1 概述
汽車的被動(dòng)安全性更是汽車產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的重要標(biāo)志，也成為新車設(shè)計(jì)所應(yīng)考慮的主要因素。汽車被動(dòng)安全性能已是當(dāng)今世界汽車技術(shù)發(fā)展的主流方向之一。汽車被動(dòng)安全性設(shè)計(jì)是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程，其根本任務(wù)是通過合理設(shè)計(jì)控制汽車碰撞中結(jié)構(gòu)部件的變形、受力和相互作用，使造成的成員傷害降到最低限度。汽車的被動(dòng)安全性設(shè)計(jì)實(shí)際上就是尋找為保證碰撞安全所愿付出的代價(jià)與可能造成乘員傷害的一種平衡?，F(xiàn)今的車身結(jié)構(gòu)應(yīng)具有良好的耐撞性，高強(qiáng)度化特性。在汽車碰撞中，車身是吸收能量的主體，車身的安全設(shè)計(jì)水平，主體上決定了車輛的被動(dòng)安全性能。通過某些國產(chǎn)車型耐撞性改進(jìn)成功設(shè)計(jì)實(shí)例，探索出汽車被動(dòng)安全設(shè)計(jì)和改進(jìn)的規(guī)律，積累汽車耐撞性改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)可以大幅度的降低研發(fā)成本，減少盲目探索。
2 碰撞法規(guī)與車身的碰撞特性
國際上具有代表性的汽車碰撞安全法規(guī)及技術(shù)法規(guī)共有三大體系，即美國聯(lián)邦機(jī)動(dòng)車安全法規(guī)(FMVSS)、歐洲汽車法規(guī)(ECE)、日本保安基準(zhǔn)(TRIAS)。在國際大背景下，我國積極參與國際汽車技術(shù)法規(guī)制定和協(xié)調(diào)工作，并參考?xì)W洲技術(shù)法規(guī)制定了我國的汽車強(qiáng)制性正碰標(biāo)準(zhǔn)體系(CMVDR294)，側(cè)碰標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施也將是必然趨勢(shì)。
汽車是一個(gè)具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的高速運(yùn)動(dòng)物體，其碰撞形式歸納起來可大致分為三種形式：正面碰撞、側(cè)面碰撞和后面碰撞，另外還有車碰行人與翻車等。根據(jù)資料(如圖1)可知，汽車發(fā)生正面碰撞(包括斜碰)的概率在40%左右。因此以正面碰撞特性為主要依據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)降低乘員的傷害將非常重要。圖1 包含所有傷害類型的撞擊事故的概率分布，圖 2 給出了汽車車頭的理想變形特性曲線。
圖1 所有傷害類型的撞擊事故的概率分布
圖 2 汽車車頭的理想變形特性曲線
所謂良好的吸收特性：一方面，汽車的前部結(jié)構(gòu)要盡可能多地吸收撞擊能量(如圖2 所示的頭部理想變形特性曲線)，使作用于乘員上的力和加速度控制在規(guī)定的范圍內(nèi)；另一方面，控制受壓各部件的變形形式，防止車輪、發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱等剛性部件侵入駕駛室。
3 安全的車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1 基本思想
從車輛的安全角度劃分，可把整個(gè)車身分為三個(gè)部分：前撞部分、乘員乘坐部分和后撞部分。車身的三個(gè)部分的設(shè)計(jì)要求不盡相同。前、后撞部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要相對(duì)乘員乘坐部分“軟”，當(dāng)車輛發(fā)生碰撞時(shí)，“碰撞部分”應(yīng)盡可能多變形以吸收撞擊能量，剩余能量盡可能的傳至大梁、立柱等處。換言之，通過良好的能量傳遞途徑，盡可能少的將能量傳至乘員乘坐部分。乘員乘坐部分的結(jié)構(gòu)要設(shè)計(jì)得“硬”。從車輛的安全角度看，乘員區(qū)是車輛最重要部分，為保證乘員安全，這部分應(yīng)盡可能減少變形，原因是車身變形可直接傷及乘員或直接影響乘員在發(fā)生事故后的逃逸性能。，考慮撞車安全性的車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本思想是利用車身的前、后部有效地吸收撞擊能量。車室要堅(jiān)固可靠，確保乘員的有效生存空間，即從安全角度看，車身總的設(shè)計(jì)原則是：兩頭“軟”，中間“硬”。
