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汽車碰撞安全進展

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顧鐳 博士  徐有忠博士
奇瑞汽車公司
奇瑞乘用車工程研究院 
汽車碰撞安全進展
內(nèi)容提要
世界汽車碰撞安全概況
世界汽車碰撞事故統(tǒng)計和趨勢
各國汽車安全法規(guī)和要求
世界交通安全展望
汽車安全測試方法簡介
各類強制性結(jié)構(gòu)安全試驗
汽車結(jié)構(gòu)在碰撞事故中的作用
碰撞傳感器和乘客保護系統(tǒng)
汽車結(jié)構(gòu)安全設(shè)計和計算機仿真
汽車結(jié)構(gòu)安全設(shè)計及優(yōu)化
結(jié)構(gòu)安全計算機仿真設(shè)計
中國汽車碰撞安全前景
教育和人才培養(yǎng)
產(chǎn)業(yè)/商業(yè)機會
5年展望

世界交通事故統(tǒng)計 (2000年)
  死亡人數(shù): 130萬
  受傷人數(shù): 3000萬
  每25秒有1人因交通事故死亡
  每1秒有1人因交通事故受傷
  對年齡低于34歲的群體,交通事故死亡占第一位
   財產(chǎn)損失: 五千億美元 (中國2000年總產(chǎn)值:一萬億美元)
美國交通事故統(tǒng)計 (2000年)
死亡人數(shù): 41821
 受傷人數(shù): 530萬
 車輛損壞: 2760萬
美國交通事故統(tǒng)計 (2000年)
財產(chǎn)損失(2000年): 
	2306億美元 
98萬美元/死亡
110萬美元/嚴重受傷

中國交通安全統(tǒng)計(2002年)
交通事故: 77萬
死亡人數(shù): 109400 (美國: 41000)
占世界汽車總量的1.9%
因交通事故死亡人數(shù)占15%
交通事故死亡已取代自殺成為因傷害死亡的第一原因

中國交通安全數(shù)據(jù)(世界衛(wèi)生組織2004年10月估計)
交通事故死亡人數(shù): 600/天
受傷人數(shù): 45000/天
財產(chǎn)損失: 120--210億美元/年 (1.5%中國年總產(chǎn)值)
交通事故死亡率:     世界第一位
交通事故死亡人數(shù): 世界第一位
對年齡15--45歲的群體,交通事故是第一死亡原因
http://www.accidentattorneys.com/china-auto-acc-deaths.cfm
Top 10 Causes of Death &amp;amp; Disabilityin the World

2020
Heart Disease
Unipolar Depression
Traffic Accidents
Cerebrovascular
Pulmonary Disease
Lower Respiratory
Tuberculosis
War
Diarrhoeal Diseases
HIV

Source: World Health Organization
Rank
1990
1
Lower Respiratory
2
Diarrhoeal Diseases
3
Perinatal-related
4
Unipolar Depression
5
Heart Disease 
6
Cerebrovascular
7
Tuberculosis
8
Measles
9
Traffic Accidents
10
Congenital anomolies

備注： Worldwide traffic accidents is projected to be the third leading cause of   death and disability – due to fast developing markets outside U.S.,  Europe, Japan and Australia.
各國交通安全展望
美國政府:     到2008年, 交通事故死亡率降低33%
加拿大政府:   到2010年, 交通事故死亡率降低33%
澳大利亞:     到2010年, 交通事故死亡率降低40%
英國政府:     到2010年, 交通事故死亡率降低40%
歐共體:       到2010年, 交通事故死亡率降低50%
日本政府:     到2012年, 交通事故死亡率降低50%
中國:         汽車安全法規(guī)

中國2004年5月1日公布了第一部交通安全法
交通安全的緊迫性/重要性
中國是世界交通事故死亡率最高國家之一
顧客要求
公共要求
政府法規(guī)
汽車廠商競爭
信息(汽車安全排名,汽車安全評估等)
汽車安全設(shè)計
車頂
翻滾
車頂強度
前撞
FMVSS208
新車評估
保險公司
車與車協(xié)調(diào)
傳感器
行人安全
側(cè)撞
美國側(cè)撞試驗
歐洲新車側(cè)撞試驗
側(cè)撞柱試驗
車車協(xié)調(diào)側(cè)撞試驗
后撞

