汽车被动安全性研究中的几个问题及对策_雷正保

第26卷　第1期湖　南　大　学　学　报　(自然科学版)Vo1.26,No.1　1999年2月Jo ur nal o f Hunan U niv ersit y(Nat ur al Sciences Editio n)Feb.1999汽车被动安全性研究中的几个问题及对策X雷正保　钟志华(湖南大学机械与汽车工程学院,中国长沙,410082) 摘　要　从汽车被动安全性研究的实际出发,提出了影响研究进展及研究结果可靠性的一系列核心问题,并探讨了相关对策.关键词　汽车,被动安全性,仿真分类号　T H113Problems and Solution M easures in AutomobilePassive SafetyLei Zhengbao　Zhong Zhihua(Colleg e of M echanical and A utomo tiv e Engineer ing,Hunan U niv,410082,Changsha,P R China) Abstract　According to the practical co nditions in the r esearch of auto mobile pas-sive safety,a ser ies of key problems w hich im pair the reliability of research results and the progr ess of research w ork seriously are described,m eanw hile,relevant measures to slo ve these pr oblem s ar e also developed.Key words　autom obile,passiv e safety,em ulation汽车安全性有主动与被动安全性之分.前者是指汽车防止或难于发生事故的性能,后者是指事故发生时汽车本身对乘员及行人提供安全保护的性能.大量事故的研究表明,汽车的主动安全性能再好,也只能避免5%的事故.因此,从60年代末开始,汽车的被动安全性就一直是人们研究的热点[1～8].进入80年代中期后,随着仿真技术的完善,再一次掀起了汽车被动安全性研究的新高潮,人们已着手从仿真分析的结果中推演出进一步的修改方案,达到在汽车重量与碰撞特性等方面最优的研究,新安全车身研究也已纳入人们的攻坚计划.然而,还存在着一系列问题制约着研究工作的深入开展,因此,如何克服或绕过这些问题,对汽车被动安全性研究不仅意义重大,而且势在必行.1　问题与对策1.1　建立精确的计算模型目前,用仿真方法研究汽车的碰撞问题,只要计算模型是实际模型的真实写照,就能X机械工业技术发展基金资助项目收稿日期:1998-09-11.第一作者雷正保,男,34岁,博士生34 湖南大学学报(自然科学版) 1999年将仿真结果与试验值间的误差控制在小于15%的水平上,可以说,仿真技术本身的可靠性已相当高了,这样,模型误差就成为唯一的难以控制的对仿真结果具有致命影响的因素.在汽车车身设计中,控制其自重是首要任务.为此,大量采用了弯折的薄板结构,使车身任意部位的截面几何形状都具有复杂多样的特性,同时,变截面曲梁的广泛应用,以及梁与薄壳之间较为复杂的连接,使载荷传递路径的确定很困难.所有这些构造细节,都大大增加了建模工作的难度,以致不得不在建模时做些特殊考虑.其中最典型的是所谓的“局部柔性”问题,即当采用薄板连接方法连接薄壁梁与薄壳类结构时,因连接区刚性不匹配而产生的较“软”的结构区域.