汽车碰撞安全性研究之路

本文为张金换教授为《清华人汽车人》一书撰写的《碰撞安全性研究之路》回忆文章。该书为2020年清华大学汽车工程系建系40周年纪念文集。文章回顾了上世纪90年代黄世霖教授和张金换教授带领清华大学团队开创中国汽车碰撞安全研究的历史以及将之拓展到其他领域研究的工程实践。我将原文稍加编辑和配图后在此分享给大家,希望中国年轻一代的汽车人了解中国汽车工业高速发展之前的艰辛之路。

提高车辆小偏置碰撞安全性的A柱结构研究

基于中国保险汽车安全指数25%偏置碰撞工况,对某新能源汽车A柱的结构设计方案进行了研究。对比分析了基础结构、复合车身解决方案(Composite Body Solutions,CBS)胶块增强结构、热气胀形管梁增强结构对碰撞安全性的影响,介绍了CBS胶块和热气胀形的制造工艺,并对热气胀形工艺进行了仿真分析,对比分析2种增强结构的工装投入和单件成本。研究发现,在均能实现小偏置碰撞安全性优秀等级的前提下,1500 MPa热气胀管梁方案在单件成本及轻量化方面比CBS胶块方案更具优势。

汽车底盘结构在碰撞安全性能中的作用分析

汽车底盘由传动系、行驶系、转向系和制动系4部分组成,可支承、安装汽车发动机及其各部件、总成,保证车辆正常行驶,并且能在碰撞事故发生时发挥重要的保护作用。该文对汽车底盘进行概述,包括主要组成及类型,开展汽车底盘碰撞安全性能测试,包括强度测试、碰撞冲击吸收能力测试,对汽车碰撞安全性能进行优化,以更好地提高底盘的碰撞安全性能,提升汽车设计效果。

基于碰撞安全性的保险杠横梁轻量化设计与优化

提出了基于耐撞性能和行人保护性能的保险杠横梁轻量化设计要求,以某量产车型的保险杠系统为研究对象,对保险杠横梁进行轻量化设计。以质量最小为优化目标,采用中心复合试验设计和自适应响应面法对所设计的铝合金保险杠横梁壁厚进行了试验仿真优化。研究结果表明:所设计的铝合金横梁与原钢制横梁相比,在显著轻量化的同时有效提高了耐撞性能和行人保护性能。

燃料电池轿车碰撞安全性仿真研究

针对某一由普通轿车改装的氢燃料电池轿车,利用非线性有限元分析软件LS-DYNA,对其正面、侧面及后面碰撞进行仿真,分析了该燃料电池轿车相对于其原型车在碰撞安全性方面的变化,以及其部分高危零部件在碰撞中的表现,并做了相应的改进设计。最后总结出改装型燃料电池汽车在不同的工况下相对其原型车的碰撞安全性的变化趋势,为燃料电池轿车碰撞安全性设计以及相关法规的制定提供了依据。

商用车驾驶室碰撞安全性的研究与改进

针对某商用车驾驶室在出口认证中按ECE R29—02顶盖准静压试验和正面摆锤动态撞击试验中暴露出的问题,对驾驶室后围和地板纵梁结构进行了CAE分析和结构改进。通过对改进驾驶室的顶盖准静压和正面摆锤动态撞击仿真分析和实车试验,验证了驾驶室结构改进方案的可行性,为我国自主品牌商用车的被动安全性设计和标准制定提供参考。

新型柔性护栏碰撞安全性仿真分析及实车验证

为研究新型柔性护栏碰撞安全性,据国内现有评价标准,通过建立车辆、护栏有限元仿真模型,结合多次实车碰撞试验,对新型柔性护栏碰撞安全性进行综合分析。基于VPG前处理软件,对所建"汽车-护栏"模型从车辆运动轨迹、车体加速度及护栏最大横向位移等方面分析车辆撞击新型柔性护栏的碰撞安全性;通过实车碰撞试验验证护栏对车辆的导向性。结果表明,仿真计算所得车辆运行轨迹、车体加速度等护栏安全评价指标与试验结果一致,满足法规评定标准要求。

