（车辆工程专业论文）轿车40％odb正面碰撞仿真分析.pdf

摘要 摘要 汽车发展到今天，已经不仅仅是最初作为代步的工具，而是现代文明的一 种标志了。汽车的各项功能逐步完善，设计也更加人性化。在实用性和舒适性 达到一定程度以后，安全、节能、环保等方面也越来越受到人们的重视。随着 汽车性能以及道路交通条件的改变，汽车行驶的速度也越来越高。随之而来的 交通事故发生的概率也越来越大。每年发生的各类交通事故，不但造成了巨大 的经济损失，更给人的生命安全带来了极大的威胁。所以，各个国家和汽车企 业以及科研院校都开展了汽车安全性方面的研究。 本文主要介绍的是汽车的被动安全性。采用的是计算机仿真的方法。相比 于实车碰撞试验，计算机仿真具有时间周期短、费用小、可重复性好等特点。 本文进行的是轿车4 0 o d b 正面碰撞的仿真分析。采用动态显式非线性有限元 技术，利用h y p e r m e s h 、a n s a 、l s d y n a 等有限元软件进行建模、计算。 本文所进行的仿真分析车辆4 0 o d b 正面碰撞是依照欧洲n c a p 中关于正 面碰撞的规定对车辆进行仿真计算。将计算的结果与试验结果进行对比，以验 证仿真模型的j 下确性。对比的方面包括车辆在碰撞过程中整体状态的变化，车 辆在碰撞完成后的变形以及车辆左侧b 柱加速度等方面。通过对比，证明模型 是正确可用的。然后将对仿真中车辆表现出来的安全性能存在问题的部位进行 结构以及材料上的优化。通过对优化前后b 柱加速度、碰撞总体能量、纵梁变 形情况、门框变形情况以及前围板变形情况等几方面结果的分析可以发现，优 化之后的车辆碰撞安全性有了一定的提高，验证了优化方案是可行的。这也为 今后车辆被动安全性分析中的偏置碰撞分析提供一些参考。 关键词：4 0 o d b ，有限元，仿真，优化。 a b s t r a c t a b s t r a c t a u t o m o b i l ei sn o tj u s tam e a n so ft r a n s p o r tb u tt h es y m b o lo fm o d e mc i v i l i z a t i o n t h ef u n c t i o n sa r em o r ea n dm o r ec o n s u m m a t ea n dt h ed e s i g ni sm o r ea n dm o r e h u m a n i z e s a f e t y , e n e r g y - s a v i n ga n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o ni sg e t t i n gm o r ea n d m o r ea t t e n t i o na f t e rp r a c t i c a b i l i t ya n dc o m f o r th a v ea c h i e v e dac e r t a i nd e g r e e t h e a u t o m o b i l ev e l o c i t yi sh i g h e ra n dh i g h e ra l o n gw i t h i m p r o v e m e n to fa u t o m o b i l e p e r f o r m a n c ea n dt r a f f i cc o n d i t i o nw h i c hc a u s e dt h eh i g hp r o b a b i l i t yo ft r a f f i c a c c i d e n t v a r i o u st r a f f i ca c c i d e n t sn o to n l yc a u s ee n o r m o u se c o n o m i cl o s s e sb u ta l s o b r i n gg r e a tt h r e a tt ot h es a f e t yo fp e o p l e s om a n yc o r p o r a t i o n s ，u n i v e r s i t i e sa n d i n s t i t u d e sh a v er e s e a r c h e sa ta u t o m o b i l es a f e t yf i e l d t h i sp a p e ri sm a i n l ya b o u tp a s s i v i t ys a f e t yo fa u t o m o b i l eb yc o m p u t e rs i m u l a t i o n w h i c hh a st h ec h a r a c t e r i s t i co fs h o r t e rp e r i o d s ，s m a l l e re x p e n s e sa n d g o o dr e p e a t a t i o n c o m p a r e dw i t hi m