汽车碰撞研究

要了解各种各样的碰撞事故
交通安全是一个世界性的难题，据统计，每年因为车祸有70多万人死亡，1000多万人受伤。汽车安全性分为主动安全性和被动安全性，前者是指汽车防止发生事故的能力；后者是指当事故生时汽车本身对乘员及行人提供保护的能力。调查的结果表明，汽车的主动性能再好，也只能避免很少量的事故，汽车的被动安全性实际上主宰着汽车的安全性能。
随着我国汽车保有量的不断增加，交通事故呈上升趋势，如图
1
所示，
而汽车的正碰是发生概率最多的一种，
且对车内司乘人员生命
财产安全最具危害性。
随着我国正碰安全法规的颁布实施，
汽车的被
动安全性问题是汽车研究和设计人员必须面对的新课题，
所开发车型
的耐撞性能最终要通过实车碰撞试验来检验。
但是此类的试验对车辆
进行的是破坏性试验，
为了检验一项设计目标往往需要反复的碰撞试
验，试验费用相当昂贵，因此，通过
CAE
模拟仿真计算来指导和部
分取代试验工作，
成为汽车被动安全性研究的一种必然趋势。
通过模
拟仿真计算，
可以在汽车设计和改进的过程中经济有效的提供一些基
本规律和指导方向，减少试验次数，避免大量尝试性工作，这样既能
减少研发成本，也能缩短开发周期。

2

有限元分析汽车碰撞安全性的特点经过几十年的发展大变形非线性有限元方法在理论上已比较
成熟目前的相关商业软件包的功能已经相当强大。
输出功能的软件CAT IA 、uG 、Pro / E 、s T EP 、IGE s 等
, 强大的分析软件: P AMCs H
、L s- DY NA 3D
等。而随着计算机硬件的发展
, 计算机的运算能力也
大为提高
, 这一切都意味着用计算机模拟手段解决碰撞安全
性问题已经比较方便。
( l)
经过几十年的发展
, 大变形非线性有限元方法在
理论上已比较成熟
, 目前的相关商业软件包的功能已经相当
强大
, 而随着计算机硬件的发展
, 计算机的运算能力也大为
提高
, 这一切都意味着用计算机模拟手段解决碰撞安全性问
题已经比较方便。

( 2 ) 有限元方法能够得到丰富的信息和数据
,
这是实车

试验当中无法做到或很难做到的一点
,
这些数据在设计改进

过程中将起到非常重要和决定性的作用。

( 3 )
有限元法毕竟是一种验算方法
,
在确定设计改进方


案时起决定作用的还是理论分析手段
,
根据理论分析结果
,
确定参数选取原则
,
然后再用计算机模拟来演算。

( 4 )
计算机虚拟试验技术不能代替实物试验
,
计算机模

型需要用实际试验数据来检验
,
在建模过程中还需要根据实

际试验结果进行设置与调整。

3
有限元方法分析汽车碰撞安全性的研究现状

3 .1
国内的研究状况

1992
年我校宗子安教授将
D
丫
NA3 D
引进我国
,
并利用该程序进
行了假人碰撞试验的有限元分析等研究。
钟志华校长提出汽车碰撞分
析的有限元法
,
还用
DYN A3 D
软件对驾驶员与安全带构造了碰撞模
拟模型。吉林工业大学和长春汽车研究所合作在
sG I
图形工作站上
建立了国内第一个比较完善的整车碰撞分析模拟
,
并通过可视化技
术得到了车身结构碰撞变形完整过程的模拟结果。总的说来
,
国内在
汽车碰撞安全性这一领域的研究起步较晚
,
所做的基础研究工作还
相当有限
,
直到目前
,
也还受到计算机软件、硬件试验条件以及资金
投入的限制。因此
,
仿真计算中车辆碰撞模型的建立、仿真计算参数
的选择以及仿真方法的研究等方面的工作有待进一步深人
,
并且仿
真计算的精度及其实用性也有待于提高。

3. 2
国外的研究状况

国外对汽车碰撞分析的研究比较早
,
较早开展汽车碰撞分析研究的
是美国。早期汽车碰撞研究主要是进行各种条件下的碰撞试验
,
包括
实车碰撞试验和模拟碰撞试验。
90
年代以后发展了基于碰撞有限元


