【正文】 包括可靠性，環(huán)境可見(jiàn)性，操縱穩(wěn)定性和加速制動(dòng)性。而“被動(dòng)安全性”則是指汽車發(fā)生不可避免的汽車產(chǎn)品的被動(dòng)安全性，以滿足正面碰撞實(shí)驗(yàn)的要求。并且力爭(zhēng)在汽車新品開(kāi)交通事故時(shí)，能夠?qū)噧?nèi)乘員或車外行人進(jìn)行保護(hù)，以免發(fā)生傷害或者將傷害減到最低程度的性能。根據(jù)目前的汽車技術(shù)和事故統(tǒng)計(jì)，交通事故的發(fā)生在今后很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)仍不可避免。因此，各汽車制造廠商都正在抓緊時(shí)機(jī)提高其現(xiàn)有的發(fā)中，提高產(chǎn)品的被上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) SUV汽車正面碰撞以及行人保護(hù)加強(qiáng)方案設(shè)計(jì) 7 動(dòng)安全性，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)。 1 本文研究的意義和主要內(nèi)容 本課題研究的背景和意義 CMVDR294法規(guī)規(guī)定汽車生產(chǎn)廠家，在每一種新車型上市之前，必須到國(guó)家汽車碰撞實(shí)驗(yàn)中心，進(jìn)行 48公里 /小時(shí)的實(shí)車正碰實(shí)驗(yàn)。并且對(duì)己獲得認(rèn)證的在生產(chǎn)車型還必須進(jìn)行兩年一次的碰撞抽查。但實(shí)車碰撞實(shí)驗(yàn)要在樣車生產(chǎn)出來(lái)之后進(jìn)行，而且碰撞實(shí)驗(yàn)是破壞實(shí)驗(yàn)，這種“試錯(cuò)性實(shí)驗(yàn)”導(dǎo)致汽車設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)、費(fèi)用高，不能在設(shè)計(jì)早期快速的發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題，所以碰撞實(shí)驗(yàn)只能作為全面的最終質(zhì)量檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)，不適合開(kāi)發(fā)階段需要。雖然國(guó)內(nèi)己經(jīng)有研究單位和大的汽車企業(yè)建立了汽車碰撞實(shí)驗(yàn)室，通過(guò)昂貴的儀器設(shè)備和復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)方法來(lái)解決汽車的安全性問(wèn)題，但這種 實(shí)驗(yàn)方法不但花費(fèi)太多、耗時(shí)太長(zhǎng)，且不能在設(shè)計(jì)階段估計(jì)汽車碰撞的安全性問(wèn)題。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)成本的迅速降低，以有限元法為主的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)得到飛速發(fā)展，使得計(jì)算仿真技術(shù)和產(chǎn)品的設(shè)計(jì)研究相結(jié)合，使得新車型的被動(dòng)安全性在設(shè)計(jì)研發(fā)階段就得到控制，減少設(shè)計(jì)費(fèi)用，縮短開(kāi)發(fā)周期。同時(shí)計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)可以為汽車安全部件生產(chǎn)廠家提供汽車被動(dòng)安全性的資料。例如，在汽車安全氣囊的開(kāi)發(fā)中，通過(guò)汽車碰撞仿真技術(shù)，獲取有關(guān)數(shù)據(jù)，減少實(shí)車的碰撞次數(shù)，為企業(yè)減少費(fèi)用，縮短開(kāi)發(fā)周期。 車身結(jié)構(gòu)耐撞性研究：主要是研究轎車和微型客車的 車身結(jié)構(gòu)對(duì)碰撞能量的吸收特性，尋求改善車身結(jié)構(gòu)耐撞性的方法，使得車身結(jié)構(gòu)在外力沖擊下能以預(yù)計(jì)的方式變形，其變形能量控制在一定的范圍內(nèi)。在保證乘上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) SUV汽車正面碰撞以及行人保護(hù)加強(qiáng)方案設(shè)計(jì) 8 員安全空間的前提下，車身變形吸收的能量最大，從而使傳遞給車內(nèi)乘員的碰撞能量降低到最小，盡可能使乘員受到的減速度最小。通過(guò)車身結(jié)構(gòu)的耐撞性分析，使車身滿足理想的正面碰撞變形特性。