p a c tt e s tu s i n gr e a lc a r i m p a c tf o r mo ft h i sp a p e ri s4 0 o d b ， u s i n gd y n a m i ce x p l i c i tn o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n tt e c h n i c ，m o d e l e da n dc a l c u l a t e d w i t hh y p e r m e s h ，a n s a ，l s - d y n aa n de t c t h es i m u l a t i o na n a l y s i so ft h i sp a p e ri sb a s eo nt h ef r o n ti m p a c tr e g u l a t i o no fe u r o n c a p c o m p a r i n gc a l c u l a t i o n a lr e s u l tw i t ht e s tr e s u l tt ov a l i d a t et h ec o r r e c t n e s so f s i m u l a t i o nm o d e l t h ec o m p a r i s o ni n c l u d e st h ew h o l es t a t et r a n s f o r m a t i o nd u r i n gc a r i m p a c t i n g ，t h ed i s t o r t i o na n dbp i l l a ra c c e l e r a t i o no ft h ec a ra f t e ri m p a c t v i a c o m p a r i s o n ，i tc a np r o v et h em o d e li sc o r r e c ta n du s a b l e t h e no p t i m i z et h ep a r t s w h i c he x i s t e di s s u eo fs a f e t ya f t e ri m p a c t w ec a nf i n dt h a tt h ei m p a c ts a f e t yo ft h e c a rh a si m p r o v e db yc o m p a r i s o no ft h eb p i l l a ra c c e l e r a t i o n ，i m p a c te n e r g y , s i d er a i l d i s t o r t i o n ，d o o r f r a m ed i s t o r t i o na n df i r e w a l ld i s t o r t i o nw h i c hv a l i d a t et h eo p t i m i z e p r o j e c ti sf e a s i b l e i ta l s oc a np r o v i d es o m er e f e r e n c ef o rv e h i c l ep a s s i v i t ys a f e t yo f o f f s e ti m p a c ti nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：4 0 o d b ，f e ，s i m u l a t i o n ，o p t i m i z e i i 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 年月日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的e n 届i j 本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提 供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国 家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目 的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活 动。 学位论文作者签名： 年月 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 当今世界，汽车作为一种交通工具，已经成为人们生活中不可或缺的一部 分，扮演着越来越重要的角色。它的出现，极大的方便了人们的出行，使得以 前遥不可及的地方变得触手可及。到了今天，汽车不仅作为一种交通工具而存 在，它已经成为了人们生活的一部分，成为了现代文明的标志之一。 汽车安全与节能和环保问题已经成为汽车工程领域三大具有重要社会、经 济意义的研究热点，并且得到了有关政府部门的高度重视。