基于双响应面模型的碰撞安全性稳健性优化设计

建立稳健的车体耐撞结构是提高汽车碰撞安全性的有效途径。传统的耐撞性优化设计,由于忽视制造工艺、材料特性和边界条件中存在的不确定因素,导致汽车碰撞安全性能不够稳健。近年来,稳健性设计得到广泛的关注,并在汽车工业中得到应用。将稳健性设计方法应用到汽车碰撞安全性设计中,以某轿车的前纵梁为研究对象,运用双响应面方法对其进行稳健性优化设计。采用拉丁超立方抽样(Latin hypercube sampling,LHS)方法和最小二乘方法创建碰撞响应的二阶多项式双响应面模型,将材料特性作为不确定性因素。稳健性优化后,对前纵梁碰撞性能的稳健性与优化前进行对比分析。分析结果表明,该稳健性设计方法精度较高;经稳健性优化后,前纵梁碰撞性能的稳健性获得了显著提高,且质量减少了3.32%。

考虑碰撞安全性的汽车车身轻量化设计

车身结构轻量化设计的同时,还要保证其碰撞的安全性,为此提出了基于碰撞的汽车车身轻量化设计方法。以某轿车为例,在保证刚度和模态的前提下,对车身零件的厚度进行敏感度分析,以车身质量最小化为优化目标,对车身零件的厚度进行优化计算,根据零件的可制造性和加工成本对优化的零件厚度进行调整。应用有限元和多刚体动力学方法,对整车及乘员约束系统的正面碰撞进行模拟计算,对轻量化的设计结果进行对比分析,根据碰撞结果对优化的车身零件厚度进行调整,使轻量化的车身满足碰撞安全性的要求,验证了基于碰撞的汽车车身轻量化设计方法的可行性。

基于侧面碰撞安全性的电动汽车车身结构件轻量化设计

为实现某纯电动汽车车身结构件的轻量化设计,在保证其电池包挤压及连接安全的前提下,通过安装电池包前、后侧面碰撞过程传力特点及结构件变形模式的对比,选出对性能影响较大的结构件,采用灵敏度及主效应分析法确定了所选结构件的材料。选取精度较高的近似模型,采用多目标遗传算法进行优化,以厚度为设计变量、车门最大侵入量和质量为优化目标、门槛侵入量等为约束条件,获得了最优轻量化方案。

基于kriging代理模型的碰撞安全性稳健性分析

针对材料和制造工艺等不确定因素,并为提高汽车碰撞安全性稳健性分析的效率,采用基于kriging代理模型的稳健性分析方法,研究材料不确定性对某款轿车前纵梁碰撞安全性能的影响。结果表明,材料特性的不确定性对前纵梁峰值碰撞力影响较大;基于kriging模型的稳健性分析的精度和效率比采用有限元模型时要高。

燃料电池汽车正面碰撞安全性研究

燃料电池汽车在结构上有别于传统汽车,其碰撞安全性尤应关注。文中重点对燃料电池汽车结构特点进行研究,建立燃料电池汽车正面碰撞有限元模型,运用LS-DYNA仿真确定车辆安全性能设计方案。同时根据燃料电池汽车的特点阐述了对其碰撞试验方法的思考。通过实车正面碰撞试验,验证了车辆结构改进设计的效果。

基于可靠性优化设计的客车碰撞安全性研究

为了提高某客车在正面碰撞过程中的安全性,参照我国CMVDR294法规,采用有限元法建立了该大型客车前碰撞有限元仿真模型。针对其安全性不足的问题,提出对车身骨架结构进行改进设计,并在车身前端安装"田"字形吸能结构。考虑到设计制造过程中的误差会影响客车碰撞安全的可靠性,将有限元法与试验设计、响应面法结合起来对"田"字形吸能结构进行可靠性优化设计,并分析了与确定性优化设计所得结果的差别。结果表明,对车身骨架结构进行改进设计,在车身前端安装"田"字形吸能结构能显著提升客车在正面碰撞过程中的安全性,且可靠性优化设计与确定性优化设计都能进一步提高其正面碰撞安全性能;而当设计变量取值发生变动时,可靠性优化设计使吸能量的可靠度从原来的64.5%提高到了97.8%,更好地满足了大型客车碰撞安全性的要求。