研究表明,考虑汽车车身结构连接点的局部柔性是很重要的,因为当假定连接为刚性时,仿真分析得到的构件位移将仅为实测结果的一半.对于“局部柔性”的处理,可以在有限元模型中自动考虑.大量实践表明,在汽车车体结构中,凡是局部变形会对总体结构响应构成重要影响的地方,只要将人们习惯于使用的梁单元取消而代之以详细的壳体单元,无需其它新的措施,就能够精确模拟“局部柔性”的作用,这种以计算成本换取仿真结果可靠性的做法已日益为人们所接受,这也就是为什么在汽车碰撞仿真模型中少有梁单元的原因.此外,汽车车身及门盖总成等中的点焊模拟则是又一难点.因点焊影响着汽车的力学特性.在建模时将点焊点之间的间隔区域划分为细密的单元网格,点焊本身先以点约束代替,随后改成短梁来模拟是对策之一.对点焊的最新处理对策,是采用一种特殊的复合单元;当单元内部受力超过点焊的实际承载能力时,单元自动分解为两部分,且分解后可自动进入接触处理系统.还有一个难点在于车顶内镶板与外壁板粘接而成的一种夹层结构的处理.实践表明,尽管夹层结构中存在粘接涂抹不均匀及在不同粘结点处粘接剂的机械性能可能不同等因素,但将内外车顶板的粘接点作为刚性连接处理也能够得到十分满意的结果.1.2　人体模型模拟及人体的耐冲击阈值人体是交通事故的最大受害者.在我国,人车混行现象的普遍性及机动车辆数量增长速度远大于公路里程增速的事实,进一步恶化了交通安全水平.因此,要提高汽车的被动安全性能,首先必须充分认识人体在交通事故中的响应,只有根据人体的响应情况来开展安全保护研究,才能使所采取的保护措施发挥应有的作用.为此,除了不断进行各种试验研究外,早在60年代末期,人们就已着手理论研究,用多刚体系统动力学方法实现了人体冲击响应的粗线条模拟是这种理论研究的典型成果.为了提高模拟精度,又发展了详细的人体有限元模型[4],然而,由于该人体模型过于精细,致使汽车碰撞系统中有限单元的数目骤然陡增,这又给汽车被动安全性的仿真分析带来了新的难题仿真运算所必须的CPU时间大大增加了.这一点又恰恰是有限元仿真方法中难以克服的固有缺陷.对此,我们认为,根据研究的特点,混合使用人体模拟的两种模型,可以达到扬长避短的目的.即如果只需对人体的碰撞响应有个大致的认识,可以采用多刚体系统模型;如果需要详细了解人体的响应,则可以先用多刚体系统模型与汽车整车模型配套运算,然后将分析结果作为已知参数,再调用人体有限元模型,通过这种人工干预,可以充分发挥不同模型的优点,从而使所需CPU时间大大缩短.至于人体耐冲击阈值问题,半个多世纪以来,一直未取得突破性进展,目前广泛采用的仍然是由Gadd C W 提出的两个指标,即人体损伤严重性指标SI (Severity Index )及由此推演出的头部伤害指标HIC(Head Injury Criterion).虽然在这方面的研究工作仍在进行,但到底应该取一个什么基准作为人体的耐冲击阈值才最合适的问题,仍是一个世界难题.对此,我们认为,汽车的被动安全性同样可以深入开展下去.因为尽管不知道人体的耐冲击阈值,但人体所能感受到的冲击越平缓则越有利于人体保护是一个不容置疑的事实,我们可以把研究工作集中在优化传递到人体上的冲击波形上,通过开展汽车车体结构各部件对这一冲击波形的灵敏度分析,找出汽车碰撞时影响人体冲击波形的重要因素及调整人体上冲击波形的措施,建立起一套控制人体上冲击波形的完整的技术体系,这样,就能保证汽车的安全性能始终处于最优状态.1.3　安全车身的分段碰撞特性安全车身有别于传统车身的最大特点就在于突出了车身的安全防护功能,其中的分段碰撞特性又大大拓宽了车身安全防护的范畴.这里的分段碰撞特性,指的是汽车与不同客体相撞时,能根据客体的情况表现出相应的力学特性.