汽车车身设计-第六章

普通高等教育“十一五 ”国家级规划教材 汽车车身设计 第六章 车身结构抗撞性提纲第一节 概述一、汽车碰撞的形式二、被动安全性法规与新车评估程序第二节 车身抗撞性设计要求一、乘员伤害的原因和伤害机理二、抗撞性设计要求和对结构抗撞性的规定第三节 车身抗撞性分析方法和模拟技术一、抗撞性分析方法和模拟技术的发展二、整车碰撞模拟模型的建立三、碰撞模拟结果的分析第四节 结构抗撞性设计一、基本原理二、主要内容三、刚度组织与设计四、吸能设计五、材料和工艺的考虑第五节 碰撞模拟的基本理论一、物体变形过程描述二、控制方程三、空间有限元离散化四、单元积分和沙漏控制五、时间积分与时间步长控制第六节 抗撞性试验一、抗撞性试验分类二、整车碰撞试验三、零部件试验 汽车保有量的增加，汽车道路交通事故逐年上升，已成为全球范围内的一大公害 例：美国 1994年因汽车交通事故死亡的人数达 43536人，约占各种事故造成的死亡人数总数的一半 保证碰撞时乘员的安全、减少事故造成的损失，具有重要的现实意义 安全已经和节能、环保一起成为当今汽车发展的三大主题第一节 概述一、汽车碰撞的形式二、被动安全性法规与新车评估程序世界汽车工业不断发展壮大高速公路不断增多交通事故驾驶员本身道路环境气候汽车技术状态汽车行驶安全性 汽车安全性 主动安全性 汽车所具有的减少交通事故发生概率的能力 研究内容包括汽车的操纵稳定性能、制动性能、灯光系统和驾驶员视野性能等 被动安全性 汽车所具有的在交通事故发生时保护乘员免受伤害的能力 研究内容包括车身结构抗撞性、约束系统性能、转向系统的防伤性能等 “抗撞性 ” 汽车结构在碰撞过程中保护乘员的能力 这种保护能力主要由车身结构提供第一节 概述一、汽车碰撞的形式二、被动安全性法规与新车评估程序 通常将汽车的碰撞形式分为正面碰撞、侧面碰撞、后面碰撞和滚翻 在交通事故中，发生不同形式碰撞的比例不同 正碰：占总数 67。由于已采取了很多成功措施，人员死亡数只占汽车碰撞事故总死亡人数的 31 侧碰：占总数 28。由于对乘员的保护比正碰困难，人员死亡数占汽车碰撞事故总死亡人数的 34 滚翻：发生的比例虽很小，但死亡率很高，死亡人数占碰撞事故死亡总人数的 33，多数是由于乘员被甩出乘员舱造成的，在死亡的乘员中只有 13系上了安全带 后碰：发生的比例也很小，且通常是低速碰撞，死亡比例低，颈部的鞭梢性伤害是经常出现的伤害形式第一节 概述一、汽车碰撞的形式二、被动安全性法规与新车评估程序 目前，关于汽车被动安全性要求的公开规范主要有法规和民间性质的评价程序 规定了对汽车被动安全性的要求和规范化的试验方法 为车身结构抗撞性设计指明了目标第一节 概述一、汽车碰撞的形式二、被动安全性法规与新车评估程序（一）被动安全性法规 汽车产品认证制度，是国家对汽车产品管理的一种方式，产品只有通过认证，才能在市场上销售。 汽车安全法规 已经成为推动汽车工业技术进步和不断提高汽车安全性的主要动力之一 汽车安全性法规中比较有代表性的是美国联邦机动车安全法规（ FMVSS）和欧洲法规（ ECE和 EEC），其它如日本、加拿大、澳大利亚等国家的法规基本上是参考美国和欧洲的法规制定的 我国汽车安全性法规的制定工作起步比较晚、起点比较低，但是也陆续制定了许多强制性汽车安全法规第一节 概述一、汽车碰撞的形式二、被动安全性法规与新车评估程序（一）被动安全性法规1美国汽车被动安全法规 美国联邦机动车安全法规 FMVSS，是在美国 国家交通及机动车安全法 的授权下，由美国运输部（ DOT）下属的国家公路交通安全管理局（ NHTSA）制定的，它们都被收录在 “联邦法规集 “（ CFR）第 49篇第 571部分 从 1968年 1月 10日实行以来，经过不断的修改，各条款的要求越来越严格 FMVSS将汽车的安全问题主要分为三大部分 第一部分是主动安全法规，在 FMVSS的 100系列编号之内 第二部分是被动安全法规，属于 FMVSS中 200系列编号之内 第三部分是防止发生撞车火灾事故的法规，分别在 FMVSS中 300系列编号之内第一节 概述一、汽车碰撞的形式二、被动安全性法规与新车评估程序（一）被动安全性法规1美国汽车被动安全法规第一节 