當(dāng)?shù)退倥鲎矔r(shí)，變形以及變形力值都比較小，以保護(hù)行人或車輛自身；當(dāng)發(fā)生中速碰撞時(shí)，變形應(yīng)盡量均勻，以最大限度地降低撞擊加速度峰值；當(dāng)發(fā)生 高速碰 撞時(shí)，為了阻止變形擴(kuò)展到駕駛室，從懸架到車身前圍板之間 的變形應(yīng)急劇上升。 國(guó)內(nèi)外汽車碰撞模擬研究的現(xiàn)狀 國(guó)外對(duì)汽車碰撞研究比較早，技術(shù)水平也比較高。最早開(kāi)始碰撞研究的是美國(guó)。早期的汽車碰撞研究主要是進(jìn)行各種條件下的碰撞試驗(yàn)，包括實(shí)車碰撞試驗(yàn)和各類模擬實(shí)驗(yàn)。六十年代人們開(kāi)始了計(jì)算機(jī)碰撞模擬技術(shù)。七十年代美國(guó)開(kāi)始用計(jì)算機(jī)輔助交通事故分析，分析軟件有 NHTSA（美國(guó)道路安全局）的 SMAC、 CRASH EDCRASH等 。而近 20年計(jì)算機(jī)碰撞模擬技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，已經(jīng)有了許多成熟的用于碰撞模擬的商業(yè)化軟件。 目前，在國(guó)際上汽車被動(dòng)安全研究方面，具有代表性 的商業(yè)軟件有 :美國(guó)的 CDL3D軟件、 DYNA3D軟件、 ANSYS/LSDYNA軟件，荷蘭的 MADYMO軟件，法國(guó)的 PAMCRASH軟件。根據(jù)建模的方法和功能不同，可以將這些軟件分成兩類：一類是 CVS（ Crash Victim Simulation）碰撞傷害軟件，主要模擬在汽車碰撞事故中乘員與環(huán)境的相互作用，以 CDL3D和 MADYMO為代表；另一類是采用顯示有限元理論建模，主要用來(lái)描述車身結(jié)構(gòu)的抗撞行，以DYNA3D、 ANSYS/LSDYNA和 PAMCRASH為代表。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) SUV汽車正面碰撞以及行人保護(hù)加強(qiáng)方案設(shè)計(jì) 9 總的來(lái)說(shuō)，這些軟件能夠進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)假 人在碰撞過(guò)程中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析，人體生物學(xué)和碰撞假人的開(kāi)發(fā)，碰撞受害者模擬，碰撞受害者保護(hù)措施的優(yōu)化；對(duì)車身結(jié)構(gòu)碰撞大變形進(jìn)行模擬，安全車身開(kāi)發(fā)，汽車結(jié)構(gòu)抗撞行模擬；在碰撞法規(guī)試驗(yàn)中進(jìn)行碰撞模擬。由此可見(jiàn)，國(guó)外在汽車碰撞計(jì)算機(jī)模擬方面已經(jīng)具備了相當(dāng)?shù)囊?guī)模，達(dá)到了很高的水平。 國(guó)內(nèi)在汽車碰撞仿真方面雖然起步較晚，但是在引進(jìn)國(guó)外的先進(jìn)軟件之后，發(fā)展速度也是非?？斓?。目前在我國(guó)，汽車的被動(dòng)安全性是汽車安全性研究的重要課題，而且人們對(duì)汽車的被動(dòng)安全性的要求也越來(lái)越高。盡管我國(guó)對(duì)汽車被動(dòng)安全性的研究不足十年，但取得了 顯著的成績(jī)，不僅制定了和國(guó)際接軌的系列法規(guī)，而且在試驗(yàn)研究方面已經(jīng)具備了開(kāi)展模擬碰撞實(shí)驗(yàn)以及整車的碰撞試驗(yàn)?zāi)芰ΑＦ嚤粍?dòng)安全性的碰撞模擬研究工作已經(jīng)迅速發(fā)展起來(lái)。 當(dāng)前我國(guó)的汽車碰撞模擬仿真的研究工作主要分為兩個(gè)方面：一個(gè)方面是應(yīng)用有限元的方法研究在碰撞過(guò)程中的汽車車身、車架的變形情況，速度和加速度的值，以及各部分的應(yīng)力分布情況；兩一方面應(yīng)用多剛體動(dòng)力學(xué)研究汽車在碰撞過(guò)程中，人體各部分的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和人體各部分的傷害值。 動(dòng)態(tài)非線性有限元方法適用于計(jì)算結(jié)構(gòu)變形，它能夠得到汽車各個(gè)部件在碰撞過(guò)程中的變形情況。在計(jì) 算方法上，采用顯式積分法中的中心差分法。目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用最多的軟件是國(guó)外引進(jìn)的 LSDYNA3D、 ANSYS/LSDYNA和 PAMCRASH軟件。 1992年湖南大學(xué)將 DYNA3D軟件引入我國(guó)，并應(yīng)用該程序進(jìn)行了假人碰撞試驗(yàn)的有限元分析。該校的鐘志華教授提出了汽車碰撞上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) SUV汽車正面碰撞以及行人保護(hù)加強(qiáng)方案設(shè)計(jì) 10 的有限元方法，還應(yīng)用駕駛員和安全帶構(gòu)造了碰撞模擬模型。 