乘客安全
汽車安全設(shè)計要求:
政府法規(guī)
公共試驗
廠家規(guī)范
主要安全法規(guī)及要求
美國汽車安全法規(guī)
歐洲汽車安全法規(guī) 
加拿大汽車安全法規(guī)
日本汽車安全法規(guī)
主要汽車碰撞試驗
美國新車碰撞評估試驗
前部碰撞評估試驗
側(cè)面碰撞評估試驗
美國IIHS汽車碰撞試驗
IIHS部分重疊前部碰撞試驗
IIHS側(cè)面碰撞試驗 
歐洲新車碰撞評估試驗
日本新車碰撞評估試驗

轎車事故死亡分布(美國 1991-1997)
日本交通傷亡
機動車輛 42%
摩托車20%
自行車10%
行人27%
其他1%
印度交通傷亡
機動車輛 12%
摩托車27%
自行車14%
行人42%
其他5%
交通事故類型 (美國)
翻滾25%
側(cè)撞32%
前撞40%
尾撞3%
前撞測試簡介
澳大利亞, 歐洲, 日本
美國新車前撞評估試驗
56公里/小時
實墻碰撞
澳大利亞, 歐洲, 日本新車前撞評估試驗
美國IIHS
美國新車前撞評估試驗簡介
翻滾25%
56公里/小時
實墻碰撞
頭/頸
胸 力/變形
臀/腿
歐洲新車前撞評估試驗IIHS前撞試驗(美國)
64公里/小時 
可變形障礙碰撞
頭/頸
胸 力/變形
臀/腿
側(cè)面碰撞評估試驗簡介
美國新車側(cè)撞評估試驗
澳大利亞, 歐洲, 日本新車側(cè)撞評估試驗
美國IIHS側(cè)撞試驗
側(cè)撞評估試驗(歐洲, 澳大利亞,  日本)
頭/頸
胸
臀/腿
50公里/小時
側(cè)撞評估試驗(IIHS, 56公里/小時)
側(cè)撞柱試驗(29公里/小時)
撞行人試驗簡介
頭: 頭部受傷判據(jù)
大腿: 受力/彎曲
小腿:受力/彎曲/剪力
車頂強度試驗簡介
美國政府法規(guī):
靜力下壓12.5CM, 最大抗壓力必須達到車重的1.5倍.
最新美國法規(guī)(2008年生效), 最大抗壓力必須達到車重的2.5倍.
汽車安全設(shè)計目標
Identify frame architecture &amp;amp; crush distance required
Establish compatible packaging space
Establish vehicle level targets and cascade to system, subsystem, and components
Improve occupant protection
Early evaluation of vehicle crash behavior in the development process
Help establish optimal crash pulse and overall safety strategy
汽車安全設(shè)計目標(續(xù))
Develop economic solutions (Weight &amp;amp; Cost)
Reduce number of prototypes
Ensure the vehicle satisfies the crash related requirements for the intended sales markets.
Additionally, ensure the vehicle satisfies safety related Chery Safety Design Guidelines (CSDG) and program specific safety related targets (e.g. 5 star NCAP).

Legal and Corporate Requirements
Regulatory and Guidelines
FMVSS – Federal Motor Vehicle Safety Standards
EC – European Community
ECE – Economic Commission for Europe
CMVSS – Canadian Motor Vehicle Safety Standards
CMVDR – China 
Legal and Corporate Requirements
Public Media &amp;amp; Consumer Organizations
North America 
NCAP, LINCAP, IIHS
Europe
Euro-NCAP, ADAC, AMS, WHICH, VDS/AZT, THATCHAM
Japan
JNCAP
Chery Requirements
Safety Design Guidelines (Chery Acceptance Criteria) 
Specification of Crash Tests
Various Orientations
	(Frontal, Angled, Offset, Side, Rear, Vehicle to Vehicle) 
Various Barriers (Rigid, Deformable)
Various Speeds (0 - 80 kph)
Various Weights (Curb Weight, +Dummies, +Luggage)
Various Dummies and different Occupant Configurations