與正面碰撞相比，側(cè)面碰撞車身變形空間小，對(duì)乘員的危害較大，因此，增加車室剛度，保證乘員的有效生存空間顯得尤為重要。為了加強(qiáng)乘員保護(hù)，車門、門檻和立柱都要設(shè)計(jì)成剛性結(jié)構(gòu)，并且越來越多的采用防側(cè)碰安全氣囊，來減輕乘員因二次碰撞造成的傷害。實(shí)現(xiàn)側(cè)面碰撞防護(hù)的指導(dǎo)思想是：將側(cè)碰力有效地轉(zhuǎn)移到車身具有保護(hù)作用的梁、柱、地板、車頂及其它部件，使撞擊力被這些部件分散、吸收，從而極大限度的把可能造成的損害降低到最小程度。一般多采取增加車門強(qiáng)度、增加側(cè)圍物件的強(qiáng)度、增加門檻梁強(qiáng)度、合理設(shè)計(jì)門鎖及門鉸鏈等措施達(dá)到上述目的。
安全的車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本思想是利用車身的前后部最大可能的有效吸收撞擊能量，使乘員在有足夠的有效生存空間的前提下，讓傳遞到乘員的碰撞能量最小。奔馳公司將這種思想稱為安全室構(gòu)造準(zhǔn)則。圖3 是該準(zhǔn)則的概念圖，陰影線部分描述的是撞車時(shí)希望產(chǎn)生變形的區(qū)域。
圖3 安全室構(gòu)造
4 車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全對(duì)策
基本的車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不但決定了車身的整體變形方式和損害程度，還確定了汽車碰撞中的加速度變化。結(jié)構(gòu)的耐碰撞性設(shè)計(jì)是汽車具有良好被動(dòng)安全性的基礎(chǔ)。該種設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于對(duì)結(jié)構(gòu)碰撞非線性響應(yīng)的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。汽車結(jié)構(gòu)碰撞響應(yīng)是個(gè)極其復(fù)雜的過程，在不同時(shí)速、不同情況下，碰撞響應(yīng)是不同的。為了滿足不同情況下的碰撞安全要求，在車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需要從汽車的整體結(jié)構(gòu)考慮，并將新材料、新工藝的研究成果應(yīng)用到車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上來。
4.1 低速( 8km/h)碰撞行人對(duì)策
該種碰撞速度標(biāo)準(zhǔn)的目的是保護(hù)行人安全、降低行人的傷害程度，并使汽車重要部件免遭損壞，節(jié)約因撞車造成的維修費(fèi)用。與此相對(duì)應(yīng)，設(shè)計(jì)車身結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)考慮如下措施：采用吸能式保險(xiǎn)杠，減輕一次碰撞傷害；將風(fēng)窗玻璃框架外部設(shè)計(jì)成軟結(jié)構(gòu)，減輕行人因二次碰撞造成的對(duì)行人頭顱和胸部等部分的損害；將門把手等裝置設(shè)計(jì)成內(nèi)凹式；采用具有緩沖機(jī)構(gòu)的后視鏡等措施。防止車外凸出物對(duì)行人三次碰撞傷害。例如筒狀能量吸收式裝置、利用泡沫材料作為能量吸收體。
4.2 正面碰撞(48km/h)安全對(duì)策