通常,安全车身的碰撞特性应包括三个区段,即¹软区段:用于保护行人、骑自行车者和摩托车手等交通弱者,也可用于避免低速碰撞时对车辆安全运行的损害;º碰撞相容区段:使具有不同质量的两车相撞时,在两辆车的撞击区都能够产生最佳的能量分布,达到有效保护两辆车中全部乘员安全的目的;»自我保护区段:当车与刚性墙相撞时,也要能对汽车自身内部乘员的安全提供保障.在这三个区段中,自我保护区段最受重视,几乎所有的汽车被动安全标准中,均对车与刚性墙这一特殊碰撞事件中的人体保护提出了具体而明确的要求.另两个区段的特性,都未被普遍纳入标准,尤其是碰撞相容区段,由于此时的研究对象已不再是一辆车的碰撞特性了,它不可回避地要涉及参与碰撞的两辆车碰撞特性的匹配问题,而参与碰撞的汽车模型的可能组合的数量太多,究竟采用什么样的一种或几种组合才能确保研究所得的结论在统计学上有意义的问题,实际上成了这一区段特性研究中的重大障碍.我们认为,研究安全车身的分段碰撞特性,应站在冲击响应主动控制的高度.利用控制理论来研制出能适应不同冲击速度作用的具有速度敏感特性的新车身.1.4　乘员保护系统的负面效应如果说安全车身的分段碰撞特性是使一次碰撞中的能量得以最佳分布的先决条件的话,那么乘员保护系统的作用就是将乘员所分得的能量通过二次碰撞进行有效的释放,达到保护乘员生命安全的目的.实践表明,由座椅、安全带、安全气囊等组成的乘员保护系统,对乘员的保护,性质是积极的,效果是显著的,它不仅大幅度减轻了乘员受伤害的程度,而且可以将乘员死亡率降低12%.正因为如此,人们对乘员保护系统的研究才异乎寻常地热情,保护措施才得以不断翻新,1967年安全带就得以普遍应用,到1975年,驾驶员室安全气囊就已大批投入市场,随后乘员席安全气囊也开发成功并上市.到1994年,美国的汽车市场上不带双气囊系统(驾驶员室及乘员室)的汽车早已无人问津,而此时,瑞典的沃尔沃公司还开发成功了车门两侧安全气囊并已投放市场.目前,美国还完成了对新出厂汽车强制性规定必须安装安全气囊的立法工作,欧洲、日本等也正在立法.虽然乘员保护系统对乘员的生命安全有巨大的保护作用,但也具有惊人的负面效应.35　第1期 雷正保等:汽车被动安全性研究中的几个问题及对策 对处于正常乘坐位置的乘员,尽管保护系统的保护效果较好,也存在安全带织带对人体的伤害问题,存在正面安全气囊对乘员脸部的擦伤问题,以及乘员侧安全气囊因安装、展开空间小,展开时间短(正面气囊用15～30m s感受碰撞,大约40ms给气囊充气,而侧面气囊的反应时间仅4～5ms,最多也不超过10m s),气袋近距离快速膨胀(气袋展开时击出速度可高达250km/h以上),容易对乘员造成击伤等伤害,同时,气袋在很短的时间内靠少量气体的爆炸胀起来,因而将伴随着很大的噪声.而对于处于非正常乘坐位置的乘员,如司机侧的乘员,由于没有驾驶责任,离位的情况比较多,此外,儿童乘员因天性而处于非正常乘坐位置的情况更多,因此,那种按正常乘坐位置而装备的保护系统,将给乘员造成更为严重的伤害.对于儿童乘员,即使他们处于正常位置,按成年乘员设计的气袋对他们来说也显得过于刚硬,文献[7]中介绍的因乘员侧安全气袋击出而导致的儿童乘员死亡的事例,就足以为人们敲响警钟用于保护乘员安全的气囊有时也会变成杀人的凶器!对此,我们认为,对于成年乘员的保护,安全带的改进可以考虑在胸部的织带上装一个小气囊,或者设法提高织带的吸能性,此外,要努力解决好撞车后尽早使安全带起作用的问题,研制加装在安全带卷收器内的各种预拉紧机构.同时,还要推广使用那种不需乘员动作,就可以自动佩带在乘员身上的安全带,以提高安全带的佩带率.在我国,由于有关法规提出了小汽车前排乘员必须使用安全带的要求,因此,气囊的匹配工作要充分考虑到法规这一要求.