概述一、汽车碰撞的形式二、被动安全性法规与新车评估程序（一）被动安全性法规2欧洲汽车被动安全法规 欧洲各国除了有自己的汽车法规外，主要有两个地区性的汽车法规 联合国欧洲经济委员会（ ECE）制定的汽车法规：由各国任意自选，是非强制性的 欧洲经济共同体（ EEC）制定的指令：作为各成员国的统一法规，是强制性的 EEC指令从法规内容看，与 ECE法规大多数项目基本相同第一节 概述一、汽车碰撞的形式二、被动安全性法规与新车评估程序（一）被动安全性法规2欧洲汽车被动安全法规第一节 概述一、汽车碰撞的形式二、被动安全性法规与新车评估程序（一）被动安全性法规3我国汽车被动安全的强制性标准和法规 以欧洲 ECE/EEC汽车技术法规体系为主要参考，在具体内容上紧跟欧、美、日三大汽车法规体系的协调成果 从技术要求角度看，内容与国际上先进的法规体系基本相同 从 1993年第一批强制性标准发布以来，汽车安全方面的标准共有 66项，其中主动安全 23项，被动安全 24项，一般安全 19项第一节 概述一、汽车碰撞的形式二、被动安全性法规与新车评估程序（一）被动安全性法规3我国汽车被动安全的强制性标准和法规 中国汽车技术法规体系 CMVDR是参照 ECE法规体系建立的， 1999年 10月 28日，原国家机械工业局颁布了中国第一项汽车技术法规 CMVDR294 关于正面碰撞乘员保护的设计规则 ，到目前为止已经颁布了 40项 CMVDR第一节 概述一、汽车碰撞的形式二、被动安全性法规与新车评估程序（二）新车评估程序 新车评估程序（ NCAP） 1978年首先在美国开始，主要目的是为消费者提供汽车安全性能准确和全面的信息，以帮助他们做出购车决定 NCAP通过市场激励机制，促使汽车生产厂商自主地开发出能在碰撞中更好保护乘员的汽车 与强制性汽车安全法规相比， NCAP有以下几个特点1. 执行机构的中立性质2. 试验内容更严格和全面3. 对试验结果的评价更加细化第一节 概述一、汽车碰撞的形式二、被动安全性法规与新车评估程序（二）新车评估程序 现在，开展 NCAP的主要有美国、欧洲、日本、澳大利亚和我国等国家 美国 US-NCAP：从 1978年开始，由国家公路交通安全管理局负责进行。所进行的试验包括与刚性固定壁障的正面碰撞试验、移动可变形壁障与静止试验车侧面碰撞试验和汽车抗滚翻试验 欧洲 EURO-NCAP：从 1997年开始，所进行的试验包括与可变形固定壁障 40重叠率的正面碰撞试验、移动可变形壁障与静止试验车侧面碰撞试验、横向移动试验车侧面撞击刚性柱形障碍物试验和撞行人试验 我国 C-NCAP：第一节 概述一、汽车碰撞的形式二、被动安全性法规与新车评估程序(一 ) 乘员伤害的原因1）生存空间丧失 乘员舱外部结构的侵入或乘员舱的变形，导致乘员生存空间的丧失，使乘员受到挤压或撞击 例： 正碰，转向盘将乘员挤在座椅靠背上 侧碰，受撞击后侵入乘员舱的侧门直接撞击乘员 滚翻事故，车顶结构严重挤压变形使乘员头部受到挤压等第二节 车身抗撞性设计要求一、乘员伤害的原因和伤害机理二、抗撞性设计要求和对结构抗撞性的规定(一 ) 乘员伤害的原因2）二次碰撞 碰撞中，乘员生存空间未丧失情况下，乘员与汽车内部结构的碰撞或被抛出车外被称为二次碰撞，这也是造成碰撞中乘员伤害的一类主要原因 措施 座椅和安全带对乘员的约束 通过内部吸能装置第二节 车身抗撞性设计要求一、乘员伤害的原因和伤害机理二、抗撞性设计要求和对结构抗撞性的规定(一 ) 乘员伤害的原因3）碰撞后不能快速逃逸与被救援 汽车发生碰撞事故后，若乘员不能及时逃逸或被救援，也会使伤害加重 例：碰撞乘员失血，且不能及时逃逸或被救，可能出现由于失血过多而导致死亡的危险 碰撞后不能快速逃逸与被救援的主要结构原因： 乘员逃逸空间丧失了 如：驾驶员被挤住了或安全带卡住了 碰撞后用于乘员逃逸或被救援的车门难以被打开第二节 车身抗撞性设计要求一、乘员伤害的原因和伤害机理二、抗撞性设计要求和对结构抗撞性的规定(一 ) 乘员伤害的原因4）碰撞火灾 碰撞后，如果燃油系统发生泄漏，就可能导致火灾，这也会造成对乘员的伤害第二节 车身抗撞性设计要求一、乘员伤害的原因和伤害机理二、抗撞性设计要求和对结构抗撞性的规定（二）乘员伤害机理 