提高汽車結(jié)構(gòu)耐撞性的研究

考慮汽車結(jié)構(gòu)的安全性，可以在汽車發(fā)生碰撞、側(cè)翻等事故時，降低損傷。耐撞性對汽車碰撞安全非常重要。提高汽車耐撞性，可以在發(fā)生碰撞事故時，保護(hù)駕駛員和乘員安全，減少對行人等造成的傷害，將損失降到最低。

文獻(xiàn)[1]介紹了多目標(biāo)知識庫的構(gòu)建，基于知識庫進(jìn)行耐撞性車身設(shè)計；文獻(xiàn)[2]對汽車結(jié)構(gòu)耐撞性優(yōu)化設(shè)計進(jìn)行介紹，在保證汽車輕量化的同時，保證耐撞性；文獻(xiàn)[3]對復(fù)合材料保險杠吸能盒結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行介紹；文獻(xiàn)[4]介紹了一種新型保險杠結(jié)構(gòu)，在發(fā)生汽車碰撞事故后，可以自動恢復(fù)形狀，保證安全性的同時，節(jié)約更換保險杠的成本；文獻(xiàn)[5]對汽車碰撞事故數(shù)據(jù)分析方法進(jìn)行研究，從大量事故中得出結(jié)論，可以指導(dǎo)汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高汽車安全，減少碰撞事故造成的損傷。

1 高耐撞性汽車車身設(shè)計方法[1]

汽車應(yīng)有較好的耐撞性，能夠減小乘客、行人和其他汽車在碰撞事故中受到的傷害。對汽車車身部件進(jìn)行設(shè)計，使其在碰撞事件中可以吸收足夠的能量，從而保證車廂的完整性。采用多目標(biāo)知識庫方法，可以快速進(jìn)行車身設(shè)計。

在車身概念設(shè)計階段，采用多目標(biāo)知識庫方法，首先根據(jù)確定的碰撞情況和車身部件結(jié)構(gòu)，為部件選擇合適的橫截面幾何形狀和材料，接著為車身部件設(shè)計詳細(xì)的結(jié)構(gòu)，保證汽車在碰撞事故中可以吸收足夠的能量，從而保證當(dāng)發(fā)生碰撞事故時，乘客艙的完整性。

多目標(biāo)知識庫的數(shù)據(jù)來源于汽車有限元碰撞仿真，通過有限元方法，對大量汽車碰撞過程進(jìn)行仿真分析，提取車身部件橫截面幾何形狀和仿真結(jié)果獲得多目標(biāo)知識庫所需數(shù)據(jù)。由于該方法采用面向性能的設(shè)計理念，在進(jìn)行車身部件結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計階段所需的優(yōu)化時間可以大大減少。

2 汽車結(jié)構(gòu)耐撞性優(yōu)化設(shè)計研究[2]

汽車安全變得越來越重要，需要進(jìn)行提高汽車結(jié)構(gòu)的耐撞性的研究。同時，環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展日益受到關(guān)注，這又推動了汽車輕量化的研究。汽車行業(yè)已對這兩個相互矛盾的方面進(jìn)行了大量研究。其中，汽車結(jié)構(gòu)耐撞性和能量吸收的優(yōu)化已成為有關(guān)社會安全和經(jīng)濟(jì)效益的重要研究課題之一。

每年，全球約120萬人因車禍死亡，成為現(xiàn)代社會面臨的最大的公共健康問題之一，這加重了社會經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。研究表明，進(jìn)行汽車結(jié)構(gòu)的耐撞性設(shè)計，可以有效解決汽車安全問題，減少至少43%的潛在傷亡的發(fā)生。

為了評估汽車的耐撞性，歐盟建立了新車評價規(guī)程（NCAP），可為消費(fèi)者提供評級結(jié)果。另一方面，為了降低汽車油耗及保護(hù)環(huán)境，研究者已通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化及采用輕量化材料，進(jìn)行汽車輕量化設(shè)計。但是在進(jìn)行汽車輕量化設(shè)計的同時，要保證汽車的耐撞性。過去二十年來，優(yōu)化設(shè)計已成為解決這一問題的有效工具。