1996年，清華大學(xué)應(yīng)用 DYNA3D軟件研究了車架的耐撞性能，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了背景吉普 BJ121的車架的碰撞模擬仿真。吉林大學(xué)與長(zhǎng)春汽車研究所合作于1997年在 SGI圖形工作站上建立了國(guó)內(nèi)比 較完整的汽車碰撞模擬，并通過(guò)了可視化技術(shù)得到了汽車結(jié)構(gòu)碰撞變形的整個(gè)過(guò)程。 應(yīng)用多剛體動(dòng)力學(xué)，可以研究汽車在碰撞過(guò)程中人體各部分的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和人體各部分的傷害值。目前，國(guó)內(nèi)使用的軟件有 MADYMO、 CAL3D軟件。1992年，清華大學(xué)引進(jìn)美國(guó)的 CAL3D軟件應(yīng)用多剛體動(dòng)力學(xué)，研究人體在汽車碰撞過(guò)程中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，建立了二維的成員座椅模型。 1998年，清華大學(xué)合作開(kāi)發(fā)了汽車碰撞人體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)三維模擬計(jì)算軟件系統(tǒng) MUL3D，并應(yīng)用該軟件對(duì)汽車撞行人的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了模擬計(jì)算。 同時(shí)，隨著國(guó)家安全法規(guī)的實(shí)施，國(guó)內(nèi)有許多家 單位相繼成立了碰撞實(shí)驗(yàn)室：長(zhǎng)春國(guó)家汽車技術(shù)檢測(cè)中心、天津國(guó)家汽車技術(shù)檢測(cè)中心、上海市機(jī)動(dòng)車檢測(cè)中心、湖南大學(xué)汽車碰撞實(shí)驗(yàn)室等。它們的建立，極大的促進(jìn)了實(shí)車試驗(yàn)和整車模擬研究的結(jié)合。 汽車被動(dòng)安全性研究的內(nèi)容 汽車安全性分為主動(dòng)安全性和被動(dòng)安全性口主動(dòng)安全性是指汽車能夠識(shí)別潛在的危險(xiǎn)因素自動(dòng)減速，或當(dāng)突發(fā)的因素作用時(shí)，能夠在駕駛員的操縱下避免發(fā)生碰撞事故的性能。被動(dòng)安全性是指汽車發(fā)生不可避免的交通事故后，能夠?qū)噧?nèi)乘員或車外行人進(jìn)行保護(hù)，以免發(fā)生傷害或使傷害降低到最低程度的性能。汽車被動(dòng)安全性研究?jī)?nèi) 容包括車身結(jié)構(gòu)的耐撞性研究、人體碰撞生物力學(xué)研究、乘員約束系統(tǒng)及安全駕駛室內(nèi)飾組件的上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) SUV汽車正面碰撞以及行人保護(hù)加強(qiáng)方案設(shè)計(jì) 11 開(kāi)發(fā)研究等。 車身結(jié)構(gòu)的耐撞性研究 圖 車輛前部理想變形曲線 車身結(jié)構(gòu)耐撞性研究主要是研究轎車和微型客車的車身結(jié)構(gòu)對(duì)碰撞能量的吸收特性，尋求改善車身結(jié)構(gòu)耐撞性的方法，使得車身結(jié)構(gòu)在外力沖擊下能以預(yù)計(jì)的方式變形，其變形量能控制在一定的范圍內(nèi)。在保證乘員安全空間的前提下，車身變形吸收的能量最大，從而使傳遞給車內(nèi)乘員的碰撞能量降低到最小，盡可能使乘員所受到的減速度最 小。通過(guò)車身結(jié)構(gòu)的耐撞性分析，使車身滿足理想的正面碰撞變形特性，其特性曲線見(jiàn)圖自身保護(hù)區(qū) 低速防護(hù)區(qū) 相容區(qū) 力 變形距離 保險(xiǎn)杠 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) SUV汽車正面碰撞以及行人保護(hù)加強(qiáng)方案設(shè)計(jì) 12 所示。在低速碰撞時(shí)，變形以及變形力值都比較小，以保護(hù)行人或車輛自身 。當(dāng)發(fā)生中等速度的碰撞時(shí)，變形應(yīng)盡量均勻，以最大限度地降低撞擊加速度峰值 。當(dāng)以發(fā)生高速碰撞時(shí)，為了阻止變形擴(kuò)展到駕駛室，從懸架到車身前圍板之間的變形應(yīng)急劇上升。 汽車結(jié)構(gòu)耐撞性研究方法 有限元法是力學(xué)、計(jì)算方法和計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它是隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來(lái)的一種現(xiàn)代化研究方法。 