进行车身抗撞性设计的最终目的，是保护汽车碰撞事故中人员的安全 了解汽车碰撞事故中乘员伤害的机理，有助于将各种碰撞形式下对乘员保护的要求，转化为对车身结构碰撞响应特性的要求，以有的放矢的进行车身结构抗撞性的设计第二节 车身抗撞性设计要求一、乘员伤害的原因和伤害机理二、抗撞性设计要求和对结构抗撞性的规定（二）乘员伤害机理1头部伤害 一般都是由冲击产生颅骨与脑的相对运动而引起的 脑伤害的主要原因是作用在脑本体的正压力、负压力和由压力梯度引起的剪切作用，或者说是脑本体相对于颅骨的运动 为了防止碰撞中对乘员头部的伤害，应当减小头部受到的冲击或头部的减速度第二节 车身抗撞性设计要求一、乘员伤害的原因和伤害机理二、抗撞性设计要求和对结构抗撞性的规定（二）乘员伤害机理2颈部伤害 汽车碰撞事故中，颈部受碰撞的情况不超过 4。但颈部受极轻的冲击，也容易留下很麻烦的后遗症。脊髓受到暂时性撞击或挤压，也会产生对脊髓的伤害 颈部伤害的机理：椎体相互间前后方向错动产生的剪切力使脊髓损伤脊柱向前弯曲或向后伸展产生过大拉伸或压缩引起的损伤因压缩产生的椎间盘突出引起的损伤由于椎体骨折引起的损伤第二节 车身抗撞性设计要求一、乘员伤害的原因和伤害机理二、抗撞性设计要求和对结构抗撞性的规定（二）乘员伤害机理2颈部伤害 后碰引起的 “鞭梢综合症 ” 是颈部被头部惯性力过度拉伸的结果 在使用安全气囊的情况下，当前排乘员的位置不正确或驾驶员的身材较矮小时，气囊的展开可能会造成颈部的拉伸伤害第二节 车身抗撞性设计要求一、乘员伤害的原因和伤害机理二、抗撞性设计要求和对结构抗撞性的规定（二）乘员伤害机理2颈部伤害 由压缩引起的颈部伤害 从顶部对头的冲击造成的，冲击对颈部产生很大的压缩载荷，并伴有弯曲载荷 头部、颈部的初始方位和表面摩擦决定了颈部所受弯曲载荷的大小第二节 车身抗撞性设计要求一、乘员伤害的原因和伤害机理二、抗撞性设计要求和对结构抗撞性的规定（二）乘员伤害机理3胸部伤害 严重汽车碰撞事故中，作用在胸部的载荷经常大得足以折断肋骨和胸骨，撕裂胸部大动脉，心脏和肺也会被折断的肋骨端部割伤。事故死因的 3540是胸部大动脉被撕裂。对胸部前面和侧面的撞击都会导致大动脉的破裂 由于胸腔内组织的粘弹性特性，胸部伤害的形式还决定于载荷的速度 对胸部撞击速度小于 3m/s的低速载荷，胸部伤害主要是由于对胸腔的挤压造成胸部的变形或骨折 在非常高速载荷的作用下，所形成的压缩波通过胸部时，会造成肺泡组织破裂。在类似拍击的作用下，也会造成肺的挫伤、心室壁的挫伤或致命的心室纤维颤动第二节 车身抗撞性设计要求一、乘员伤害的原因和伤害机理二、抗撞性设计要求和对结构抗撞性的规定（二）乘员伤害机理3胸部伤害 正碰 乘员胸部可能与转向盘和仪表板发生高速碰撞，佩戴安全带还会受到安全带压迫，气囊过硬也会对乘员的胸部产生撞击 为减轻对乘员胸部的伤害，一方面，应减少仪表板和转向盘的后移量；另一方面，对安全带、安全气囊、吸能式转向柱进行合理设计，并采用吸能式仪表板、转向盘和内饰 侧碰 侵入乘员舱的侧围结构会从侧面高速撞击该侧乘员胸部 为减小对乘员胸部的伤害，不仅要控制侧面结构对乘员舱的侵入量，还应当减小其侵入后撞击乘员的速度第二节 车身抗撞性设计要求一、乘员伤害的原因和伤害机理二、抗撞性设计要求和对结构抗撞性的规定（二）乘员伤害机理4腹部伤害 对腹部的伤害取决于作用力的强度和速度 内脏的伤害多为因强烈打击引起的挫伤、裂伤。实体器官比中空器官更容易受到伤害。肝脏和脾脏受伤害的频率较高，对它们的伤害会危及生命 正碰：对腹部的伤害常由于方向盘的挤压或撞击、安全带的作用造成 侧碰：对腹部的伤害一般是由侵入乘员舱的侧围结构从侧面撞击和挤压乘员腹部造成的第二节 车身抗撞性设计要求一、乘员伤害的原因和伤害机理二、抗撞性设计要求和对结构抗撞性的规定（二）乘员伤害机理5骨盆伤害 正碰 对骨盆的伤害通常是由于膝盖撞击仪表板造成的 大腿骨的头部被推向关节窝，如果髋部是外展的，对大腿骨向后的撞击可能引起髋关节脱臼。如果大腿被挤在座椅靠背与仪表板之间，骨盆可能会在骶骨关节与骶骨分离 侧碰 车门撞击股骨大转子，导致向内侧推髋关节