理论的计算机仿真技术
,
目前国外在这一领域的相关研究大多采用
这一技术
,
。

目前
,
对汽车碰撞安全性的仿真研究涉及面相当广泛
,
如车体结构、
碰
撞保护措施、人体生物力学等
,
具体的求解计算内容大致包括两个方
面
:
¹

用有限元方法计算汽车碰撞过程中车身、车架等的变形及动态
响应
;
º

用有限元方法或多刚体动力学法计算人体
(
即车内乘员
)
在
各种碰撞条件下的响应。
与这些研究相关的最基本也是最复杂的工作
是建立能真实反映实际碰撞状况的数学模型
,
这些模型可分为集中
质量模型、多刚体系统模型或有限元模型等
,
每一类模型的建立要根
据不同的条件以及特定的分析目的。
如
:
¹

根据各种碰撞条件可建立车
辆正面碰撞模型、
侧面碰撞模型、
尾部碰撞模型或者部件碰撞模型等
;
º

根据不同的乘员特征建立各类假人模型
;
根据人体局部损伤分析的
需要建立人体局部结构的生物力学模型
;
研究乘员与约束系统碰撞时
建立约束系统的模型等。另外
,
目前国外对汽车碰撞的仿真研究大多
强调最后的阶段
,
即建立大量有限单元的整车模型
(
单元数从
2
万
到
10
万或更多
) ,
对整车结构进行最终碰撞性能的校核。然而
,
在一
般车辆的初始设计阶段
,
可能没有制作详细的车辆碰撞校核模型所
需要的信息和时间
,
因此
,
简单化的碰撞仿真设计方法和手段在实际
的应用中更受欢迎。

4
有限元方法分析汽车碰撞安全性的发展趋势

国际上早在
20
世纪
50
年代末、
60
年代初就投人大量的人力和物
力开发具有强大功能的有限元分析程序。
当今国际上有限元方法和软


件发展呈现以下一些趋势特征
:
( l)
从单纯的结构力学计算发展到求解许多物理场问题有限元分析方
法
,
最早是从结构化矩阵分析发展而来
,
逐步推广到壳和实体等连续
体固体力学分析
,
实践证明这是一种非常有效的数值分析方法。而且
从理论上也己经证明
,
只要用于离散求解对象的单元足够小
,
所得的
解就可足够逼近于精确值。

( 2 )
由求解线性工程问题进展到分析非线性问题
,
随着科学技术的
发展
,
线性理论已经远远不能满足设计的要求。

( 3 )
增强可视化的前置建模和后置数据处理功能
,
早期有限元分析
软件的研究重点在于推导新的高效率求解方法和高精度的单元。

(4 )
与
c AD
软件的无缝集成
,
当今有限元分析系统的另一个特点是
与通用
cAD
软件的集成使用
,
即在用
cAD
软件完成部件和零件的
造型设计后
,
自动生成有限元网格并进行计算
,
如果分析的结果不符
合设计要求
,
则重新进行造型和计算
,
直到满意为止
,
从而极大地提
高了设计水平和效率。

主要看你的技术 不用看书啊

　　随着中国汽车工业的飞速发展和汽车保有量的大幅提高，我国每年由于交通事故造成的人员伤亡和财产损失也在随之大幅的增加。汽车的被动安全性能也就自然而然的越来越受到广大国人的关注。厂家也越来越多的把自己产品的安全性当作宣传的重点，越来越多的世界最新的安全技术研究成果被引进中国，越来越多的中国的工程师和研发人员开始专注于这一领域。NCAP体系被引入中国，各种CAD、CAE以及碰撞计算软件被引入中国。好像世界有的我们都有了，世界在做的事情我们也都在做。别人有LS-Dyna、Hyperworks、Madymo和Radioss，我们都有。别人在做整车碰撞建模、模拟、结构优化和数字假人（Dummy）建模，这一切我们也都在做。那么我们就要问，我们在汽车安全技术研发上还缺少什么。答案是：好像什么都不缺了。