随着汽车性能的不 断提高，道路条件的不断改善，车速也越来越高，同时汽车保有量也急剧增加。 汽车碰撞事故也就越来越多，越来越严重。这不但造成了巨大的财产损失，更 给人们的生命安全造成了极大威胁。汽车安全也越来越受到人们的重视。各国 政府相继颁布了各自的汽车安全法规和标准。目前，国际上实车碰撞安全法规 主要有美国的f m v s s 和欧盟的e c e 两大体系，其他国家的技术法规大多是参 照上述两个法规体系制定的【2 j 。 我国于1 9 9 9 年1 0 月颁布了汽车被动安全性法规关于j 下面碰撞乘员保护 的设计规则( c m v d r 2 9 4 ) 【3 】。2 0 0 3 年1 1 月，我国参照欧洲e c er 9 4 法规 制定的国家强制性标准乘用车正面碰撞的乘员保护( g b l l 5 5 l 一2 0 0 3 ) 【4 】 正式颁布。2 0 0 6 年1 月，我国颁布了汽车侧面碰撞乘员保护( g b 2 0 0 7 1 - - 2 0 0 6 ) 【5 】和乘用车后碰撞燃油系统安全要求( g b 2 0 0 7 2 - - 2 0 0 6 ) 【6 】两项强制 性保准，并在2 0 0 6 年7 月l 同起强制实施。2 0 0 7 年4 月，我国颁布了乘用车 正面偏置碰撞的乘员保护( g b 厂r 2 0 9 1 3 2 0 0 7 ) 【7 】，并于2 0 0 7 年1 2 月l 同起 实施。随着我国加入w t o ，在我国市场上销售的车型都要通过标准认证。企业 生产的汽车必须符合相关标准才能上市销售。 在计算机仿真技术运用到汽车被动安全性研究之前，汽车产品的开发设计 只能依靠传统的手段通过实车碰撞来分析评价汽车的安全性，随着计算机 仿真技术的不断成熟，计算机碰撞仿真已广泛应用于汽车碰撞安全性的研究中。 进行汽车碰撞仿真研究具有以下几个重要意义： 第一章绪论 ( 1 ) 费用低廉。计算机仿真不进行实车的破坏性试验，也不需要试验设备， 因此可以节省大量的人力、物力、财力； ( 2 ) 周期较短。c a d c a m 的具体运用，使得虚拟样机的概念逐渐被产品 开发人员所接受。使产品在设计、开发阶段就可预测其品质和性能，避免不必 要的设计失误并替代部分试验，因此开发周期必然缩短； ( 3 ) 可重复性好。试验过程易受随机因素影响，因此在研究不同系统参数 对安全性的影响时，不易得到明确的结果。而仿真依赖于计算机硬件，大多仿 真软件均为参数化设计，可以轻而易举的得到参数改变后的仿真结果，但同时 应该指出，任何仿真结果的准确性都必须经过试验来验证峭，j 。 1 2国内外研究现状、发展动态 国外最早丌展汽车碰撞研究的是美国，对这一问题的研究已进行了将近一 个世纪。3 0 年代即丌始采用简单的实车碰撞试验，5 0 年代之后发展了台车模拟 碰撞试验，8 0 年代以后发展了基于碰撞有限元理论的计算机仿真技术1 1 u j 。早期 的汽车被动安全性研究几乎都是依靠进行整车及部件碰撞试验完成的。 国外对整车碰撞的计算机研究始于上世纪六十年代，但一直受限于计算机 硬件技术和算法理论的发展。真j 下的突破始于1 9 8 6 年l s - d y n a 首次成功地模 拟了整车大变形。从此之后，基于动态显式非线性有限元技术的计算机仿真方 法在国外开始得到了广泛应用。他们的研究主要集中在1 0 0 正面碰撞的计算机 模拟；3 0 $ f l4 0 偏碰撞的计算机模拟，其障碍物可为刚性墙或可变形体；汽车 侧碰的计算机模拟等几方面【1 1 1 4 1 。也取得了很多成果。例如：p i c k e t t a k 等人 利用反复数值模拟的方法对客车碰撞性能进行优化改进【l 孓1 7 】；l c a s t e j o n 等人对 汽车碰撞吸能结构进行优化设训1 8 。2 0 】；a l b e r t 对碰撞能量最优分配原则进行了研 究【2 1 2 2 】；m i c h a e l s v a r a t 对汽车追尾碰撞进行了研列2 3 】；日本丰田公司应用计算 机仿真技术，开发出安全1 1 4 工4 - 白月匕e , 优越的车身【2 4 1 。目前，除了l s d y n a 2 5 , 2 6 外，还 有p a m c r a s h 2 7 j ，m a d y m o 2 s 等碰撞软件。 在汽车被动安全性能评价方法方面，分为法规和n c a p 两种评价方式。主 要内容有正面碰撞、侧面碰撞、追尾碰撞、汽车翻滚、行人保护及车内儿童保 护等。其中，汽车翻滚试验只有美国有，但是美国没有关于行人保护方面的试 验。各国有各自相应的汽车碰撞法规，主要有美国的f m v s s 和欧盟的e c e 两 2 第一章绪论 大体系。同本和澳大利亚的碰撞法规是在参考美国和欧盟的基础上制定和实施 的。到目前为止还没有一个符合全球标准的法规，全球统一法规的制定也是一 个发展方向 2 9 ，3 0 1 。安全法规从乘员保护的角度提出了整车被动安全性能的评价方 法，设计人员可以从车身结构安全性能与乘员伤害之间的关系来指导车身的设 计。以车身碰撞性能为研究基础，综合考虑车身结构的安全性和乘员保护，建 立车身结构碰撞性能和乘员伤害之间的关系，通过改变车身结构达到乘员保护 的目的，是被动安全性能评价方法研究的方向【3 l 】。