Front Impact Modes
Straight Front                    Angular                               Offset                          Low Speed
Assessment
Assessment
Assessment
Assessment
Occupant criteria 
Vehicle structure
Interior compartment
Fuel system integrity
Occupant evacuation
Occupant criteria 
Vehicle structure
Interior compartment
Fuel system integrity
Occupant evacuation
Occupant criteria 
Vehicle structure
Interior compartment
Fuel system integrity
Occupant evacuation
Occupant criteria 
Vehicle structure
Interior compartment
Fuel system integrity
Comparison of Regulatory Frontal Impact Modes
Europe
USA
Test Specification
Assessment
Test Specification
Assessment
50 kph
curb weight
Vehicle structure
Interior compartment 
Steering column disp.
Fuel system integrity
56 kph
Deformable Barrier, 40% overhang
2 dummies + luggage
Occupant criteria 
Vehicle structure
Interior compartment
Fuel system integrity
Occupant evacuation
0 - 50 kph
2 dummies +luggage
0 – 44kph
Deformable Barrier, 40% overhang
2 dummies + luggage
Occupant criteria 
Vehicle structure
Interior compartment
Fuel system integrity
Occupant evacuation
New Requirement (2003)
Occupant criteria 
Vehicle structure
Interior compartment
Fuel system integrity
Occupant evacuation
Side Impact Modes

NHTSA                          EEVC                          Fuel System                         Fuel Filler
Test Specification
Assessment
Occupant criteria
Vehicle structure
Fuel system integrity
Occupant evacuation
Occupant criteria
Vehicle structure
Fuel system integrity
Occupant evacuation
Vehicle structure
Fuel system integrity

Vehicle structure
Fuel system integrity
Occupant evacuation

Rear Impact Modes
50% Offset
Test Specification
Vehicle structure
Fuel system integrity
Occupant evacuation
Inline
Assessment
FMVSS / ECE
Vehicle structure
Fuel system integrity
Occupant evacuation
Vehicle structure
Fuel system integrity
Occupant evacuation
Safety Design Process
Vehicle System Tests
Sub-System Tests
Frame Design
CAE Study
OOP/Hyge
 Sled (Sub-system Target Verification)
Frame/IIHS Side Via Sled (Sub-system Design Verification)
Supplier DV Test
Barrier Test (System Target Verification) 
ENGR Sign-Off
Component 
Target Cascade
Restraint Design
Madymo Analysis
Component 
Testing (Column, Airbag, Seat belt, etc …)
Verification
Sensor Test
DV Sled Test
Live Cert  
Component/Sub-system Test
OOP/Hyge test
Sensor Algorithm Development
Safety Process &amp;amp; Timing
U251_Safety_AP_Rational_03_18_03.ppt
Other Test Modes
Sensor Test (Fire/No Fire, Barrier, Pole etc.)
Roof Crush
Head Impact
Pedestrian Impact
Static Side Door Intrusion
Sled Tests For Different Occupant Sizes
Out-Of-Position Testing
Component Tests
Assessment Criteria
Vehicle structure
Steering column displacement 
Survival space 
Door openability 
Windshield retention and intrusion
Occupant Criteria
Injury criteria
Interior compartment 
Occupant evacuation
Fuel system integrity
Fuel Leakage
Fire risk

Public Domain Tests
U.S. NCAP – New Car Assessment Program www.nhtsa.dot.gov
LINCAP – Lateral Impact New Car Assessment Program www.nhtsa.dot.gov
IIHS – Insurance Institute for Highway Safety www.iihs.org
Euro-NCAP – European New Car Assessment Program www.euroncap.com
THATCHAM – British Motor Insurance Repair www.thatcham.org
ADAC – German Automobile Association www.adac.de

U.S. NCAP
Test conducted by NHTSA (National Highway Traffic Safety Administration www.nhtsa.gov)
Star rating based on HIC and Chest g 
1-5 stars
56 kph
Intrusion Measurements
POOR
MARGINAL
ACCEPTABLE
GOOD
U.S. LINCAP
Test conducted by NHTSA
Same test procedure as FMVSS 214 except at higher speed
Star rating system based on Occupant Injury Criteria (1-5 stars)

27
o
38.5 
mph 
17.5  
34.3  
IIHS - Offset Frontal Impact
Offset Frontal Impact
64 kph (40mph) 
40% offset 
Deformable barrier
CAE Process
Occupant Model
Optimize crash pulse (min. crush, meet criteria)
Optimize restraint system
FEA (Finite Element Analysis)
Develop structure (min. crush and intrusion)
Proposed pulse