一般說(shuō)來(lái)，汽車耐撞性的研究主要有兩種手段，即實(shí)驗(yàn)研究和 計(jì)算機(jī)仿真研究。在汽車耐撞性的研究中，受技術(shù)要求、時(shí)間和資金的限制，通常在不同的研究開(kāi)發(fā)階段，采用相應(yīng)的研究方法。汽車耐撞性的研究最早是通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行的 。 1）實(shí)驗(yàn)研究 由于汽車碰撞事故形態(tài)千差萬(wàn)別，安全性能的評(píng)價(jià)也必須從不同的角度進(jìn)行，但歸納起來(lái)主要是確保生存空間、緩和沖擊、防止火災(zāi)等。根據(jù)這些目的，試驗(yàn)方法可分為四大類：實(shí)車碰撞實(shí)驗(yàn)、臺(tái)架沖擊實(shí)驗(yàn)、臺(tái)車碰撞模擬實(shí)驗(yàn)和靜態(tài)強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)。 實(shí)車撞車試驗(yàn)：實(shí)車撞撞試驗(yàn)是綜合評(píng)價(jià)撞車時(shí)車輛安全性能的基本實(shí)驗(yàn)方法，主要用來(lái)對(duì)己開(kāi)發(fā)出的成品車型進(jìn)行按法規(guī)要求的實(shí)驗(yàn)，以鑒定其是否達(dá)到法規(guī)要求。 1989 年我國(guó)參照各國(guó)法規(guī)制定了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。作為整車碰撞最終實(shí)驗(yàn)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)主要有三項(xiàng)指標(biāo)：汽車乘員碰撞保護(hù)，防止轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)對(duì)駕駛員的傷害和汽車碰撞時(shí)燃油泄露。實(shí)車碰撞試驗(yàn)準(zhǔn)備工作十分復(fù)雜，并且很費(fèi)時(shí)，而且要使用實(shí)車碰撞，作為破壞性試驗(yàn)，它的費(fèi)上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) SUV汽車正面碰撞以及行人保護(hù)加強(qiáng)方案設(shè)計(jì) 13 用十分昂貴。 臺(tái)架沖擊實(shí)驗(yàn)：臺(tái)車沖擊試驗(yàn)主要用來(lái)模擬人體不同部位與車輛有關(guān)部件之間的碰撞。評(píng)價(jià)其沖擊吸能性能。如為 了滿足 FMVSS203 法規(guī) 的要求，人們常采用形狀和質(zhì)量類似人體肢干的質(zhì)量塊沖擊轉(zhuǎn)向器，測(cè)量轉(zhuǎn)向器與人體產(chǎn)生的碰撞力的大小。實(shí)驗(yàn)裝置有射出式、 落下式和擺動(dòng)式試驗(yàn)機(jī)，可進(jìn)行頭部沖擊試驗(yàn)、胸部沖擊試驗(yàn)、部件沖擊試驗(yàn)等。 臺(tái)車碰撞模擬實(shí)驗(yàn)：臺(tái)車碰撞模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)壳傲餍械闹饕袃煞N類型，即沖擊型和發(fā)射型。沖擊型模擬碰撞與實(shí)車的碰撞過(guò)程相仿，它是將安裝有實(shí)驗(yàn)件的臺(tái)車加速到規(guī)定的速度與固定障礙壁相撞，模擬實(shí)車的碰撞過(guò)程及實(shí)現(xiàn)法規(guī)的沖擊波形。發(fā)射型模擬碰撞實(shí)驗(yàn)是用預(yù)先積蓄好的能量將安裝有實(shí)驗(yàn)件的平臺(tái)發(fā)射出去，給予加速?zèng)_擊。與實(shí)車碰撞實(shí)驗(yàn)不同，臺(tái)車碰撞模擬實(shí)驗(yàn)不僅要控制碰撞速度，也要控制速度波形，而實(shí)車碰撞試驗(yàn)只控制碰撞速度。 靜態(tài)強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)：靜態(tài)強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)可代替一些動(dòng) 態(tài)過(guò)程進(jìn)行評(píng)價(jià)，但主要作為動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)分析的輔助實(shí)驗(yàn)。這種方法是分析各種動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)及事故再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)等測(cè)得的對(duì)象部位或零件上產(chǎn)生的負(fù)荷，然后評(píng)價(jià)其靜強(qiáng)度的模擬實(shí)驗(yàn)（或代用試驗(yàn)）。 