n c a p 是一个行业性组织， 是由政府、保险公司、消费者组织、汽车俱乐部或杂志社等机构共同制定的汽 车碰撞安全性评价体系，不是政府强制性试验。安全法规的试验只能给出该车 是否合格的简单评论，而n c a p 则根据车内乘员伤害程度来给出车辆的安全等 级，并且n c a p 规定的实车碰撞车速往往比安全法规规定的车速高。n c a p 直 接面向消费者公布试验结果，指导消费者怎样从市场上购买安全的汽车，因此 得到汽车行业和消费者的广泛认同【3 2 弓4 | 。 中国在汽车被动安全性研究领域的研究起步较晚，但是发展较快。清华大 学于1 9 9 1 年最早建立了台车试验台，随后，中国汽车研究中心、东风汽车研究 院、一汽汽车研究院、湖南大学以及上海机动车检验中心等都先后建立了实车 碰撞试验场【”】。奇瑞汽车的碰撞试验室目前也在建设之中。汽车安全性能的法 规和强制性标准一直都是我国碰撞研究的主要推动力量，在c m v d r 2 9 4 颁布之 后，汽车j 下面碰撞安全性成为我国高校、科研机构和汽车生产商的一个研究热 点。经过几年的研究，我国汽车j 下面碰撞安全性能得到了很大的提高，汽车正 面碰撞性能和正面碰撞乘员保护系统技术也日益成熟。 在计算机仿真研究方面，1 9 9 7 年，裘新等人利用汽车碰撞力学的分析方法 对八十年代生产的某轻型车的纵向碰撞响应进行了研刭3 6 1 。1 9 9 8 年，贾宏波等 人对红旗轿车车身的纵向碰撞安全性进行了研究，为该轿车j 下面碰撞安全性设 计提供了有价值的指导【37 1 。在对数值分析计算方法的研究中，湖南大学的钟志 华教授创立了接触搜寻新的算法一级域法【i 】。同时，各科研机构和高等院校在 汽车安全性和碰撞仿真领域开展了全方位的研究。 1 3 本论文的主要内容 由于4 0 o d b 正面碰撞更接近现实中的交通事故类型，国内对于4 0 o d b 3 第一章绪论 正面碰撞越来越重视，并已于2 0 0 7 年4 月颁布了乘用车正面偏置碰撞的乘员 保护( g b t 2 0 9 1 3 2 0 0 7 ) ，c n c a p 也将其列入评分项目。本论文将以理论 分析与计算机仿真及试验分析相结合的方法，对汽车4 0 o d bi t 面碰撞安全性 仿真技术进行深入的研究。主要集中在以下几个方面： 介绍汽车被动安全性理论的研究内容及研究方法，指出当前的研究重点及 未来的发展趋势； 综合比较各国的汽车正面碰撞标准、法规，介绍汽车正面碰撞的评价方法 和指标； 采用计算机仿真方法，对实际设计车型进行整车建模，并运用l s d y n a 有限元分析软件对整车进行4 0 o d b 正面碰撞( 依照e u r o n c a p 中关于正面碰 撞的规定进行) 的仿真；分析碰撞结果； 根据碰撞结果，对影响汽车正面安全性的关键部位，如纵梁、a 柱、门槛梁 等部件进行优化，使车身结构更安全。 4 第二章汽车被动安全性分析 第二章汽车被动安全性分析 2 1汽车碰撞安全性概述 1 , 3 1 , 3 2 , 3 8 - 4 1 】 随着时代的发展，汽车保有量的增大，汽车已经成为人们同常生活的一部 分。道路条件的改善，汽车动力性能的改善，直接导致了汽车行驶速度的提高， 进而导致了发生交通事故的风险，以及发生事故后给车辆以及人生安全造成更 大的破坏。随着人们对生命安全的日益重视，汽车安全也被人们日益重视起来。 1 9 f 馨与2 0 2 , r 锯垒i 袈羧瘸娩孝璺f1 ) a i ，v 、3 掰；d - 六膨黝殇勺 耱膨 诼溪一1 9 9 0 毫摩j 页三砭了笨 疾瘸或伤寄痪躺或伤鬻 下呼吸遵感染 疆泻瘸 围产期痰髑 抑有瑟症 蕾突血性厶翻匿舞驽 脑血管痰瘸 结牵亥瘸 8麻疹 i 9i 麓路交避伤害l 1 0 先天性畸开； l 蕾夹窿& 性，厶磁量瘸 2 誓印鸯b 痤 l 3 邀路交逊伤整i 4 脑血篱疾瘸 5 6 7 8 9 1 0 慢性阻黧性肺瘸 下呼吸i 夔感染 结手亥瘸 战争 腹泻瘸 翟窭麴煎艄攀避 图2 1 全球疾病负担图 汽车安全性通常可分为主动安全性和被动安全性两大类。 主动安全性是指在交通事故发生之前采取安全性措施，尽可能的避免交通 事故发生的性能。汽车主动安全对策主要涉及汽车的制动性、动力性、操纵稳 定性、驾驶舒适性、信息性等方面。包括防抱死制动系统、驱动防滑系统、横 摆控制系统、车距报警系统、驾驶辅助预警系统、安全导航系统后视镜、高位 制动灯等汽车主动安全装置。 被动安全性是指在发生不可避免的交通事故后，利用对车辆结构的设计以 及被动安全性装置，尽可能的减少驾驶员和车上乘员以及车外行人受到伤害的 程度。被动安全性研究的主要内容就是如何合理的进行车身结构安全性设计和 5 1 2 3 4 5 6 7 第二章汽下被动安全性分析 乘员约束系统设计，利用车身结构件的变形i 吸收能量以减少对乘员的冲击，同 时利用乘员约束系统给予乘员最大限度的保护以及在事故发生后利用救护装置 尽可能快的展丌对伤员的救助工作。包括安全车身、安全带、安全气囊、吸能 式转向柱、座椅及头枕、防止碰撞后燃油泄漏装置、紧急门锁释放装置、自动 灭火装置和事故自动报警系统等。