车辆被动安全性研究现状及发展

车辆被动安全性研究现状及发展武汉理工大学乔维高[摘要]本文在阐述了国内外道路交通和车辆安全现状的基础上，介绍了目前车辆被动安全性研究的状况和主要研究方法，并针对我国道路交通的特点，提出我国车辆被动安全性的研究特点和研究方向。

[关键词]车辆，被动安全，碰撞1、前言随着汽车保有量的增加，道路交通事故逐年上升已成为全球范围内的一大公害。

以美国为例，1965年由于2000万辆汽车引起的交通事故的死亡人数为4.9万人，伤180万人。

1994年，因公路交通事故死亡的人数达43536人，约占各种事故造成死亡人数总和的一半。

就交通事故造成的经济损失而言，美国1965年为85亿美元，占国民生产总值的1.2%，1975年为144亿美元，1985年为825亿美元。

在欧洲，据1997年10月9日欧洲交通部长会议公布的统计数字，平均每年有45,000人死于汽车交通事故。

另据报道，法国30年间因车祸死亡40万人，受伤300万人。

法国政府每年为交通事故而付出的抚恤金和处理毁坏车辆的费用高达几百万法郎。

韩国平均每万辆车因交通事故造成丧生的人数超过了发达国家的10倍，其经济损失占国民生产总值的2.5%，占国家预算的11%。

德国、日本、意大利、英国每年因车祸死亡的人数分别大约为2.7万人、9千余人、9千余人和6千余人。

汽车诞生至今的110多年时间内，全世界死于汽车交通事故的总人数达到3100万人以上，是第一次世界大战死亡人数的两倍，比第二次世界大战死亡人数的一半还多。

据研究表明，全世界范围内每年因汽车交通事故死亡的人数为70万人，受伤人数为1500万人，其中500万人需要住院治疗，而且预计本世纪开始不久伤亡人数将增加一倍。

由此所造成的巨大经济损失和给上千万个家庭带来的灾难以及残疾人口的增长引发的社会问题已经日渐严重。

全世界汽车保有量约6亿多辆，我国仅占1.6%，而每年死于交通事故的人数却占全世界的1/9。

1999年，我国公安交通管理部门共受理道路交通事故近41.5万起，其中有8.3万多人死亡, 28.6万多人受伤, 直接经济损失达21亿多万元。

根据对1990—1996年我国与美国、日本、德国、英国、法国交通事故万车死亡率比较，发达国家汽车保有量在逐年增加，而交通事故死亡人数却逐年减少，万车死亡率很低（大约在1.5—3.5之间）。

与发达国家相比，我国交通事故死亡人数也在同步增加，尽管我国交通事故万车死亡率在逐年下降，但死亡率仍然很高（65—70），是发达国家死亡率的几十倍。

目前我国对汽车被动安全性的研究还着重局限于车内乘员的安全性和保护措施的研究，而对车外无防御能力的道路使用者（摩托车、自行车、行人）与汽车碰撞时的安全性研究还基本未起步。

而在我国每年40多万起道路交通事故中，车内人员的死亡人数占32%左右，而车外无防御能力的道路使用者（摩托车、自行车、行人）的死亡人数占65%以上。

因此，针对我国混合交通的特点，对车辆碰撞时车外无防御能力的道路使用者的安全性及防护装置的研究尤为重要。

2、汽车碰撞研究概况（1）整车及零部件碰撞试验研究早期的汽车被动安全性研究几乎都是靠进行整车及部件碰撞试验完成的。

在本世纪30年代，美国率先采用汽车碰撞试验研究汽车被动安全性。

到了50年代，整车撞击试验开始采用无人驾驶的其他动力牵引方式，碰撞速度有了很大提高。

1947年Stapp首次采用一种滑道式整车进行了台车撞击试验。

目前，美、日、、英、法、德、荷兰等国家已经具备先进的小尺寸碰撞模拟试验系统，这些碰撞试验系统按滑车的驱动方式分为发射式、机械式和直流电机钢索式，按吸能装置可分为塑料管吸能器（TNO道路车辆研究所和法国UTAC等）、钢板吸能器（德国TüV和日本NSK等）、反弹式程序控制器（如美国MTS）和液压缓冲器（日本NSK和本田等）。