正面碰撞在汽車事故中發(fā)生頻率最高，主要保護(hù)措施是利用汽車前部的壓潰變形吸收能量，緩解碰撞加速度；加固車身駕駛室結(jié)構(gòu)，保證乘員有足夠的生存空間，即采用“高吸能前部結(jié)構(gòu)”和“高剛性車室結(jié)構(gòu)” 相結(jié)合的安全強(qiáng)化車體。并利用安全帶、安全氣囊等乘員保護(hù)裝置，防止乘員因二次碰撞造成傷害。要想從根本上解決問題，我們需要從以下方面入手：
(1) 保證基本的許可變形量。許可變形量，決定了碰撞過程中的平均減速度。汽車的縱向變形量與平均減速度是成反比的。平均減速度作為汽車結(jié)構(gòu)耐碰撞性的主要設(shè)計(jì)指標(biāo)，在設(shè)計(jì)開始階段就必須綜合考慮確定。
(2) 保證基本的許可變形空間。保證許可變形空間是指汽車在發(fā)生正面碰撞后，前部變形區(qū)域不會(huì)對(duì)乘員形成威脅和傷害，而且包括前部許可變形區(qū)域內(nèi)的塑性變形不會(huì)導(dǎo)致在碰撞過程中車門打開、碰撞后車門鎖死等狀況發(fā)生。
(3) 調(diào)整截面形狀(通過吸能筋與加強(qiáng)筋的布置)、厚度、尺寸和結(jié)構(gòu)形式等使結(jié)構(gòu)的變形阻力保持在適當(dāng)水平，并重視局部弱化使整車剛度分配符合設(shè)計(jì)原則及能量吸收曲線圖。
前門檻斷面 前縱梁斷面
圖4 增大撞擊吸收能量的腔型結(jié)構(gòu)
4.2.1 汽車前部構(gòu)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
汽車前部構(gòu)件的碰撞能量主要依靠物件的彎曲變形和壓潰變形來吸收。實(shí)際上這兩種吸能方式往往同時(shí)存在。設(shè)計(jì)這類梁的指導(dǎo)思想就是使其盡可能的沿著軸向壓潰變形，控制其彎曲變形量。對(duì)于縱梁的設(shè)計(jì)，可運(yùn)用有限元分析方法，同時(shí)對(duì)幾種方案進(jìn)行比較、優(yōu)化，確定截面參數(shù)，并由此計(jì)算出不同參數(shù)的能量吸收曲線，從而確定零件的最佳結(jié)構(gòu)與板料的厚度。圖5 給出了不同截面形狀的抗碰撞能力，圖6 示出了同一截面不同焊接形式的抗碰撞能力。
圖5 不同截面形狀的抗碰撞能力 圖6 不同焊接形式的抗碰撞能力
4.2.2 結(jié)構(gòu)筋的布置
在縱梁上合理布置加強(qiáng)筋和吸能筋(凸凹臺(tái))，可以有效地控制縱梁的變形，提高其能量吸收能力或增強(qiáng)其強(qiáng)度。圖7 示出了有凸臺(tái)和無凸臺(tái)兩種情況下邊梁變形過程的模擬計(jì)算載荷變化曲線。無凸臺(tái)的縱梁在發(fā)生明顯變形，吸收能量能力顯著下降。圖8 給出了常用加強(qiáng)筋和吸能筋(凸凹臺(tái))形式。
圖7 模擬結(jié)果-載荷曲線 圖8 突臺(tái)的三種形式
筋的剛性主要取決于它的深度。設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋應(yīng)注意：
(1) 加強(qiáng)筋的軸線必須直，否則在振動(dòng)時(shí)會(huì)引起扭轉(zhuǎn)。
(2) 必須沿支撐之間最短距離布置。
(3) 采用交叉筋時(shí)，應(yīng)考慮在交叉點(diǎn)容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，相對(duì)減小了交叉點(diǎn)的剛性。所以在交叉點(diǎn)要注意圓角過渡，圓角半徑應(yīng)大于筋的寬度的兩倍。
(4) 加強(qiáng)筋的形狀在平的或稍凸起的零件上，加強(qiáng)筋應(yīng)沿零件對(duì)角線布置，在深彎曲的零件上應(yīng)垂直于零件的彎曲軸線。
4.3 側(cè)面碰撞安全對(duì)策
汽車發(fā)生側(cè)面碰撞時(shí)車身空間變形小，為加強(qiáng)乘員保護(hù)，車門、門檻、立柱都要設(shè)計(jì)成剛性結(jié)構(gòu)，并應(yīng)考慮采用側(cè)面安全氣囊來減輕二次碰撞造成的傷害。實(shí)現(xiàn)側(cè)面碰撞防護(hù)的指導(dǎo)思想是：將側(cè)碰力有效地傳遞到車身具有保護(hù)作用的梁、門立柱、地板、頂蓋及其它部件，使撞擊力被這些部件吸收，從而極大限度地把可能造成的傷害降低到最小程度?？梢圆扇〉拇胧┯校?/SPAN>