通俗地讲，主动安全性就是要使汽车在行驶 时“有惊无险 ：而被动安全性则要做到汽车发生事故时“车毁人不亡”。由于 汽车被动安全性总是与广义的汽车碰撞事故联系在一起，故又称为“汽车碰撞 安全性”。 对应于汽车的主动安全性和被动安全性，汽车安全性研究也分为主动安全 性研究和被动安全性研究。总的来说汽车被动安全性研究内容包括车身结构的 耐撞性研究、人体碰撞生物力学研究、乘员约束系统、汽车内饰的开发研究及 碰撞后伤害减轻及救护技术研究等。 ( 1 ) 车身结构的耐撞性研究 主要研究汽车特别是轿车车身在碰撞过程中对碰撞能量的i 吸收特性，增强 车身结构耐撞性。在碰撞过程中，要让乘员舱的变形尽量小，保证乘员的空间。 要让发动机舱有大的变形，以更多的吸收在碰撞中产生的能量。从而使传递给 车内乘员的碰撞能量降低到最小。目前，车身结构的耐撞性研究通常采用实车 碰撞和计算机仿真相结合的方法。 ( 2 ) 人体碰撞生物力学研究 主要研究人体在不同形式的碰撞中的伤害机理、人体各部位的伤害极限、 人体各部位对碰撞载荷的机械响应特性以及碰撞假人的研究。通过将假人置于 车内进行实车碰撞试验或者利用计算机进行仿真，来得到人体在碰撞过程中的 响应，通过分析人体响应，来得到车辆的耐撞性能，从而改进车辆的耐撞性， 设计出更安全的车。 ( 3 ) 乘员约束系统研究及安全内饰件研究 乘员约束系统的研究目的是尽量避免人体与车身内饰件发生二次碰撞，内 饰件的研究则是使人体与之发生二次碰撞时，对人体造成的伤害尽量小。安全 带是乘员保护系统中最早采用的装备，其设计宗旨是在车辆发生碰撞及翻滚时 约束人体相对车辆的运动。能够在很大程度上防止人体与车身内饰件的猛烈接 触以及乘员甩出车外，对保护乘员能起到显著效果。安全气囊是另一种常见的 乘员保护设备，它与安全带的合理匹配可对乘员进行有效的保护。在可能致命 6 第二章汽车被动安全性分析 的车祸中，“安全带+ 气囊”的保护方式可以在危急关头挽救约4 6 的生命：而在 未装备安全气囊的车上使用安全带，有效保护率为4 1 ：而不使用安全带仅依 靠安全气囊的情况下，这一比例则下降到2 0 左右。安全座椅、吸能式转向柱、 软化的内饰件等对于缓冲二次碰撞以减少对人体的冲击具有重要作用。安全座 椅特别是安全头枕能够在碰撞中对头颈部保护起到很大的作用，吸能式转向柱 对于在碰撞中减少胸部的伤害有一定作用。 ( 4 ) 碰撞后伤害减轻及救护技术研究 碰撞后伤害减轻及救护技术的研究是汽车碰撞安全的另一个重要方面。防 止碰撞后燃油箱泄露装置可防止碰后燃油的泄露，以防止汽车起火爆炸。紧急 门锁释放装置当汽车发生碰撞后，为使驾乘者容易从被撞车辆中出来，车门应 能容易被打开。紧急门锁释放装置的功能是，当碰撞传感器确认己发生碰撞时， 系统将立即自动地释放门锁。事故自动报警系统是一种全新的汽车安全系统， 它与智能汽车交通系统和全球卫星自动定位系统相配合，一旦汽车发生事故， 将自动向有关安全管理部门和医疗急救部门报警，提供事故汽车所在位置、车 上乘员数量、事故严重程度等信息，并能保持联络，使事故车辆中的人员得到 及时救护。 2 2 国内外汽车正面碰撞安全性评价方法 2 2 1概述 现今汽车被动安全性评价方法主要有法规和n c a p 两类。法规由政府相关 部门制定和实施，是汽车被动安全性的最低要求，所有车型必须满足法规的要 求才能上市销售。主要法规体系有美国联邦机动车安全标准( f m v s s ) 和欧洲 经济委员会标准( e c e ) 两大类，其他国家的汽车碰撞法规大多是参照上述两个 体系制定的。n c a p 是n e wc a ra s s e s s m e n tp r o g r a m 的缩写，意思是新车评价规 程，一般由政府或具有权威性的组织机构，按照比国家法规更严格的方法对在 市场上销售的车型进行碰撞安全性能测试、评分和划分星级，向社会公开评价 结果【1 1 。 美国采用自愿认证结合强制召回的方式管理汽车安全性。企业自愿认证产 品的安全性能，但当发生产品质量不合格的时候，政府将强制企业召回不合格 7 第二章汽下被动安全性分析 产品。这样做在某种程度上鼓励了企业的创新。欧洲则采用强制认证结合自愿 召回的方式管理汽车安全性。这样可以注重经济性，将有缺陷的产品消除在车 型认证的过程中3 0 1 。 汽车生产企业将依据政府的相关法规，并结合n c a p 的评价来生产更安全、 更具市场竞争力的汽车。这在一定程度上推动了汽车安全性的发展。 2 2 2 汽车正面碰撞安全法规 i , 4 , 7 , 4 2 , 4 3 】 从1 8 世纪汽车发明以来，就随之产生了汽车安全问题。为提高汽车的安全 性，各国相继推出了相应的安全法规。1 9 6 6 年8 月3 1 日，美国通过了国家交 通和汽车安全法，同时规定1 9 6 8 年以后的车型开始实施安全法。由美国国家 公路交通安全局( n h t s a ) 负责制定和推行。在1 9 6 6 年9 月2 8 日首先实旋了 1 7 项规定，不久又增加了9 项，这些规定是美国联邦机动车安全法规的前身。 为了进一步提高汽车的碰撞安全性，从1 9 7 3 年8 月1 5 日起美国决定在全部车 辆上实施被动式乘员保护装置，推广使用安全带并使其法制化。1 9 7 7 年6 月公 布了修正案，f m v s s 2 0 8 标准最终定了下来。