作者：詹振飞,石磊 ,韩维建 主编
出版社：机械工业出版社
格式: AZW3, DOCX, EPUB, MOBI, PDF, TXT
汽车安全的仿真与优化设计试读：
前言
世界卫生组织发布的《2015全球道路安全现状报告》显示，每年全球有逾百万人死于道路交通事故，另有数千万人因交通安全事故遭受非致命性伤害。汽车安全是未来汽车轻量化、智能化、电动化成功实施的有力保障。汽车安全系统的设计离不开物理样机的开发与试验。特别对于汽车安全结构耐撞性设计来说，高风险、高费用的物理试验使得工程师和研究人员不得不积极寻找其他途径来提高汽车的安全品质。近20年，汽车安全领域的数字化模型仿真技术发展迅速，已成为汽车安全开发中的常用方法。本书除了介绍汽车安全基本研究内容外，着重阐述面向汽车安全设计的仿真模型验证和确认方法，以及考虑不确定性的汽车安全数字化模型优化理论及方法两大部分内容。这两部分内容也是本书的特色所在。
本书内容结合实际工业应用，介绍了诸多分析实例以支撑所介绍的新理论、新方法。本书第1章回顾了汽车安全的历史沿革，并从全球安全法规及标准出发，详细介绍了主被动安全系统的原理、现状及研究内容。第2章着重介绍面向汽车安全系统设计的仿真与试验技术。第3章介绍面向汽车安全仿真的模型验证和确认的基本理论和典型模型确认度量，其中包括已纳入ISO标准的模型确认方法及相应案例。第4章针对以汽车安全系统为代表的复杂动态系统的数据特点，介绍了多元、不确定性以及层次化模型确认理论和方法。第5章基于贝叶斯决策论，介绍了考虑不确定性条件下近似模型的识别方法及汽车安全的设计优化。第6章详细介绍了基于模型偏差修正的技术及优化策略，以提高复杂汽车安全响应预测准确度。第7章引入数据挖掘技术，介绍了基于分类与回归树的汽车安全优化设计方法，并通过典型安全设计案例进行说明。
在本书的编著过程中，作者尽最大努力将自己对汽车安全系统设计开发的理解和经验融入书籍。作者感谢Priya Prasad博士、Barbat Saeed博士、Ren-Jye Yang博士对本书理论框架的指导，以及杨俊祺、杨鑫、胡宸、宋浩展、李君明、张玉峰等对资料整理、文字翻译及校对方面做出的协助。本书作为参考书籍，主要面向高校相关专业的学生和从事汽车安全相关行业的工程师。由于时间仓促和作者的阅历局限，疏漏和不妥之处在所难免，欢迎读者提出批评和修改意见。詹振飞第1章绪论1.1 汽车安全的发展
人类历史上第一起汽车交通事故发生于1889年的纽约，或许正是因为这起交通事故，汽车安全逐渐成为一个新的研究领域。经过一个多世纪的发展，汽车安全性变得越发重要，安全技术也日趋成熟。
汽车安全技术的发展主要经历了三个阶段。
20世纪初到1935年是汽车安全研究发展的第一个阶段，该阶段出现了各种基础安全装置。例如，发明雨刮器来提高车辆在雨天行驶时的安全性，加装前照灯以增强夜间行车的能见度，安装安全玻璃以减少外部环境对乘员脸部的伤害。但是该阶段还未出现对汽车结构的研究，车身结构依然脆弱，在严重交通事故中难以保障乘员的生命安全。
1936～1965年是汽车安全发展的第二个阶段。在此期间，各大汽车厂商开始注重对安全装置的提升和改进。1959年，VOLVO工程师Nils Bohlin发明了V型三点式安全带，这项发明成为120多年汽车历史中最重要的单项发明。除了汽车安全装置的引入和改进，各大汽车厂商也开始进行汽车安全试验。1959年，奔驰公司进行了汽车正面碰撞刚性壁障的试验，这是汽车历史上的第一次汽车碰撞试验。早期的试验程序异常简单，仅通过观察碰撞后的车辆状态来评估结构性能，并未充分、有效地利用试验假人和其他电子设备，但是这些试验为汽车安全性能的研究提供了新的方向，为汽车安全法规的产生奠定了基础。