結(jié)構(gòu)安全試驗研發(fā)費用估算
試驗類型: 多達20種(前撞, 側(cè)撞, 后撞等)
樣品車(PROTOTYPE)需求量: 平均150輛 (美國和歐洲)
樣品車費用:    平均$25萬美元/輛
費用估算: $25萬*150+$2.5萬*150
	=$4125萬
法規(guī)要求試驗:至少5種
費用估算: $2.5萬*10+$2.5萬*10=$50萬
結(jié)構(gòu)安全計算機仿真及其優(yōu)越性
大大降低研發(fā)成本 (一般估計可節(jié)省30%樣品車: 約$1250萬)
大大縮短研發(fā)周期 (研發(fā)周期一般為5年)
提供優(yōu)化和可靠性設(shè)計
計算機仿真可以模擬任何試驗條件
由于大量法規(guī)要求試驗,計算機仿真是設(shè)計過程中唯一選擇
汽車結(jié)構(gòu)安全計算機仿真的難度
結(jié)構(gòu)非線性及材料非線性, 瞬態(tài)響應(yīng)
材料破壞,屈曲,斷裂
接觸和碰撞
軟件穩(wěn)定性, 軟件適用范圍
對分析工程師要求較高
對計算機容量要求較高
計算機費用: 僅是1997年的1%

計算機費用
0.00000
0.00500
0.01000
0.01500
0.02000
0.02500
0.03000
0.03500
0.04000
0.04500
0.05000
Pre-98
Jan-98
May-98
Oct-98
Jan-99
Jul-99
Jan-00
Jan-01
Aug-01
Jan-02
Jan-03
Jan-04
每秒費用

水冷

氣冷
Linux

車與車前撞計算機仿真
汽車結(jié)構(gòu)安全設(shè)計基本概念
吸收/分配, 汽車碰撞能量 (結(jié)構(gòu)塑性變形) 
降低對乘客的沖擊力至可容度以內(nèi)
保持乘客一定的生存空間

汽車結(jié)構(gòu)安全分析
汽車安全性能評估 
提供提高安全性能的修改方案及費用估算
給出最佳兼顧方案
提供優(yōu)化組合及可靠性設(shè)計
汽車結(jié)構(gòu)安全分析流程
給出最佳兼顧方案
結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(不能僅僅是依樣畫葫蘆)
與當?shù)卣ㄒ?guī)有關(guān)
與車重有關(guān)
與乘客安全保護系統(tǒng)有關(guān)
與結(jié)構(gòu)材料有關(guān)
與交通條件有關(guān)
ESCAPE側(cè)撞試驗結(jié)果(有空氣袋)
G=好  A=可接受  M=勉強  P=不合格
ESCAPE側(cè)撞試驗錄像(有空氣袋)
ESCAPE側(cè)撞試驗結(jié)果(無空氣袋)
G=好  A=可接受  M=勉強  P=不合格
ESCAPE側(cè)撞試驗錄像(無空氣袋)
振動與噪音控制
前撞
部分重疊前撞
車頂強度
安全
側(cè)撞
相互影響
最低: 	車重
約束條件:
振動與噪音控制
		頻率
		彎曲模態(tài)
		扭轉(zhuǎn)模態(tài)
前撞
		假人頭部受傷判定
		假人胸部受傷判定
		假人嚴重受傷概率
車頂強度
		最大抵抗力
部分重疊前撞	
	乘員空間縮小距離
側(cè)撞
		位移
		假人胸部粘性受傷判定
多目標優(yōu)化設(shè)計 (MDO) 
多目標可靠性設(shè)計 
	最低: 	車重
	約束條件:	前撞設(shè)計目標
		  P{假人頭部受傷判據(jù) ? 700} ? 90%
		  P{假人胸部受傷判據(jù) ? 50 g} ? 90%
		  P{假人嚴重受傷概率? 10 %} ? 90%
?		部分重疊前撞設(shè)計目標
		  P{乘員空間縮小距離? 11 in.} ? 90%
		側(cè)撞設(shè)計目標:
		  P{假人胸部粘性受傷判據(jù)? 0.58} ? 90% 
		  P{假人胸部變型? 27.2MM } ? 90%
		車頂強度設(shè)計目標
		  P{最大抵抗力? 27KN} ? 90%
多目標優(yōu)化設(shè)計結(jié)果
	車重降低10磅 
	滿足所有設(shè)計目標并有 90% 置信度
中國汽車碰撞安全—前景
目標:
降低交通事故死亡率
減少財產(chǎn)損失(120--210億美元/年,1.5%中國年總產(chǎn)值)
前景:
汽車安全法規(guī)
政府
保險業(yè)
教育(人才培養(yǎng), 培訓, 安全知識普及)
工程設(shè)計人才
法律事務(wù)人才
商業(yè)/產(chǎn)業(yè)
標準檢測試驗與分析
結(jié)構(gòu)安全設(shè)計,評估
計算機仿真分析/設(shè)計
法律事務(wù)(律師所,保險業(yè), 事故分析)