直到1 9 9 6 年1 2 月3 1 日，f m v s s ( f e d e r a lm o t o rv e h i c l es a f es t a n d a r d ) 系列法规制定和实施的标准项目共有5 4 项，其中包括防止事故发生的标准2 9 项( 1 0 0 系列) ；减轻碰撞事故发生时对乘 员的损伤标准2 1 项( 2 0 0 系列) ；以及发生事故后的防护标准4 项( 3 0 0 系列) 。 包括前碰撞，侧面碰撞，后碰撞以及车辆翻滚等等。 第二次世界大战以后，欧洲各国为了消除贸易障碍，大力推行法规的国际化。 欧洲经济委员会于1 9 5 8 年制定了统一的法规一e c e ( e c o n o m i c c o m m i s s i o nf o r e u r o p er e g u l a t i o n s ) 。从1 9 6 0 年颁布的e c er 1 、e c er 2 法规丌始，到1 9 9 6 年 j 下式颁布实施的e c e 法规有9 9 项，涉及汽车的安全、环保及节能等领域。其中， 关于汽车安全方面的法规占8 l 项，这当中，主动安全法规5 5 项，被动安全法 规2 6 项。除了规定车辆正面碰撞、侧面碰撞、翻车时车身强度及碰撞时防止火 灾等要求外，e c e 法规还非常重视灯光和信号装置的安全性。 日本早在1 9 5 1 年就根据道路运输车辆法制定了道路车辆安全标准。随 着汽车工业的发展，又充分吸收了f m v s s 法规和e c e 法规的优点，再结合自 身的特点形成了比较健全的日本道路车辆安全标准体系t r i a s ( t r a f f i cs a l t y a n dn u i s a n c er e s e a r c hi n s t i t u t e sa u t o m o b i l et y p ea p p r o v a lt e s ts t a n d a r d s ) 。由于日 8 第二章汽车被动安全性分析 本国土狭窄，所以法规特别重视汽车与行人及摩托车之间的碰撞，对汽车外部 突出物等的规定特别详细。到1 9 9 5 年底，同本道路车辆安全标准包含车辆构造、 装置标准共9 5 条，其中安全标准6 8 条；试验方法标准8 8 条，其中安全标准7 6 条。 我国的汽车标准主要有国家标准( g b ) 和中国汽车技术法规体系 ( c m v d r c h i n am o t o rv e h i c l ed e s i g nr u l e ) 两种。涉及到汽车安全和排放的检 验项目在g b 和c m v d r 中都会存在，但其中相同的项目在技术上的要求是一 致的。我国于1 9 9 9 年1 0 月由原国家机械工业局颁布了第一项汽车被动安全性 法规关于正面碰撞乘员保护的设计规则c m v d r 2 9 4 。2 0 0 3 年1 1 月，我国参 照欧洲e c er 9 4 法规制定的国家强制性标准g b l1 5 5 1 2 0 0 3 乘用车j 下面碰撞 的乘员保护正式颁布。2 0 0 6 年1 月，我国颁布了汽车侧面碰撞乘员保护 和乘用车后碰撞燃油系统安全要求两项强制性标准g b 2 0 0 7 1 2 0 0 6 、 g b 2 0 0 7 2 2 0 0 6 ，并在2 0 0 6 年7 月l 同起强制实施。2 0 0 7 年4 月，我国颁布了乘 用车j 下面偏置碰撞的乘员保护( g b t 2 0 9 1 3 2 0 0 7 ) ，并于2 0 0 7 年1 2 月1 日 起实施。 正面碰撞法规比较： 表2 1 是各国正面碰撞法规对比。由表2 1 可以看出，从碰撞的角度看，有 o o 和正负3 0 0 两种。从壁障的类型来看，有1 0 0 r b ( 刚性壁障) 和4 0 o d b ( 可 变形壁障) 两种。1 0 0 r b 碰撞时，车身前端全部参与碰撞，此时车体刚度较大， 碰撞过程中车体冲击加速度峰值最大，车体变形较小。这样的后果就是乘员在 巨大的冲击惯性力作用下，乘员头部、胸部的伤势较严重，往往造成死亡。此 时，降低乘员的冲击惯性力就成了降低乘员伤害的有效方法。而乘员约束系统 的运用，通过安全带、安全气囊的合理匹配就可以有效地控制乘员动能的耗散， 减小冲击惯性力，从而减小乘员伤害指标。所以1 0 0 r b 主要评价的是乘员约 束系统的好坏。相对于1 0 0 r b ，4 0 o d b 碰撞时车辆前端只有- n 参与碰撞 中能量吸收，此时车身变形大。由于这种情况下车体刚度大约只有1 0 0 r b 碰 撞的一半，所以碰撞中车体冲击加速度峰值较小，由于冲击惯性造成的乘员伤 害较小，但是严重的乘员室侵入会造成乘员伤亡。此时，车身的变形对于乘员 伤害有着直接的影响。通过安全车身的合理设计可以有效地控制乘员室侵入量， 从而也就控制了乘员的伤害。所以4 0 o d b 主要评价的是安全车身。 9 第二章汽车被动安全性分析 表2 i 各国正面碰撞法规对比 一目 法规号 f m v s s 2 0 8 ( 荚i 目)e c er 9 4 ( 魄盟) 轿1 、# 川逢乘刚 适川范铜乍、载货汽乍、喜 碰撞形式感 画 篓 画妻 圃| 隧 瓣 四l 碰撞角度0 。