此外，英国MTRA、美国FORD、俄罗斯汽车研究所PARI、法国UTAC和日本JARI等还拥有全尺寸碰撞试验系统。

零部件碰撞试验方面已拥有先进的试验装置可对安全带、安全气囊、仪表板、转向盘（柱）系统、座椅、保险杠和车顶等进行冲击试验。

因此，国外在台车碰撞试验、模型模拟碰撞试验（比例模型和足尺模型模拟试验）和实车碰撞试验方面不仅有先进的测试设备和技术，而且已在大量的试验研究中积累了许多有用数据和丰富的经验。

（2）车辆抗撞性及乘员保护装置研究车辆抗撞性研究的目的就是为了改进汽车的结构，使之碰撞变形更有利于保护乘员。

对此许多汽车厂家通过改进汽车的外部和内部的结构和材料，提高汽车的抗撞性。

如三菱公司采用碳塑纤维强化塑料（CFRP）与钢混合的车架大梁，该大梁结构中有泡沫填充物和其它新材料，这不仅实现了车身轻量化，而且有效地吸收冲击能量，同时在发生碰撞时可提供足够的生存空间。

Clark和Young设计了充气保险杠系统，它装置于汽车的前部，展开时总厚度可达0.84m，试验表明这种保险杠可吸收约19%的碰撞能量，使汽车前部和乘客受到的伤害明显降低；Takagiet al通过增加碰撞隔离板改进汽车前部纵梁的结构，使汽车的前部结构获得了很好的能量吸收特性；Toyama等利用PAM-CRASH研究了汽车结构与能量吸收特性的关系；Lorenzo还设计了车门内部结构，可在侧碰中保护乘员；大宇还开发了全铝安全电动车车身。

乘员保护装置的研究主要是研究安全带和安全气囊的机械特性，以获得最优的约束性能，使人体避免与驾驶室内饰组件的新吸能衬垫材料，使得人体与之发生二次碰撞时，所受到的伤害最小。

安全带为美国人Chaire L. Strath于1935年发明的，至今它已作为必装件为汽车采用。

国外一直在进行提高安全带约束性能的研究。

人们采用了卷收器、自动锁止卷收器ALR和紧急自动锁止卷收器ELR来提高安全带的约束性能。

人们还开发了安全带预紧器、充气式安全带、儿童安全带系统等。

安全气囊是辅助的乘员约束系统，它与安全带一起作用来防止乘员受到汽车内饰的伤害。

目前国外关于汽车安全气囊的研究很多，安全气囊研究的核心问题是它在充泄气以使乘员获得最佳的保护。

模拟安全气囊的关键在于建立一个接近实际的模型。

它的研究涉及到工程热力学、流体力学、传感技术、人工智能和材料科学等领域。

Hoffman et al.,Niebore和Heinz分别利用PAM-CRASH和MADYMO建立了气袋的有限元模型，并在计算机上模拟充气过程；J.T.Wang对气囊透气性进行了深入的研究，并着手开发双阶段混合气囊；E.M.Scieveka等为了研究上肢因安全气囊展开导致的伤害，利用多体系统动力学程序A TB建立了乘员与安全气囊系统作用模型；Huelke和Shashi M.Kuppa等还通过试验或开发RAID （Research Arm Injury Device）等研究因安全气囊导致的上肢伤害。

安全驾驶室内饰组件的开发研究，可以有效地减轻汽车碰撞中的二次碰撞造成的人体伤害。

如人们设计了安全座椅（象仿生座椅BAC）、吸能式转向器、安全仪表板和垫等，还不断寻求吸能式内饰件衬垫材料、组合式安全仪表板等。

（3）我国车辆碰撞研究概况我国汽车被动安全性系统研究起步于80年代后期。

清华大学黄世霖等人经过5年的理论准备和试验探索，于1991年在我国最早自行设计并建成了橡胶绳弹射式碰撞试验台，先后引进了混合Ⅱ型、混合Ⅲ型假人和爱泰保1000高速运动分析仪，对天津三峰客车、山东齐鲁小客车、BJ212、BJ2020S等进行了实车碰撞试验。