(1) 增加車門強(qiáng)度：哈飛賽馬車采用高強(qiáng)度鋼板鍍鋅板(比傳統(tǒng)鋼板輕26%)或抗凹陷鋼板、增加防撞橫梁與剛性車身結(jié)合為一體，提高側(cè)面抗撞能力。車門內(nèi)板采用分體結(jié)構(gòu)，前部加厚滿足受力要求并增加剛性，后部變薄減輕重量。
(2) 增加側(cè)圍鈑金件的強(qiáng)度，包括增大A 、B、C 立柱的截面形狀，以及局部加強(qiáng)側(cè)圍與門加強(qiáng)件的接觸部位、立柱與門檻和車頂縱梁連接部位的強(qiáng)度，保證側(cè)碰力有效地傳遞到整個(gè)車身。
(3) 增加門檻梁強(qiáng)度。增強(qiáng)措施包括增大承載面積，在梁內(nèi)增加加強(qiáng)板，以及填充發(fā)泡樹脂等，哈飛賽馬車門檻加強(qiáng)梁采取不等厚鋼板等有效措施，保證撞擊力有效地分散給地板等其它物件。
(4) 在車身B 立柱高度上安裝橫梁系統(tǒng)，在儀表板下面以及后風(fēng)窗下面安裝加強(qiáng)橫梁。
(5) 對(duì)于前置后驅(qū)動(dòng)車合理設(shè)計(jì)地板中間的傳動(dòng)軸通道，對(duì)于提高汽車抗彎強(qiáng)度有一定作用。
(6) 合理設(shè)計(jì)門鎖及門鉸鏈，既要防止汽車發(fā)生側(cè)面碰撞時(shí)車門自動(dòng)打開，又要保證碰撞后車門不借助工具能夠開啟。同時(shí)增強(qiáng)車門鉸鏈有利于車門所受的撞擊力有效地傳給立柱。
4.4 其它安全對(duì)策
(1) 采用新材料。如鋁材具有規(guī)則的軸向壓潰特性，其單位質(zhì)量吸能率高于相應(yīng)鋼制沖壓構(gòu)件對(duì)于重量?jī)H為鋼制管37%的鋁管，可以吸收與鋼管相同的能量，奧迪A8 采用了全鋁制車身框架。
(2) 采用玻璃纖維增強(qiáng)塑料。由帶有聚氨基甲酸已]脂泡沫芯的夾層材料，和在兩層聚脂層之間填充金屬增強(qiáng)物質(zhì)制成的夾層結(jié)構(gòu)，比傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)具有更高的撞擊值。
(3) 用新的焊接工藝。如激光焊接方法大大改善了焊接處的連接強(qiáng)度，提高了整體的抗碰撞能力。
5 車身結(jié)構(gòu)耐撞性改進(jìn)設(shè)計(jì)步驟
5.1 耐撞性改進(jìn)設(shè)計(jì)步驟
(1) 在外型設(shè)計(jì)和總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之外，應(yīng)對(duì)碰撞法規(guī)體系進(jìn)行充分研究。首先預(yù)留出足夠的高速碰撞可變形空間，在保證變形區(qū)吸收足夠的撞擊動(dòng)能的前提下，控制變形剛度具有重要意義。依據(jù)汽車的允許變形量、平均減速度期望值、車重等因素估算主要吸能構(gòu)件的吸能能力，初步確定主要吸能構(gòu)件的結(jié)構(gòu)形式、材料和幾何尺寸，利用簡(jiǎn)化邊界條件進(jìn)行有限元分析，制作試件、并進(jìn)行試驗(yàn)。并用CATIA 或UG軟件建立整車幾何模型。
(2) 整車碰撞有限元模型建立及初步分析：應(yīng)用前后兩級(jí)網(wǎng)格劃分單元格：前部主要變形區(qū)網(wǎng)格密集，最小單元尺寸為5mm，以提高模擬精度。對(duì)于關(guān)鍵零件之間連接，如前、后懸架與整車、轉(zhuǎn)向梯形與懸架系統(tǒng)、傳動(dòng)軸之間等的運(yùn)動(dòng)學(xué)連接，采用柱鉸、球鉸、移動(dòng)副等多種連接方式，確保約束關(guān)系同整車實(shí)際運(yùn)動(dòng)關(guān)系相符。
(3) 車身結(jié)構(gòu)部件優(yōu)化設(shè)計(jì):根據(jù)整車計(jì)算結(jié)果調(diào)整主要受力構(gòu)件剛度，主要吸能構(gòu)件的變形模式和能量吸收能力滿足整車剛度分配，確保主體耐撞結(jié)構(gòu)以漸進(jìn)的、穩(wěn)定的壓縮變形模式吸收碰撞動(dòng)能。
(4) 碰撞時(shí)破壞方式和減速度曲線基本確定后，進(jìn)行轉(zhuǎn)向盤移動(dòng)量、全風(fēng)窗玻璃的破壞程度、座椅和假人傷害指標(biāo)等的數(shù)值分析。