　　碰撞的建模、模拟与结构优化以及汽车碰撞安全评价体系，这一切都是汽车被动安全技术开发这棵大树枝和叶。真正支撑这棵大树的根基却并不太招人重视。其实如果要问这个根基是什么，那么就要自问一下，技术研发的根基是什么了。是现实，在现实中发现问题（problemidentification），通过科学的手段解决了现实的问题。这是个技术开发的普遍过程。对于研发人员来说，首先要清楚的了解现实问题是什么，才可以有针对性地解决问题。这个道理放在汽车被动安全技术的研发上，对于我们这些工程师，首先最重要的是清楚的了解在道路上发上了什么。然而每天甚至每一分钟世界上都在发生着各种千奇百怪的交通事故，如何才能把握交通事故的主流，世界主要发达国家的方法都是建立本国的交通事故详细信息数据库，通过交通警察、急救医生和保险公司的合作将全国的比较严重的交通事故的全面、深入、详细的信息记录在数据库中。经年累月这庞大的交通事故数据系统就成为了汽车被动安全研发人员了解本国道路交通事故特征，在现实中确定问题（problemidentification）以及验证最新碰撞理论的不可缺少的信息来源于基础。同时交通事故详细信息数据库的建立还催生了一门新的学科，交通事故统计分析学。

　　下面举几个例子来说明交通事故详细信息数据库在被动安全研究中的例子。

　　其一，现在很多人都在议论，新车安全评价体系到底能不能真实的反应汽车的安全性。现实生活中的交通事故千差万别，不同的接近速度，不同的角度，不同的重叠度。而评价体系中也就那么几种实验设置（crashconfiguration），如何能保证被测车辆在现实事故中的表现和评价体系的成绩一致。这就不得不提，安全评价体系的设计思想了。现实中的事故千差万别，如果为了全面验证车辆的安全性就将车辆经来可能要面对的所有碰撞统统测试一遍，恐怕也废掉百十辆车，不说价值几百万的迈巴赫，就是几万块的QQ这一趟安全试验下来也恐怕没几个人愿意承担这个费用。所以只能用尽可能少的实验设置来覆盖尽可能多的现实事故类别，而且要尽可能将道路上的主流碰撞模式反映出来，也就是什么模式发生的频繁，在什么速度的情况下发生碰撞的几率大。而这一切都需要交通事故详细信息数据库的帮助。这也就是为什么在评价体系中的偏置重叠率（overlap）为40%，而不是60%或20%的原因；为什么偏置碰撞的接近速度为56kmh，而不是其他的速度。当然实验的设置还要考虑其他因素，但统计数据绝对是重要的决策基础。而世界各地区的交通事故情况不尽相同，也就造成了各地区评价体系间的差异。

　　其二，被动安全的很多理论都要是通过对交通事故的统计分析来验证才能被同行认同接受。比如有人提出在装备了安全气囊而且在碰撞中驾驶室基本没有变形的情况下，汽车在碰撞中的速度变化绝对值（DeltaV）是决定乘员受伤程度（MAIS）的主要决定性因素。那么如果他想让同行们广为接受他的这个理论，他就必须通过交通事故详细信息数据的统计分析证明车辆碰撞速度变化（DeltaV）与乘员受伤程度（MAIS）具有统计学意义上的高度相关性。

　　现在我们回到我文章的主题，我们中国的工程师根据什么来研发汽车安全技术，更具体些我们根据什么来研发针对中国的汽车安全技术。我们中国现在还没有国家或区域性交通事故详细信息数据库，而且现在好像也还没有意向要建立这么个这么个事故详细信息数据库。或者说我国还没有意识到这个事故详细信息数据库的重要性。此外，技术和产品可以从国外引进，但把美国或欧洲的交通事故数据引进过来恐怕也有些不妥。毕竟美国、欧洲的地区车辆组成，个人驾驶习惯、交通法规以及碰撞模式和中国有很大的不同。即使我国的研发人员发扬国际主义精神用欧美的事故数据义务针对欧美人民开发汽车安全技术，顺带着给中国人民做点好事，可欧美的事故数据实在不是我们能够承受的奢侈品。美国的情况我不太了解，在德国如果需要德国的GIDAS(GermanIn-depthAccidentStudy)，每条有效的事故数据需要支付20欧元（相当于200多块人民币）的使用费用，而稍微有点统计基础的人都清楚做个简单的统计百十条数据都是不够用的，更别说大规模复杂的统计了。