或3 0 。“角 试验述度 5 6 k n 仙 类型 l i y b r l d l l l i & 年男阽 h 、b f i d l l i 成年男性 h y b r i d i i 成年舛性h y b r i d l l l 他年男 似人 性f5 0 ) 忙置h 0 排两个 前排两个，7 ；驶员 前排阳个前排撕个 垮肝排、 鞋障形式刚性鼙障可变形啦障刚性犁障r ，变形举障 祭蔷质颦+ 行李质整齐质 t + 似人 试验一质 l 牡备质昔+ 假人船符厩 t 十假 量+ 似人 + 3 6 k g ( 删试系绒) 保证h 点调整 j 常保址h 点胡桃止常懈l th 点调粘正 庠椅 位置中司位置 驾驶仃置驾驶f t 置 常。；驶位置 l 靠背酲计标准位置 畦计标畦竹置设计标准位置汁标准位置 门窗状态荚j 但不锁l f天刚但小锁】天州但小锁r 咒例但不锁m 变进器档位 处丁空档处r 守档处丁辛梢处丁空梢 制造厂规定的| j 1 ) ：簧制造厂规定的竹茕制遗j 规定的伸 转向赫中间位置 或i | j 问仲置或中间位置置业中间仲置 安全带佩蕺与小配藏哺种佩戴佩戴佩戴 制动驻下制动松开驻节制动松开 驻4 - 制动松开驻1r 制动挫丌 伤头部 h p c 5 1 0 0 0h p c i l 0 0 0h p c ! 1 0 0 0i i p c ! 1 0 0 0 害 胸部 指 压缩t h c c 9 62 5r n mt i i c c 5 0 m mt i i c c 9 5 m mt 1 1 c c 5 0 m m 标 城 第二章汽乍被动安全性分析 ( 续) 中国 法规号f m v s s 2 0 8 ( 美国)e c er 9 4 ( 欧盟) g b l l 5 51 2 0 0 3g b 厂r 2 0 913 2 0 0 7 伤 胸部 a 3 ，w _ 6 0 9a 3 ，m 6 0 9a 3 ，船_ 6 0 9a 3 ，”_ 6 0 9 害 口3 w 指 人腿 轴向 f p c _ l0 k n f p c s 9 l n f p c s l0 k nf p c 夕k n 标 压力 试验时假人不被甩在试验中，车门不在试验中，车门不在试验中，车门不 山车外得开启，前门锁i 卜得开启，前门锁i 卜得开启，前门锁止 系统不得发生锁系统不得发生锁系统不得发生锁 j 卜。试验后，不使i 卜。试验后，不使止。试验后，不使 刚j ：具，戍能打开用l ：具，府能打开用【：具，廊能打开 其 车门。打开假人约 车门。打开假人约车门。打开假人约 束系统时施加在松 束系统时施加在松束系统时施加在 他 脱装置上的力不超脱装置上的力不超松脱装置上的力 过6 0 n 的压力。能过6 0 n 的压力。能不超过6 0 n 的压 性 够从乍中完女f 取山够从车中完好取出力。能够从车中完 假人。在碰撞中，假人。在碰撞中，好取出假人。在碰 能 燃油供给系统不允燃油供给系统不允撞中，燃油供给系 许发生泄漏，碰撞许发生泄漏，碰撞统不允许发生泄 要 后，前5 m i n 平均泄后，前5 m i n 平均泄漏，碰撞后，前 漏速率不得超过漏速率不得超过5 m i n 平均泄漏速 求 3 0 9 m i n 。碰撞后转3 0 9 m i n 。 率不得超过3 0 向管柱后移鼙不超 g m i n 。碰撞后转 过8 0 m m ，上移鼙不向管柱后移量不 超过1 0 0 m m 。超过8 0 m m ，上移 量不超过1 0 0 m m 。 由于中国的j 下面碰撞法规是参考e c er 9 4 制定的，所以内容除了碰撞形式 和壁障类型外，其余基本一致。在假人方面，都是采用5 0 h y b r i d i i i 成年男性假 人；欧盟用的是三个，中国和美国则是两个。值得一提的是，在安全带佩戴方 面，只有美国是考虑佩戴安全带和不配戴安全带两种形式，中国和欧盟则只考 虑佩戴安全带这一种方式。在假人伤害指标方面，欧盟只考虑了头部h p c ，胸 部压缩量和大腿力，而中国和美国则除此之外还考虑了胸部三毫秒加速度值。 在考查的重点方面，美国更加注重对乘员约束系统的考查，而欧盟更加注重的 是车身的抗撞强度，中国则兼顾了两个方面。 第二章汽车被动安全性分析 我们可以看到，目前各国的j 下碰法规还没有在各个方面达到一致。为了各国 法规尽量达成一致，各国都还有很多要改进的地方。与其它地区类似，美国的 车辆设计也需要考虑偏置测试。美国应该取消斜置壁障碰撞测试。欧盟可以增 加1 0 0 r b 。等等。 2 2 3 新车评价规程一n c a p 4 4 4 6 】 n c a p 最早是在美国丌展，并且已经在欧洲、日本等国家实施多年。由于各 国在法规体系、道路交通事故统计和车辆状况等方面存在的差异，所以各国 n c a p 在组织方式、试验规程和评分方法上都有明显不同。 u sn c a p ( 美国) 一由美国国家高速公路交通安全管理局( n h t s a ) 实施。 正面碰撞为全重叠率刚性壁障碰撞( 5 6 k m h ) ，侧面碰撞为与和移动壁障前进方 向成2 7 0 斜角的侧面碰撞( 6 2 k m h ) ，分别基于法规f m v s s 2 0 8 和f m v s $ 2 1 4 。 