(5) PAM-CRASH 軟件進(jìn)行碰撞仿真分析：根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)化局部結(jié)構(gòu)，完善有限元計(jì)算模型。
(6) 試制整車并進(jìn)行實(shí)車碰撞試驗(yàn)。根據(jù)碰撞結(jié)果進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。
5.2 現(xiàn)階段廣泛應(yīng)用于車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的各類計(jì)算機(jī)輔助功能軟件
6 被動(dòng)安全性的設(shè)計(jì)實(shí)例
碰撞中，汽車結(jié)構(gòu)的變形是非線形變形過程，既存在材料非線形，也存在幾何非線形。車架是主要的吸能元件，其吸能變形形式?jīng)Q定了整車的變形形式和安全性。下例為某公司改型車的車架部分設(shè)計(jì)實(shí)例。
6.1 建立數(shù)學(xué)模型
利用CATIA 軟件建立整車零件的數(shù)學(xué)模型，原則是：①簡(jiǎn)化計(jì)算，利用對(duì)稱關(guān)系，選車架為研究對(duì)象；②設(shè)置與實(shí)際相符的約束條件；③設(shè)置準(zhǔn)確的材料，建立硬化材料模型④用能量控制原則，控制結(jié)構(gòu)變形。圖9 為改進(jìn)前、后的車架有限元模型。
6.2 碰撞模擬分析
用PAM-CRASH軟件進(jìn)行碰撞模擬分析表明，水平力對(duì)新車架產(chǎn)生力偶矩的作用，結(jié)構(gòu)有彎轉(zhuǎn)的趨勢(shì)，即車架此時(shí)會(huì)產(chǎn)生兩種變形：①車架的水平壓潰使前部能量吸收達(dá)不到70%，A 立柱后移量達(dá)150mm 以上。②車架結(jié)構(gòu)彎點(diǎn)彎曲變形，使整車碰撞后失穩(wěn)。
6.3 制定具體實(shí)施方案
(1)經(jīng)過多次模擬試驗(yàn)后確定車體前部縱梁伸長(zhǎng)長(zhǎng)度，當(dāng)汽車發(fā)生正面碰撞時(shí)，為整車提供一定的緩沖區(qū)，同時(shí)起到吸能及傳遞能量的功用。
(2)利用能量遞增原則，軟化車體前部使其充分壓潰吸能；后部進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)計(jì)，增加彎點(diǎn)處的抗彎強(qiáng)度，改變梁的縱向趨勢(shì)，使最終車體前部發(fā)生壓潰變形吸能達(dá)到了80%以上，A 柱后移量控制在70mm 以內(nèi)。
(3)前段車架采取框架式空腔盒形結(jié)構(gòu)，如圖10 所示。
圖 10
在力學(xué)中，橫梁受力和撓度的關(guān)系遵循如下公式：
(f)p=pl3/48EI
式中，p 表示梁受到的力的作用，l 表示梁的長(zhǎng)度，E 表示材料的彈性模量，I 表示梁的慣性矩I=πd4/64?？梢?，受力相同，截面積越大，撓度越小。而腔形結(jié)構(gòu)不但使車體重量減少，而且車體的抗變形能力提高，從而使車體抗撞擊的能力增強(qiáng)。因此增加兩處槽形縱梁分別在左、右兩側(cè)焊接于地板前橫梁前側(cè)。
(4)利用左、右前縱梁連接件，采用交叉式焊接方式，將車架前段總成與左、右縱梁總成焊接為一體，充分保證接觸承載部分有機(jī)結(jié)合，避免失穩(wěn)。
7 結(jié)論
經(jīng)過幾次碰撞模擬和實(shí)車碰撞結(jié)構(gòu)分析，進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的車型充分滿足正碰法規(guī)系列指標(biāo)。汽車結(jié)構(gòu)的耐撞性設(shè)計(jì)是根據(jù)預(yù)先規(guī)定的各個(gè)相互關(guān)聯(lián)的零部件的變形方式和變形量確定合適的材料、結(jié)構(gòu)形式和尺寸。本文結(jié)合具體車型，將實(shí)車試驗(yàn)、計(jì)算機(jī)模擬和理論分析相結(jié)合，對(duì)汽車局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，大大提高了整車耐撞性能。
（轉(zhuǎn)載）
