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第3章汽车碰撞安全性设计3.1概述3.2经验法和试验法3.3数学分析法3.4汽车碰撞安全性设计3.5碰撞吸能结构的设计3.1概述汽车碰撞安全性问题分两种情况：①新汽车产品的碰撞安全性设计问题②已有汽车产品的碰撞安全性改进问题新设计有充分的设计空间改进设计更有挑战性研究方法发展：经验法、试验法、分析法⒈经验法：单纯凭直觉和经验进行碰撞安全性设计和改进的方法称为经验法。①直觉是通过多次相关经验积累产生的；②经验法以大量汽车碰撞事例为基础。⒉汽车碰撞试验方法：主要是通过模拟汽车碰撞事故中的一些典型的和重要的碰撞过程来获取对不同结构缓冲吸能特性认识，实质上是通过人为碰撞事件在短时间内获取足够多经验的一种“经验法”。试验过程和实际碰撞有区别。作用：①研究结构的缓冲吸能特性②检验汽车零部件能否满足汽车碰撞安全性特点：①受试验方法和装备的先进性的影响②用真实物体在真实碰撞条件下试验⒊数学分析方法（仿真法）：主要是应用数学和力学工具进行汽车碰撞过程的分析方法。解析法、多刚体动力学法、有限元法等。特点：①可以节省碰撞试验次数，成本低、周期短②可以进行危险的实验模拟。仿真是建立相应物理系统的数学模型在计算机上解算的过程。数学模型是仿真的基础。3.2经验法和试验法⒈经验法：经验法不需要很深的的理论和很高技术水平，是一种创造。经验法是最直接的设计方法，但往往不完善，需要辅以其他方法，将直接经验转化为科学、使用、可靠的产品设计。经验法的例子-安全带的发明汽车安全带挽救了无数人的生命，是对行车安全的一项重要贡献。美国安全荣誉纪念馆于近期接纳了三点式安全带的发明人尼·波林。尼·波林原是一名飞机设计师，1958年他到底特律沃尔沃汽车公司工作。在考虑汽车遇到紧急刹车或碰撞事故时，如何能使司机、乘客牢牢地固定在坐位上，以抵挡住猛烈撞击不受伤害时，他认为，用皮带一边横跨胸部，一边横跨腰下臀部，从同一固定点由上往下紧扣，能固牢整个人体。这即是今日人们早已熟知的三点式汽车安全带。1963年，沃尔沃汽车公司把尼·波林的三点式汽车安全带注册，并在自产的汽车上装配。同时，沃尔沃还把安全带发明，免费提供给其他企业使用，以推广这项保护生命的发明。经验法的例子-安全气囊的发明1953年8月18日，美国人约翰，赫特里特获得了“汽车缓冲安全装置”的美国专利。赫特里特是一位自学成才的宾夕法尼亚州工程师，他在1952年的一次事故后，萌发了设计撞车安全装置的想法。在这次事故中，他为躲避一个障碍物而猛打方向盘进行制动，他和妻子都用手臂本能地保护坐在前座中间位置上的女儿。这次事故后他意识到必须有一个更好的方法来保护乘员，两周之后他绘好了设计图纸交给了代理人，这份图纸确定了今天安全气囊的雏型。⒉试验法：试验法是一种直接客观的设计与验证方法。目的是再现实际道路上的车辆碰撞事故并对其研究。特点：需要特定的碰撞试验设施，牵引机构、障碍壁、电测量系统、高速摄影测量系统、测试用假人。碰撞试验：正面碰撞车车偏置碰撞固定壁实车碰撞试验移动壁侧面碰撞翻车追尾碰撞台车模拟模拟碰撞试验台架模拟静态模拟碰撞试验碰撞试验的作用：⑴对比优选多方案中选优、改进研究、影响因素对比；⑵安全性评估直接测出结果，对设计、改进及产品的安全性评价；⑶辅助设计与改进辅助设计和改进的手段。碰撞性试验是破坏性实验，成本高、耗费时间大、试验结果和过程的瞬时性3.3数学分析法⒈解析法⒉多刚体动力学法⒊有限元法⒋仿真：汽车碰撞力学仿真⒈解析法⑴建立碰撞力学模型及求解方法的分析⑵简单模型的精确分析⑶汽车结构设计初期的碰撞概算优势：建立分析模型⒉多刚体动力学法⑴多体分析力学多刚体动力学多柔体动力学⑵计算多体系统动力学①基于拉格朗日方程②多刚体系统动力学③刚-柔混合多体系统动力学计算机多体动力学分析软件—研究航天器、机器人等的基础⒊有限元法20世纪80年代发展和完善的计算方法10ms时的碰撞变形40ms时的碰撞变形分析软件：DYNA3D（LS-DYNA3D、OASYS-DYNA3D）美国及英国早期应用广泛PAM-CRASH起源法国，早期欧洲应用较多三维造型和分析软件UGCATIA碰撞安全分析工程师结构碰撞分析乘员保护分析安全开发熟悉汽车碰撞安全基本原理和相关法规；熟悉碰撞安全分析相关软件（Hypermesh，LS-DYNA，MADYMO，PAM-CRASH）的应用3.4汽车碰撞安全性设计⒈整车理想碰撞特性⑴纵向碰撞理想特性①保证足够生存空间，不产生过大变形；②乘坐室外的车体结构尽可能变形，合理吸收碰撞能量⑵侧面碰撞理想特性①车门和立柱尽可能大的刚性，变形要小；②车门内板应柔软⒉碰撞安全性的反推设计法碰撞界面→缓冲吸能系统→安全区保护结构系统→转向盘与内饰系统→安全气囊系统→→安全带和安全座椅系统→人体响应←安全法规3.5碰撞吸能结构的设计⒈焊点与吸能焊接强度、焊接形式的因素a)焊点开裂，弯折变形b)焊点未开裂，产生充分皱褶变形⒉壁厚与吸能壁厚太小不具备吸能条件壁厚太大不容易变形吸能壁厚对碰撞变形吸能特性的影响：⑴碰撞产生的最大阻力不同壁厚小最大阻力小，壁厚大最大阻力大⑵缓冲吸能时间的长短不同壁厚小吸能（碰撞持续）时间长壁厚大吸能（碰撞持续）时间短⒊横截面与吸能相同周长的截面对比⒋预变形与吸能预变形：引导结构在碰撞时向设定的吸能变形方式发展。