基于碰撞安全性汽车前防撞梁总成轻量化设计

前防撞总成是汽车正面碰撞时最重要的承载件,起到吸收能量和保护乘员的作用,也是轻量化设计的重要结构。根据前防撞梁总成的结构特点,选取横梁和吸能盒作为研究对象,选择材料、厚度、截面形式等方面进行轻量化方案设计,选择最大加速度、侵入量、能量吸收和单位质量承载力等作为优化设计目标,对不同结构的零件进行优化设计。并对优化设计前后总成的性能进行对比分析,选择正面100%重叠工况和40%偏置碰撞工况进行对比分析,获取加速度、承载力等变化曲线。结果可知:优化设计后横梁材料DP980D+Z,厚度1.3mm;吸能盒的截面形式为十字形、无设计倾角,材料则选择高强钢DP780D+Z,厚度为1.6mm;轻量化后总成的加速度、侵入量、最大承载力均无明显变化,变化趋势基本一致;最大侵入量满足设计要求,最大承载力与实际值偏差为2.3%,满足要求;表明总成轻量化设计方案的可行性,为实际应用提供参考依据。

自动驾驶汽车的碰撞安全性研究综述

【目的】探讨自动驾驶汽车的安全性。【方法】首先,通过分析国内外自动驾驶汽车安全研究的现状,并对其进行梳理和总结;然后,归纳自动驾驶无法避免碰撞的原因以及分析错综复杂的车内外环境,对自动驾驶汽车碰撞安全问题的应对策略进行讨论;最后,就自动驾驶汽车碰撞安全技术的提升做出展望。【结果】就目前而言,智能化技术仍然存在许多不成熟的地方,尤其是自动驾驶汽车的安全方面依旧有许多领域需要更多的研究与试验,比如自动驾驶的障碍物识别、路径规划、控制策略以及自动驾驶汽车的内部空间布局等。【结论】自动驾驶技术在汽车上的使用让人们拥有了更安全、更舒适的乘坐体验,研究人员应当牢牢围绕“以人为本”这个理念,关注人的需求,保护人的安全,并围绕该理念设计与发展智能化技术。

基于局部结构改进的车身正面碰撞安全性研究

根据某新车开发轻量化设计的要求,对原车身结构进行了改进设计,减轻了前端结构的质量。针对改进后结构做正面碰撞分析时发动机两侧边梁变形不一致的情况,通过改变边梁压溃诱导槽结构,改善了车身结构整体的碰撞安全性,使变形规律更合理,结构正面碰撞安全性大为提高。

燃料电池轿车碰撞安全性的仿真与试验

碰撞安全性是燃料电池轿车面向产业化研发的关键技术之一。该文针对某自主研制的燃料电池轿车,在分析整车结构特点的基础上,提出了燃料电池轿车碰撞安全性的技术特点;基于有限单元方法,建立了正面碰撞仿真分析模型,并进行正面碰撞仿真分析;用氦气作为氢气的替代气体,进行了整车正面碰撞试验。由此,系统分析了乘员保护、车身变形与储氢安全等碰撞安全性能。仿真和实验结果表明:该燃料电池轿车的车辆可满足碰撞安全技术要求。

车身钣件材料对正面偏置碰撞安全性的影响

采用正交试验方法分析车身钣件材料变更对汽车正面偏置碰撞的安全性的影响程度。建立了某车的正面偏置碰撞模型,提出了对偏撞安全性的评价指标,对多个不同钣件材料更换组合进行了仿真分析。最终得出了各钣件材料变更对各个评价指标的影响程度和排序。

汽车转向机构碰撞安全性计算机仿真

国家标准《防止汽车转向机构对驾驶员伤害的规定》中规定当人体模块以 2 4 .1～ 2 5 .3km /h的速度水平撞击转向盘时 ,作用在转向盘上的水平力不得大于 1112 3N。本文严格按照国家标准规定的试验条件对某车型所用的转向机构进行有限元建模和碰撞安全性仿真 ,试验证明仿真结果具有较高的精度 ,因此利用数值模拟的方法对评价汽车转向机构碰撞安全性具有一定指导意义。

汽车碰撞安全风险决策中基于复合聚类的群决策专家权重确定方法

针对风险评估中群决策数据的处理可靠性问题,提出专家权重对于数据处理的重要性。从汽车碰撞安全研究的行业特色出发,依据专家社会因素指标,运用系统聚类和K-均值聚类分析方法,对专家进行专家权威权重聚类;依据专家提供意见的数据一致性和个体与群体一致性程度,运用基于信息熵的方法对专家进行专家意见权重聚类;将两种聚类结果进行复合聚类,得到各位专家的最终权重。结果表明,在综合专家权威权重和专家意见权重的基础上,经复合聚类得到的专家权重具有较好的均衡性和可靠性,为系统项目的研究奠定基础。