汽车碰撞安全性研究

清华大学汽车工程系  张金换

 

      在20世纪70年代前，汽车技术的发展，主要集中在提高动力性、操纵稳定性、舒适性、制动性以及提高灯光、视野等方面，这些均可以称为主动安全性。但是各种汽车交通事故仍然会频繁发生，研究在汽车发生碰撞事故之后，如何减少人员伤亡就成为很重要的课题，这称为汽车被动安全性。

 

        发达国家早在20世纪60年代就开始了汽车被动安全性的研究，70年代后期开始制定和执行有关汽车被动安全性的技术法规，并不断发展和完善。由于执行了安全法规，有的国家汽车事故死亡人数下降了约20％，而且不再出现死亡人数逐年增长的情况。

 

      我国是世界上交通事故最多的国家之一。许多城市交通是机动车、自行车和行人混行的状况。加上道路交通设施落后，交通管理水平低，车辆本身安全性能差，特别是越来越多的高速公路的建成使用，使得交通事故逐年呈上升趋势。从95－99年，每年交通事故中的死亡人数达到7万多人，并且逐年增多，是发达国家万车死亡人数的十几倍。我国早在1989年就公布了有关汽车碰撞安全性的国家标准，但由于种种原因，未能强制执行。主要原因一是我国汽车行业对汽车碰撞安全性了解较少，缺乏在这方面独立自主开发和研究能力；二是我国汽车工业缺乏这方面的试验测试能力。由于近十年来有关部门和领导的重视及各方面的努力，我国汽车碰撞安全性的研究正在逐步发展。政府有关部门已于1999年制定了汽车正面碰撞乘员保护法规，强制执行。所有车型在2002年7月1日之前必须达到法规要求才能销售。

 

    清华大学汽车工程系汽车碰撞安全性研究课题组在黄世霖教授的领导下，于1985年率先在国内开展了汽车碰撞安全性研究。在经费少、很多人不理解的条件下，课题组团结奋斗，探索出了一条适合我国开展汽车碰撞试验研究的途径。1990年，在经费非常少的情况下开始了汽车碰撞试验室的筹建。当时中汽公司投入了5万元人民币，教委博士点基金投入4.8万元，在筹建国家重点实验室工作中获得20万美金的支持，购买了高速录像与HYBRID III碰撞假人。与此同时，课题组依靠自主开发信号采集与处理系统，并向全国推广，使国内用户超过100个，从而筹集了2－3百万元，再加上上海汽车工业总公司资助了一些经费，终于建成了国内先进的汽车碰撞试验室。试验室可进行正撞、侧撞、和追尾碰撞等试验类型，先后对国内的很多车型进行了实车碰撞试验，如北京吉普、上海桑塔纳、神龙富康、一汽红旗以及一汽长安、哈飞等轿车累计50余辆。同时还建立了台车模拟碰撞试验台，对座椅、安全带、安全气袋等进行了三百多次试验。这样的规模，在世界各国高等院校中是绝无仅有的。我们不仅在测试技术上达到领先水平，还通过实践培养毕业了一批高质量的博士生和硕士生，现在已经达到30人以上，这些毕业生已经成为了本领域中各单位工作的骨干。

 

      在汽车碰撞安全性研究中，测试设备和测试分析技术起着决定性的作用。在总结十几年汽车碰撞安全性研究经验的基础上，课题组自行设计、只用少量经费建造了汽车碰撞试验室，室内的试验设施也是自己设计的，属于国内一流水平。碰撞试验测试技术集中了高新技术，我们开发的“多媒体序列图象运动分析系统”，不仅能从序列图象的标志点上分析出其位移、速度、加速度和相对位移、相对速度和相对加速度，而且能分析角位移与角速度。特别是引入了先进的椭圆技术，可以方便地描述模型人头部、胸部的位移和气袋展开过程等。而且对标识点局部可以放大瞄准，并且发展了标志点的自动跟踪技术。这些都达到了国际先进水平。

 

      实车的碰撞试验是非常昂贵的，为此我们采取了虚拟试验技术与碰撞试验相结合的办法，减少昂贵的碰撞试验，通过虚拟试验技术，在设计阶段对汽车碰撞安全性进行预测。

 

       试验室承担了国家科技部和国家机械工业局九五重点攻关项目“安全气袋与国产汽车的匹配技术”。试验室做了大量整车碰撞试验，掌握了各类车型的碰撞特性，自行研究开发了先进的全数字化电子控制系统ECU，编制了控制软件，开创性地使用了移动窗法和快速神经网络法。用创新的软件开发的ECU已为气袋生产厂家引进，进行了批量生产。在通过科技部和机械工业局召开的九五攻关验收和鉴定会上得到了高度评价。鉴定意见中指出：“开发的智能型ECU，拥有自主的知识产权，在安全气袋的模拟计算匹配技术方面达到了国际先进水平，成功地匹配了十余种国产汽车。”

 

    此外，我们成功地对某新型车在设计过程中预测碰撞结果，将问题解决在初始设计阶段；在与美国通用汽车公司研究发展中心合作进行碰撞过程中驾驶员下肢损伤的研究中，经过模拟计算和试验，我们发现原有TNO、MADYMO国际著名的软件其下肢模型计算结果与试验相差很大，对此进行了修正和建模，有了很大的改进；我们还与国外著名的气袋厂合作，进行安全气袋模拟计算。由于气袋展开过程对离位乘员有伤害，所以研究气袋的折叠方式与展开过程的模拟就很重要。由于气袋是高速流体和气袋的大变形、非线性相结合，所以模拟有很大的难度。我们采用直接展开法和初始矩阵法，并限制了映射网格法软件，使得过去难以完成的或者需要很长时间才能完成的建模工作，现在很快就能完成。这方面已达到达到了国际先进水平，得到国外合作单位的好评。

 

       汽车碰撞试验室于2000年10月通过了中国实验室国家认可委员会/国家技术监督局计量认证（二合一）评审。这是清华大学首家通过的二合一评审。国家机械工业局授权对社会承担汽车碰撞检测工作。

 

      “汽车碰撞试验与测量分析处理系统研究”项目在1996年获得汽车行业和机械工业部科技进步一等奖，并在1997年获得国家科技进步二等奖，这是高等院校中汽车专业一个课题组获得的最高奖励。

 

      在总结多年工作的基础上，我们集体编写了“汽车碰撞与安全”专著，将多年来汽车安全性的研究工作进行系统的整理和总结，于2000年12月由清华大学出版社正式出版。

 

       21世纪，我国将加入WTO,汽车的安全性将是我国汽车工业面临的严峻问题。汽车安全性研究的深入开展，必将提高国产汽车的碰撞安全性，这对于减少交通事故中的人员伤亡，具有重大的社会效益和经济效益。