進(jìn)行汽車結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，需要建立汽車模型，可以使用多個替代模型來提高建模精度和優(yōu)化效果。同時，為了充分利用高性能計算（HPC）、高效的全局優(yōu)化（EGO）等，可以使用并行計算方法，從而可以節(jié)約時間。隨著計算機(jī)和軟件的發(fā)展，通過優(yōu)化設(shè)計方法可以在進(jìn)行汽車輕量化設(shè)計的同時，保證汽車結(jié)構(gòu)的耐撞性。

3 汽車保險杠吸能盒結(jié)構(gòu)的研究[3]

汽車吸能盒是安裝在汽車前部的由金屬或復(fù)合材料制成的薄壁結(jié)構(gòu)。其主要目的是在碰撞事故中吸收因碰撞而產(chǎn)生的能量。吸能盒一般采用鐵、鋁等金屬材料制造，而由復(fù)合材料制造吸能盒正處于研發(fā)階段。汽車工業(yè)為降低汽車總質(zhì)量，提高燃油消耗率，可以采用復(fù)合材料進(jìn)行汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計。

吸能盒在汽車正面碰撞的情況下，起著重要的作用，可以吸收碰撞中絕大部分能量，按設(shè)計模式變形，從而降低其他汽車部件的損壞程度，保證車內(nèi)乘員安全。通常為了減輕汽車重量，汽車零件通常由薄金屬片制成，因此金屬材料吸能盒的設(shè)計難度較大，而復(fù)合材料吸能盒剛度高，且重量低，具有較大的優(yōu)勢。

Hussain對由GFRP（玻璃纖維增強(qiáng)聚合物）設(shè)計制造的吸能盒的性能進(jìn)行實(shí)際試驗(yàn)研究，研究了不同截面形狀GFRP吸能盒，在不同沖擊載荷下的性能。對吸能盒中峰值力、吸收能量變化，進(jìn)行了比較研究，繪制出了每種情況下力與位移的曲線。

結(jié)果表明，在吸能盒截面幾何形狀相同情況下，在不同的沖擊載荷作用下，結(jié)構(gòu)對沖擊能量的吸收率不同，變形模式不同；在相同沖擊載荷作用下，不同截面吸能盒的能量吸收率和變形模式也不相同。研究結(jié)果可為GFRP吸能盒結(jié)構(gòu)設(shè)計提供指導(dǎo)，設(shè)計出在相應(yīng)沖擊載荷作用下，有著預(yù)期變形模式的吸能盒結(jié)構(gòu)。

4 一種新型汽車保險杠壓潰設(shè)計方案[4]

現(xiàn)代社會中公路運(yùn)輸占很大比重，因車禍造成的傷亡事故數(shù)量十分巨大。近年來，科研人員不斷努力，以提高汽車的安全性。為了減輕汽車發(fā)生碰撞事故時，對乘客和被碰對象的影響，設(shè)計了汽車折皺區(qū)；為了提高汽車耐撞性和能量吸收能力，人們越來越重視能量吸收裝置（如保險杠梁）的研發(fā)。

目前，汽車上使用的大多數(shù)吸能裝置，通過永久變形來吸收碰撞能量、增加撞擊時間，從而可以吸收大量的沖擊能量。在有些情況下，即使汽車發(fā)生輕微碰撞，消費(fèi)者也必須修理甚至更換能量吸收器。

通常對于不同汽車制造商設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)不同，保險杠梁后方吸能元件有不同形狀，如圓管、方管、蜂窩狀等，各種形狀結(jié)構(gòu)有不同特性，均需要進(jìn)行各種加載情況下的性能測試。近年來，有關(guān)新型能量吸收器的專利數(shù)量很多。已有設(shè)計中，在保險杠梁后部放置兩個擠壓罐，試驗(yàn)表明這種設(shè)計效果較好，可以吸收更多沖擊能量。但是一旦擠壓罐或保險杠梁損壞，必須整體更換，成本較高。

