元算法，接触碰撞界面算法。汽车安全性碰撞设计方法有密切关系，需要根据实际情况综合应用相关理论，完整设计是经验法提出设计思想，试制出产品验证评估。汽车主动安全性研究日臻完善，目前汽车碰撞研究主要是被动安全方向。乘员多刚体系统动力学分析模型如图3。
汽车碰撞过程包括碰撞前与碰撞后，直接碰撞是汽车接触到脱离瞬间经历时间，碰撞前汽车横摆速度等参数不变，研究碰撞变形内容主要是接触后恢复阶段[6]。汽车脱离接触瞬间到停止时间可能发生二次碰撞，随着计算机技术的发展，虚拟仿真模拟实验成为主要手段。人工完成汽车主动安全措施不能完全保证安全，随着车速提高碰撞事故率增加，目前汽车刚性固定式保险杠作用有限，前车身结构是保护乘员主要方式，小轿车前后车身变形量有限，按最大压缩量40cm计算，汽车承受碰撞速度上限值