交通事故死亡率(/萬輛)
各國交通死亡率歷史下降圖
死亡人數(shù)/10億公里行駛
平均降低4.2倍
交通死亡率的歷史趨勢
2020
死亡率(每1億公里駕駛)

0
2
4
6
8
10
12
1965
1975
1985
1995
2001
日本
美國
英國
德國
法國

中國汽車碰撞安全—人才培養(yǎng)
目標: 降低死亡率,減少財產(chǎn)損失30% 
美國現(xiàn)有專業(yè)人才: 3000
主要專業(yè)課程:
車輛結(jié)構(gòu)設(shè)計
力學 (結(jié)構(gòu)力學,計算力學)
生物力學 (乘客受傷機理)
金屬材料學 
計算機軟件原理及應(yīng)用
相關(guān)律法
商業(yè)/產(chǎn)業(yè): 汽車零部件試驗檢測
提供如下服務(wù):
安全帶
假人頭部撞擊車頂試驗
假人膝蓋撞擊車體試驗
元部件能量吸收試驗
結(jié)構(gòu)強度
空氣袋試驗
車頂, 材料強度
商業(yè)/產(chǎn)業(yè): 子系統(tǒng)滑軌碰撞試驗
提供如下服務(wù):
乘客保護系統(tǒng)
座椅設(shè)計
結(jié)構(gòu)安全評估
傳感器試驗
空氣袋試驗
商業(yè)/產(chǎn)業(yè):整車碰撞試驗及檢測
政府標準檢測試驗與分析
前撞, 側(cè)撞, 尾撞
車對車

商業(yè)/產(chǎn)業(yè): 律師所—事故分析
美國每年數(shù)十萬交通事故訴訟
事故分析
事故現(xiàn)場重建
找出結(jié)構(gòu)設(shè)計中的問題
找出故障(傳感器,安全帶,空氣袋, 等)
商業(yè)/產(chǎn)業(yè): 汽車安全計算機仿真
硬件
UNIX
LINUX CLUSTER
軟件
有限元分析
前/后處理
汽車安全分析人才
豐富經(jīng)驗
高等學位
計算機仿真優(yōu)越性
大大降低研發(fā)成本
縮短研發(fā)周期
可模擬各種試驗條件

商業(yè)/產(chǎn)業(yè): 汽車安全計算機仿真
主要服務(wù)項目:
設(shè)計過程中汽車結(jié)構(gòu)安全性能評估 
當出現(xiàn)問題時, 查找原因并提供快速修改方案
費用估算
提供優(yōu)化組合及可靠性設(shè)計

獨立 商業(yè)/產(chǎn)業(yè): 汽車安全設(shè)計/應(yīng)用一條龍服務(wù)
當前汽車結(jié)構(gòu)安全性能評估 
快速結(jié)構(gòu)修改方案
提供提高安全性能的修改方案及費用估算
給出最佳兼顧方案
提供優(yōu)化組合及可靠性設(shè)計
通過相應(yīng)國家(歐洲,美國,等)安全法規(guī)實車檢測(前撞,側(cè)撞,車頂強度, 等)

中國汽車碰撞安全— 5 年展望
政府
降低交通事故死亡率(30%-50%)
減少財產(chǎn)損失(30%, 相當于50億美元/年 )
汽車安全法規(guī)出臺(試用)

公共和顧客要求
汽車安全性能將成為決定顧客買車重要因素
保險費用依車安全性能而定
大學設(shè)立相關(guān)專業(yè), 培訓班
專業(yè)人才需求量: 2000-5000
中國汽車碰撞安全— 5 年展望
廠家競爭
創(chuàng)牌車
質(zhì)量
外型
安全
節(jié)能
環(huán)保
提高廠商公共信譽
廠家兼并
國際市場競爭(汽車外銷)
中國汽車碰撞安全— 5 年展望
獨立 商業(yè)/產(chǎn)業(yè)形成
汽車零部件試驗檢測 (40-70)
子系統(tǒng)滑軌碰撞試驗 (30左右)
標準檢測試驗與分析 (10左右)
結(jié)構(gòu)安全設(shè)計,評估
計算機仿真
法律事務(wù)(律師所,保險業(yè), 事故分析)

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