此外，在假人的下肢部分验证评估和改进、侧碰安全气囊、安全气囊的点火控制算法、车体结构和图象运动分析中的标识点自动跟踪技术等方面作了深入探索，在汽车被动安全试验技术研究领域积累了丰富经验和取得了许多成果。

中国汽车技术研究中心建成了室内台车碰撞试验台和实车碰撞试验台，试验台性能稳定，可以按GB15083-94、GB14166-93、GB14167-93等法规要求进行座椅强度、安全带性能的试验验证。

其自行设计研制的塑料吸能器，可按照ECER80、ECER17和ECER16进行汽车座椅、汽车安全带等的动态试验。

目前已对国内的许多轿车如别克、富康、吉利等进行了实车碰撞试验。

处于湖北襄樊的国家汽车质量监督检测中心的综合型试验场自行设计研制而成的汽车被动安全动态试验设施于1995年6月通过机械部的鉴定，它可进行EEC规定的座椅、安全带、安全气囊的动态试验和轿车整车正面碰撞试验等。

并拥有TNO-10型和混合Ⅲ型假人及其标定装置、32通道数据采集系统。

交通部通县公路工程综合试验场也拥有整车碰撞设施。

3、碰撞仿真技术研究概况车辆碰撞问题是一个十分复杂的力学问题。

1985年以前，限于当时的理论水平，人们是不可能对其有个全面深入的了解的。

为了最大限度满足有关安全标准，保障乘员生命安全，人们尝试了许多方法以便弄清车辆碰撞的内在规律，达到利用与控制碰撞的目的。

其中的多刚体系统动力学方法和机械振动学方法是当时最优秀的两个方法。

模型简单、表述规范、编程方便、运算快捷是多刚体系统动力学方法的突出优点，但由于真实世界中的物体都是可变形体，而且对于车辆碰撞分析来说，汽车车体结构的变形特性是影响汽车安全性能的关键因素，因此，该方法在汽车碰撞仿真中常常只用于对人体模型的碰撞响应分析。

采用机械振动学方法来进行车辆碰撞分析，目的是弥补多刚体系统动力学方法不能研究可变形体响应的不足。

它是根据碰撞过程中汽车的实际变形情况将汽车离散为一个非线性弹簧-质量振动系统，通过事先测定系统中弹性元件的非线性抗力特性，利用机械振动学的方法来求解碰撞系统响应的。

程序短小、简明、能够考虑变形体的弹塑性变形特性是该方法的基本优点，而且从理论上说，它与多刚体系统动力学方法的有机结合，能够解决车辆碰撞分析中几乎所有的响应问题，但由于抗力元件的非线性特性必须预先测定，同时又要保证所测得的特性恰恰是构件在真实碰撞中的力-变形特性，这样，在测试时，就必须精心模拟构件在碰撞中可能出现的各种可能的约束条件，而汽车碰撞中的有些接触约束条件事先是无法知道的，这就大大增加了测试的难度，也正因为如此，人们借助仿真分析大幅度改进汽车被动安全性的企图才迟迟无法实现。

1985年之后，显式有限元方法的成熟，标志着汽车碰撞仿真研究新时期的开始。

适用面广、精度高且能够处理异常复杂的约束边界是其独有优点，使之成为一种克服了前述两种方法全部缺点的优秀方法。

本来，像其他方法一样，显式有限元方法也应有其不足之处，即与传统的隐式有限元方法相比，它本来具有一个很大的缺点即受Courant稳定性准则制约的积分时间步长太小，尽管显式算法不存在隐式算法中的“平衡迭代”问题，使其单次求解速度高于隐式算法之速度，但由于汽车碰撞问题规模大、非线性严重，太小的积分时间步长，必然招致整个求解过程所需的CPU时间太长。