Ganilova提出了一種混合型保險杠壓潰設(shè)計方案，將可以自動恢復(fù)形狀的管狀結(jié)構(gòu)安裝到保險杠梁中，用于輕度碰撞情況，而傳統(tǒng)的能量吸收裝置仍按原有方式布置，用于較大程度碰撞情況。其中可以自動恢復(fù)形狀的管狀結(jié)構(gòu)，是一種可回收結(jié)構(gòu)，由一個空管和一個蜂窩狀元件組成。最后，對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元仿真，表明在輕度碰撞情況下，只有管狀結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，且管狀結(jié)構(gòu)可以自動恢復(fù)形狀，當(dāng)碰撞程度稍重情況下，管狀結(jié)構(gòu)發(fā)生永久變形，可以只更換該管狀結(jié)構(gòu)。

5 降低汽車碰撞損害方法的研究[5]

對汽車碰撞事故的傷害進(jìn)行分析，對于預(yù)防碰撞發(fā)生及降低傷害程度十分重要。通過對大量碰撞事故進(jìn)行研究，可以為汽車安全裝置設(shè)計提供指導(dǎo)。要想對碰撞事故進(jìn)行研究，需要設(shè)計出合理的傷害分析和評價的方法。

為了可以科學(xué)地分析汽車碰撞事故，Mallory開發(fā)了一種用于分析碰撞和傷害數(shù)據(jù)的方法，通過對大量汽車碰撞結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行研究分析，進(jìn)而定量確定出不同碰撞情況下，事故的傷害程度及預(yù)防方法。

Mallory對2005年至2015年NASSCDS（全國汽車采樣系統(tǒng)耐撞性數(shù)據(jù)系統(tǒng)）的69,597名乘員的病例進(jìn)行研究，對醫(yī)院病例的結(jié)果進(jìn)行頻率和嚴(yán)重程度分析。其中，病例結(jié)果和嚴(yán)重程度，主要包括：死亡、殘疾等病例數(shù)量、受傷害程度（受傷位置和影響）及事故發(fā)生原因和程度。

根據(jù)研究結(jié)果，可以得到許多有用結(jié)論，從而可以預(yù)防碰撞事故發(fā)生或者降低碰撞程度。研究表明：汽車追尾事故是最常見碰撞事故，損失較小；汽車側(cè)碰及正碰等事故最嚴(yán)重，死亡率最高，損失較大；乘員或行人死亡主要與其頭部和胸部受損有關(guān)，殘疾主要與肢體受損有關(guān)。

Mallory開發(fā)的碰撞數(shù)據(jù)挖掘方法，將有助于確定減少碰撞和傷害的方法，用其分析結(jié)果指導(dǎo)汽車主動和被動安全系統(tǒng)的研究，可以提高系統(tǒng)性能，更好地提高汽車安全性。

[1]Dama K K,Babu V S,Rao R N,et al.Multi Objective Knowledgebase Concept Design Methodology of Automotive Space Frame Structures for Crashworthiness by Numerical Methods[J].2017,4：1837-1842.

[2]Fang J,Sun G,Qiu N,et al.On design optimization for structural crashworthiness and its state of the art[J].Structural&Multidisciplinary Optimization,2017,55(3)：1091-1119.

[3]Hussain N N,Regalla SP,Rao Y V D.Comparative Study of Trigger Configuration for Enhancement of Crashworthiness of Automobile Crash Box Subjected to Axial Impact Loading[J].Procedia Engineering,2017,173：1390-1398.

[4]Ganilova O A,Jia J L.Application of smart honeycomb structures for automotive passive safety[J].Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part D Journal of Automobile Engineering,2017(1)：095440701770891.

[5]Mallory A,Kender A,Moorhouse K.Opportunities for Crash and Injury Reduction：A Multi-Harm Approach for Crash Data Analysis.[J].Traffic Injury Prevention,2017,18(sup1)：S1.