特别值得强调的是,对成年乘员保护系统的研究,绝不能孤立地、片面地进行,必须把它作为一个有机的整体来进行,也就是说,不仅需要从完善乘员的保护部位(如增加下肢、颈部等部位);优化气袋的充气速率、折叠方式和最佳点火时间;探讨碰撞时转向柱、座椅及头枕、安全带等各自满足相关标准的最佳结构和力-变形特性等方面开展研究,更要下大力气解决好转向柱、座椅及头枕、安全带、气囊等各部件碰撞特性的协调与互补问题,解决好根据检测到的乘员身高、体重、坐姿等信息,自动将乘员保护系统调节到最佳保护状态的问题,使乘员保护系统逐步智能化.对于气囊展开时的噪声问题,只要使气袋在传感器检测到有乘员在相应原座位上时才会展开,就可以将爆炸噪声减少.而对儿童乘员的保护,一方面可以考虑在仪表板上安装乘员侧气袋控制开关,当有儿童乘员时,将气袋关掉;另一方面应考虑装备专用的儿童乘员约束系统.据文献[8]介绍,碰撞事故中,未受约束儿童乘员的受伤率为58%,当采用成年乘员的约束系统时,受伤率降为30%,而采用专用的儿童乘员约束系统,受伤率仅16%,且伤害程度也比前两种情况轻得多.这样,通过对乘员保护系统的系统性研究,相信其负面效应是能够得到有效控制的.2　结束语汽车的被动安全性是汽车安全性研究中最重要的课题,而人们对汽车安全性的要求又越来越高.目前,过去那种主要侧重于汽车的动力性、燃油经济性和制动性能等几个方面性能的做法,正在经受着新观念的冲击.在国外,政府对汽车性能的要求已放在了汽车的安全性能和环境保护性能上,而汽车的动力性和燃油经济性则任由市场与用户去评说,可见,汽车的被动安全性是何等的重要!在我国,尽管开展对汽车被动安全性研究的历史(下转第42页)而且试凑法的思想不容易直接转化为程序,故应根据实际情况,设计一种能取得最佳试凑效果的算法.参考文献1　王孝培.冷冲手册.北京:机械工业出版社,19902　张海藩.软件工程导论.北京:清华大学出版社,1992(上接第36页)还不足10年,但取得的成绩是显著的,不仅已制定了与国际接轨的系列安全法规,而且在试验研究方面已经具备了开展模拟碰撞试验及整车碰撞试验的能力,同时,还造就了一支高素质的科研队伍,特别值得一提的是,汽车被动安全性的仿真研究工作,在我国也蓬蓬勃勃地开展起来了,且发展势头十分强劲.我们相信,随着汽车被动安全仿真研究的深入,尽管还会不断出现新问题,但只要充分调动好方方面面的力量,协同攻关,是一定能够克服困难,将我国汽车产品的安全性能推上一个新台阶的.参考文献1　崔淑兰.汽车被动安全性.世界汽车,1996(5):10～122　[美]凯墨尔M M,沃尔夫J A.现代汽车结构分析.陈砺志译.北京:人民交通出版,1987.111～147 3　周树山,张元纯.骄车车身门盖总成生产工艺探讨.汽车技术,1993(9):39～474　M oss S.Dev elo pm ent o f an adv anced finite element mo del database of the hybridⅢCrash test dum-my family.In:CSA E'97.Beijing:T singhua U niv ersit y Pr ess,1997.34～525　刘学军,黄世霖.行人保护研究的回顾.见:CSA E'97.北京:清华大学出版社,1997.73～786　廖琪梅,李卓森.汽车被动安全技术的现状.世界汽车,1997(5):19～217　张金换等.乘员侧安全气袋保护作用初探.见:CSA E'97.北京:清华大学出版社,1997.53～578　W alsh M.Crash injur ies to children.Auto mot ive eng ineering,1997(3):67～69。