　　中国已经成为了汽车制造大国，中国也已经成为汽车消费大国，现在大家的目光是不是该转向汽车技术的研发上了呢。中国是不是到了应该为成为汽车技术的大国而努力的时候了呢。有关部门和大的汽车企业是不是到了该考虑建立中国自己的交通事故详细信息数据库为自主的汽车安全技术研发提供平台和支持的时候了呢。

　　汽车碰撞测试的市场命运
　　安全性能检测不但成为国家标准、行业热点，也成为汽车厂商市场推广的重要手段。一向安
　　全口碑不太好的日系企业对此尤其重视，广州本田的国内首次车对车碰撞试验、一汽丰田锐志的
　　正面偏置碰撞试验，都在试图扭转消费者的偏见。而对于自主品牌，树立安全、可靠的口碑也是
　　提升品牌形象的重要一环。一汽奔腾上市前的碰撞、侧翻等试验，以及长城哈弗的正碰和侧碰试
　　验，都较好地起到了这一效果。
　　企业主动打出碰撞营销牌，且都采用了比现行国标更高的标准，足见汽车碰撞测试的市场潜
　　力。在C—NCAP 正式实施的同时，国内还有几家机构表示将进行NCAP 项目。清华大学与北京
　　大陆汽车俱乐部年初推出NCAP CHINA，各项准备工作正在进行中。
　　客观、公正是 C—NCAP 一直强调所要遵循的准则，也是业界关注的焦点。中国汽车技术研
　　究中心称，试验车辆以市场购买方式得到，对于企业的委托评价，也将严格按照选车程序从市场
　　上购车进行。试验结果也将直接通过媒体向消费者进行宣传，从而达到指导消费的目的，并最终
　　拉动汽车厂商重视汽车的安全性能，积极改进车辆安全。然而，测试机构的不断承诺似乎还是不
　　能让大家放心，碰撞测试试验体制的健全才是保证公正性的有效途径。在国外，NCAP 的实施过
　　程往往有保险公司的参与，如美国保险非营利团体等。考虑到汽车安全性能与自身收益的相关性，
　　保险公司加入后对碰撞测试能起到一定的监督作用。C—NCAP 似乎也应该引入一个制约机构，
　　以确保其客观、公正性。
　　NCAP 是什么（链接）
　　NCAP 即为新车安全评价规程，是由中立的第三方建立的一套车辆安全评价体系，可以对车
　　辆的安全性能进行定量分析。它所规定的实车碰撞速度比政府制定的安全法规的碰撞速度要高，
　　从而在更严重的碰撞环境下评价车内乘员的伤害程度，根据头部、胸部、腿部等主要部位的伤害
　　程度将试验车的安全性进行分级。
　　根据各国车辆构成情况、碰撞事故特点、技术水平等原因，每个国家所实行的NCAP 在试验
　　项目、试验条件、撞击速度和撞击形式等方面都有所差异。
　　NCAP 最早于1978 年出现在美国，进入20 世纪90 年代后，欧洲、日本和澳大利亚等也相继
　　建立了自己的NCAP 体系，分别被称为美国的NHTSA—NCAP、欧洲的Euro—NCAP 和日本的J
　　—NCAP。其中欧洲的NCAP 最具影响力和代表性。它由欧洲各国汽车联合会、政府机关、消费
　　者权益组织、汽车俱乐部等组织组成，是不依附于任何汽车生产企业的独立的第三方机构，所需
　　经费由欧盟提供，不定期对已上市的新车和进口车进行碰撞试验。
　　欧洲 Euro—NCAP：碰撞测试有两个基本项目，即正面和侧面碰撞。正面40%重叠可变形壁
　　障碰撞试验时速64 公里，可变形壁障侧面碰撞试验时速50 公里。碰撞测试成绩最高5 星，最低
　　1 星。近年Euro—NCAP 也将汽车对行人保护程度划分为四星级。
　　美国 NHTSA—NCAP：对车辆的测试主要包括正面碰撞时速56 公里、侧面碰撞时速62 公里，
　　以及抗翻滚测试等，评测结果也用星级来表示，最高5 星，最低1 星。
　　日本 J—NCAP：试验项目主要包括正面碰撞、偏置碰撞、侧面碰撞、制动性能和行人头部保护。正面碰撞时速为 55 公里；偏置碰撞时速64 公里；侧面碰撞时速55 公里；行人头部保护试
　　验是以时速35 公里的速度用模拟假人头部的冲击锤碰撞发动机舱，测量伤害值。最高6 星，最低1 星。
　　中国 C—NCAP：测试项目包括三项，一是正面100%重叠性壁障碰撞试验，时速不低于50公里；二是正面40%重叠可变形壁障碰撞试验，时速不低于56 公里；三是可变形移动壁障侧面碰撞试验，时速不低于50 公里。最高6 星，最低1 星。