2）計(jì)算機(jī)仿真研究 汽車結(jié)構(gòu)耐撞性分析的目的是確定車身等部件的變形與吸能特性，從而達(dá)到保護(hù)車內(nèi)乘員的日的。早期的耐撞性研究主要采用試驗(yàn)手段來(lái)進(jìn)行。由于實(shí)驗(yàn)需要相同樣車試制出來(lái)才能進(jìn)行，且費(fèi)用和時(shí)間消耗巨大，同時(shí)也不可能對(duì)所有的碰撞方案進(jìn)行嘗試。并且，由于實(shí)驗(yàn)中有一些隨機(jī)上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) SUV汽車正面碰撞以及行人保護(hù)加強(qiáng)方案設(shè)計(jì) 14 因素的影響，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果往往不夠穩(wěn)定，可重復(fù)性差。因此，實(shí)驗(yàn)方法研究汽車結(jié) 構(gòu)的耐撞性有很大的局限性。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)在計(jì)算速度、內(nèi)存容量以及圖形功能等方而的發(fā)展，使得采用計(jì)算機(jī)仿真方法來(lái)進(jìn)行汽車被動(dòng)安全性研究成為可能。 與實(shí)驗(yàn)方法相比，計(jì)算機(jī)仿真有以下優(yōu)點(diǎn)： （ 1）所需周期短。計(jì)算機(jī)仿真與 CAD/CAM 相結(jié)合，使得新產(chǎn)品的被動(dòng)安全性能在產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)過(guò)程中就可以得到控制，減少產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)研制周期。 （ 2）所需費(fèi)用低廉。由于在實(shí)驗(yàn)中，通常的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為光測(cè)量和電測(cè)員相結(jié)合的系統(tǒng)，費(fèi)用很昂貴。但在進(jìn)行整車被動(dòng)安全性仿真時(shí)，不需要進(jìn)行破壞性實(shí)驗(yàn)，因此可以節(jié)約大量的人力與物力。 （ 3）具有可 重復(fù)性。由于實(shí)驗(yàn)過(guò)程受很多隨機(jī)因素的影響，因此在研究不同的系統(tǒng)參數(shù)對(duì)安全性能的影響時(shí)，不易得到明確的結(jié)果，而計(jì)算機(jī)仿真依賴于計(jì)算機(jī)硬件本身，所以，當(dāng)改變某一參數(shù)時(shí)，可以很容易地得到該參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響。 （ 4）可以獲得任意所需數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)中要獲得較多的數(shù)據(jù)，就必須增加傳感器和高速攝像機(jī)的數(shù)量，而且傳感器的安裝位置要求以及不可攝像點(diǎn)的存在，有些數(shù)據(jù)是不可獲得的。而計(jì)算機(jī)仿真在數(shù)據(jù)獲得方而是不受限制的，只要在所關(guān)心的點(diǎn)上建立一個(gè)描述坐標(biāo)即可。 （ 5）不受時(shí)間、空問(wèn)、氣候等條件的限制，可以隨時(shí)進(jìn)行。 雖然計(jì)算機(jī)模 擬具有實(shí)驗(yàn)無(wú)法比擬的優(yōu)越性，但由于計(jì)算機(jī)模擬方法所建立的汽車整車模型或部件模型，還有很多局限性，并不可能完全反映上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) SUV汽車正面碰撞以及行人保護(hù)加強(qiáng)方案設(shè)計(jì) 15 真實(shí)的碰撞過(guò)程，所以計(jì)算機(jī)模擬現(xiàn)在并沒(méi)有完全脫離實(shí)驗(yàn)或完全代替實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，由于計(jì)算機(jī)性能和模擬方法的限制，計(jì)算機(jī)模擬的周期也很長(zhǎng)。日前，汽車生產(chǎn)廠家大多采用實(shí)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)模擬相互結(jié)合的方法開(kāi)發(fā)新的產(chǎn)品。 本文研究的主要內(nèi)容 本文通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬作為研究手段，采用理論分析和計(jì)算機(jī)模擬相