u s n c a p 试验只根据试验中假人的伤害值来计算人体受伤害的风险程度，并据 此将被撞车辆分为从一颗星到五颗星五个等级。试验结果发布在( ( b u y i n g as a f e r c a r ) ) 和i n t e r n e t 上( w w w n h t s a d o t g o v n c a p ) 。 e u r on c a p ( 欧盟) 一最初由在英国交通部的t r l ( t r a n s p o r tr e s e a r c h l a b o r a t o r y ) 和v s c ( v e h i c l es a f e t yc o n s u l t a n t sl t d ) 实施。根据e c 指令9 6 7 9 e c 进行速度为6 4 k m h 的正面偏置碰撞试验，根据e c 指令2 7 9 6 e c 进行速度为 5 0 k m h 的侧面碰撞试验和根据e e v c 的试验程序进行行人保护试验。对于装备 了侧面头部保护系统的车辆，还可以按照意愿进行侧面撞柱试验。对试验结果 的评价除了考虑假人伤害值外，还包括一些主观的评价。通常将试验后假人的 伤害程度利用一风险函数和伤害概率准则转化为一个分值。对j 下面和侧面碰撞， 最高分值均为1 6 分，如果进行了侧面柱碰，总分数最多还可以加2 分。试验后 假人所得的分值通过五种颜色向公众公开( 绿色为最好、红色为最差) 。对被试 验车辆的综合评估最高可达五星。行人保护是分开评估的，最高为四星。e u r o n c a p 的试验结果分阶段向媒体公开，然后由在欧洲的一些汽车和消费者保护杂 志发布。e u r on c a p 的官方合作杂志是英国的、h a tc a r ? ，试验结果也可以 在e u r on c a p 主页找到( w w w e u r o n c a p c o m ) 。 j n c a p ( r 本) 由m l i t 和o s a 联合制定。包括5 5 k m h 的全重叠率刚 性壁障碰撞试验和6 4 k m h 的正面偏置变形壁障碰撞试验和5 5 k m h 的侧面碰撞 1 2 第二章汽车被动安全性分析 试验。相应试验中假人的伤害值根据伤害概率转化为分值，并根据伤害出现的 频率来加权。在正面全重叠率或偏置碰撞中，计算得到的分值通过方向盘和制 动踏板的位移来修正，以便得到假人的变形。考虑到碰撞类型出现的频率，全 重叠率正碰、偏置和侧面碰撞被平均加权。试验的最终结果以星型标志表示， 分为6 个等级( 驾驶员侧和前捧乘员侧分别表示) 。最终试验结果发布在n e w c a r a s s e s s m e n tj a p a n ) ) 和i n t e r n e t 上( w w w o s “g o d p ) 。 c - n c a p ( 中国) 一2 0 0 6 年，中国汽车技术研究中心( c a t a r c ) 推出了 c n c a p 评价。c - n c a p 针对中国市场上销售的汽车进行评价，主要有车辆以 5 0 k m h 的速度与刚性固定壁障1 0 0 重叠率的讵面碰撞、以5 6 k m h 的速度对可 变形壁障4 0 重叠率的正面偏置碰撞、町变形移动壁障以5 0 k m h 的速度与车辆 的侧面碰撞等三种碰撞试验，根据试验数据计算各项试验得分和总分，由总分 多少确定星级。最高得分为5 1 分，星级最低为1 星缄，最高为5 + 。最终试验结 果发布在( w w w c - i l c a p o r g ) 网站和世界汽车( 月刊) 上。( 注：参考朱 西产教授的汽车碰撞安全性评价体系的现状及发展趋势) 。 表2 2 是各国n c a p 中关于正面碰撞规定的对比情况。由表2 2 可以看出， 各国的n c a p 中关于正面碰撞的规定各不相同。在壁障形式上，美国采用0 。或 3 0 0 左右角的剐性壁障：欧洲采用可变形壁障；而中国则同时采用可变形壁障和 刚性壁障。在碰撞速度以及假人安放等各方面也不相同。具体要求见表22 。 表2 2 各国n c a p 中关于正面碰撞的规定对比 轿下、多h j 近乘川 适川范鬲 1 ，载货汽午、吝午 4 0 o d b 匾】川 碰_ ! 叠形式 - 1 画q剜画一 囤| 碰撞角度o 。或3 0 。矗矗角 0 。0 。 第二章汽车被动安全性分析 ( 续) 名称u s n c a p e u r on c a p c j n c a p 试验速度 5 6 k m h6 4 k m h5 0 k m h5 6 k m h h y b r i d i i i 成年男性h y b r i d l i i 成年男性 两个h y b r i d l i i两个h y b r i d i i i 类型 5 0 男性，一个5 0 男性，一个 假人 h y b r i d i i i5 女h y b r i d i i i5 女 ( 5 0 )( 5 0 ) 性性 前排两个，驾驶员前排男性，前排前排男性，前排 位置前排两个 座后排一个乘客座后女性乘客座后女性 鼙障形式刚性罐障可变形鼙障刚性壁障可变形醇障 空车质量+ 行李