2006年下半年，中国汽车技术研究中心参照国际NCAP规程，结合中国交通事故中车体以及车内人员所受到的实际损害统计参数，推出了符合中国道路交通事故特点和车辆使用习惯的新车安全评估体系C—NCAP。截至目前，汽研中心相继公布了近40款车型的评价结果，绝大多数为市场上热销车型。

C-NCAP侧重对整车被动安全性能的评价，项目中暂时未涉及Euro-NCAP等国外评测机构设置的诸如行人和儿童保护、侧面撞柱子等项目，但却增加了欧洲Euro-NCAP所没有的后排假人测试项目。由于日本、北美等各国关于汽车安全评测标准之间也存在差异，同一款车型在不同国家测评结果不同的现象比比皆是，而对于权威性，往往各执一词。

随着C-NCAP在汽车企业以及消费者心目中影响力日益扩大，作为中国目前唯一的汽车安全评估体系，C-NCAP的生存模式以及发展状况成为业界关注的焦点。近日，《第一财经日报》专访了中国汽车技术研究中心汽车标准化研究所所长、C-NCAP管理中心副主任吴卫。

《第一财经日报》：与欧洲Euro-NCAP、日本以及北美NHTSA等安全测试相比，C-NCAP在评测项目方面有哪些不同？

吴卫：我们设计了符合中国情况特点的评价方法，从测试项目上有三项内容，正面碰撞试验包括100%正碰和40%偏置两项试验，还有一项侧面碰撞试验。从国际上看，作为整车碰撞实验，我们的项目是比较齐全的，而且这三项试验在碰撞事故中，所占比率比较高，我们重点考虑安全测试的均衡性和协调性，而非追求某一项试验的技术尖端性。

《第一财经日报》：国外的评测项目比C-NCAP车速更高，项目更多（如：翻滚、行人和儿童保护、侧面撞柱子等），两者在合理性上有没有区别？

吴卫：从技术角度讲，我们并不觉得欧洲更权威，因为不同地区有不同特点，欧洲NCAP在发展过程中，根据技术发展、消费者对安全性的认识，也在不断改变项目。中国在借鉴国外研究结果过程中，分析了更适合中国路况、交通事故的情况，以及中国汽车工业的水平将来的发展方向，比如欧洲有一个选做项目叫做碰柱子实验，在欧洲可能发生类似的事故比较多，但在我们分析看，在中国这个项目也不是完全合理，所以就没列入项目中。

我们更追求测评的均衡性，比如碰撞时速并没有选择64公里这个Euro-NCAP的标准，而是降低到56公里，是因为经调查发现，中国绝大多数交通事故是发生在时速56公里以下的。去年美国国家公路安全局也发现，在死亡率比较高的事故中，车速大多在四五十公里，说明追求速度无限提高并不是合理的方向。

C-NCAP也有比欧洲超前的试验项目，比如在后排增加了一个女性假人，车身质量有所增加，实际上这个项目也很苛刻，这是领先欧洲的。

《第一财经日报》：如何看待同一款车在不同地区结果不同？

吴卫：因为不同国家的评测项目不同，就会出现这种情况，比如欧洲、澳大利亚认为正面40%偏置碰撞在事故中代表性更强，就以偏置为主，而有的国家以100%正碰为主或者两项都做，方法本身存在固有的差异，这就要求汽车企业要把车设计得更均衡，结果才不会存在太大差异。另外有的企业在各个市场的定位不一样，营销策略不同也会导致在设计上有不同的取向。

《第一财经日报》：C-NCAP的实验车辆都是在企业不知情的前提下自行在市场上购进的，作为国资委下属的自收自支事业单位，如何在保证C-NCAP独立性的前提下，确保充足的试验资金？

吴卫：资金不是问题，C-NCAP本身属于汽研中心的特殊科研项目，卖车、设备维护的钱属于研发经费的一部分，每年在1000万元左右，而汽研中心一年营业额七八亿元人民币，每年会拿出1亿元左右投入到中心的基础建设，科研经费有三五千万元，所以并不担心资金问题。

另外，随着企业对C-NCAP认可程度越来越高，也会主动提出提供购车资金参加测评，但我们的原则是此类车数量不能超过全年车型总数的1/3。

《第一财经日报》：从此前的碰撞结果来看，日系车得分略高于德系车、美系车，是否意味着日系车较其他车系车更安全？

吴卫：首先并不能简单地从分数的细微差别上得出谁更安全的结论，我们认为四星以上这一档次的车型安全性已经很不错了，当然五星更完美。其次车身的变形程度和驾乘者的受伤害程度是两个概念，以前认为日系车发生事故后车身扭曲严重，就认为日系车安全性不高，实际上并非如此，有时恰恰相反，碰撞安全性是评价人在发生事故中人受伤害的风险程度，而不是对车子形态的评价。因此，片面认为日系车安全与否都是不客观的。

《第一财经日报》：中国自主品牌汽车在碰撞实验中获得的成绩普遍不高，对此有何评价？

吴卫：中国自主品牌进步很快，但是这个进步在C-NCAP试验中还需要一段时间来验证，因为很多自主品牌企业在开发上已经提高了要求，增加了投入，但是如果把投入的效果反映到产品上，还需要一个过程，研发的提高意味着要增加成本，况且我国自主品牌起步多数以经济型车起步，走低价路线，可能有先进技术，但未必能有足够的能力将其应用到产品上。

中国自主品牌到目前为止还没有主动提申请来做碰撞实验，如果自主品牌提出申请，我们会优先满足。

《第一财经日报》：C-NCAP今年的发展计划以及目标？

吴卫：C-NCAP刚运作两年，总体上还是保持平稳运行，我们每年会跟国外的安全测评机构交流，值得学习的地方我们会借鉴。车型数量至少会保持去年的水平，品种上会更全面，企业覆盖面也会更广泛。

在目前来看，没有哪个国家是最权威的，各有各的特点，只能说互相学习借鉴交流，其他国家相关机构也很关注C-NCAP的动向。将来希望C-NCAP能够在世界上具有一定的影响力

中国已经成为了汽车制造大国，中国也已经成为汽车消费大国，现在大家的目光关注已是一个热点，中国汽车的安全问题。中国在借鉴国外研究结果过程中，分析了更适合中国路况、交通事故的情况，以及中国汽车工业的水平将来的发展方向，比如欧洲有一个选做项目叫做碰柱子实验，在欧洲可能发生类似的事故比较多，但在我们分析看，比如碰撞时速并没有选择64公里这个Euro-NCAP的标准，而是降低到56公里，是因为经调查发现，中国绝大多数交通事故是发生在时速56公里以下的，在这里中国的一些车子，在经济的基础和法规的作用下，一些制造业就利用了本身车子的材料和一些设计手法，把一些车子的部位做了改进。【具体不说了】
一般在中国做碰撞试验，很多车子是在作秀，有些车子都是特别制作再送过去检验，在这里不是说中国车业不行，而是中国在在大环境里是在进步，是在发展只是还不够。
多的不说了，下边几位的资料还是很详细的！仔细看啊，不过中国自主品牌很多，基本现在都在走‘廉价路线’，以绝对性价比，来吸引大众。毕竟中国企业现在所针对的不是汽车的安全，而是汽车消费人群的‘多’数消费观念，企业在发展所要面临的问题还很多。
许多企业只是暂时不打破‘中国潜规则’。因为中国的消费者还是很好糊弄的

汽车的被动安全性能也就自然而然的越来越受到广大国人的关注。厂家也越来越多的把自己产品的安全性当作宣传的重点，越来越多的世界最新的安全技术研究成果被引进中国，越来越多的中国的工程师和研发人员开始专注于这一领域。

中国汽车安全的发展肯定是紧跟欧洲的标准

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