汽车安全发展的第三个阶段始于1966年。当时的美国总统林登·约翰逊签署了一项法令——《公路安全法案》，并且批准成立了国家公路交通安全管理局（NHTSA）。此后，美国制定了包括联邦机动车安全标准（FMVSS）等在内的许多强制安全标准，对汽车的耐撞性等多个方面提出了要求。这些标准也逐渐成为其他国家制定安全法规的重要参考对象。经过50多年的发展，世界各国的汽车法律法规不断完善，汽车的安全性也得到进一步提高。
近年来，随着科学技术的发展，各种汽车安全系统和装置，如安全气囊、安全座椅、汽车前方碰撞预警系统（FCW）和车道偏离预警系统（LDW）、电子稳定控制系统（ESC）、自主紧急制动系统（AEB）、车道保持辅助系统（LKS）和速度辅助系统（SAS）等安全技术开始被广泛应用，极大地提高了汽车的安全性。1.2 汽车安全标准与法规概述
为了确保汽车的安全，世界各国都制定了相应的安全标准。安全标准主要分为两类，一类是国家强制性法规，主要有美国的FMVSS和欧洲经济委员会的EEC与ECE两大体系，其他国家的技术法规大多是参照这两套法规体系来制定的。另一类则是以欧洲的Euro-NCAP和美国的IIHS-NCAP为代表，它们由比政府更为独立的测试机构制定，在具体的试验项目、强度、规程和技术等方面比国家强制法规更为严格。1.2.1 国内外主要汽车安全技术法律法规体系
1.美国联邦机动车安全标准
美国联邦机动车安全标准（Federal Motor Vehicle Safety Standards，FMVSS）是1966年由美国国家公路交通安全管理局组织制定的。自1968年1月10日实施以来，经过数次修改，该法规体系越发完善。最新版本FMVSS法规共计60项，5个版块。（1）FMVSS100系列旨在碰撞前设法避免车辆发生交通事故，即汽车的主动安全，共计28项。（2）FMVSS200系列旨在碰撞发生时减少对驾驶员及乘员伤害，即汽车的被动安全，共计23项。（3）FMVSS300系列旨在减少车辆由于燃料、动力、电池和材料使用不当造成的火灾以及在碰撞后造成的死亡和伤害，共计5项。（4）FMVSS400系列是在2000年后新增的版块，对附属设施的安装、使用等进行规定，旨在减少安装使用时对乘员和周边人群造成伤害，共计3项。（5）FMVSS 500系列，仅有1项，目的是确保低速汽车在街道、道路和公路上行驶时，配有保证机动车安全的最基本的装备。
2.欧洲汽车法规
欧洲各国汽车技术法规通常包括两个部分：一是联合国欧洲经济委员会（Economic Commission for Europe，ECE）指定的汽车法规；二是欧盟（European Economic Community，EEC）制定的指令。ECE法规是各个缔约国任意自选的，是非强制的，而EEC指令则作为乘员国的统一法规，是强制的。
ECE法规制定于1958年，经过不断地修改，已经变得日趋完善。它涉及汽车的安全、环保及节能等领域，法规的特点是都只限于汽车的装备和部件，非常重视灯光和信号装置的安全性，在动态试验方面规定了车辆的正面碰撞、侧面碰撞、翻车时车身强度及碰撞时防止火灾等要求。
EEC汽车技术指令是原欧洲经济共同体（现为欧盟）经多次表决共同制定的，虽然ECE法规与EEC指令由两个不同的组织发布，但是由于两大组织彼此间有极为密切的联系，因此EEC指令从法规内容来看，与ECE法规的大多数项目基本相同。
3.日本汽车技术法规
日本有关汽车安全的技术法规属于法律性的规定，具有强制性，而汽车标准是在日本工业标准调查会主持下制定的，因此日本工业标准不带有强制性。
日本早在1951年就根据《道路运输车辆法》制定了道路运输车辆安全标准，后经多次修订，至今仍在执行。该标准的制定和修改除根据日本运输技术审议会的安全长期计划及汽车安全性（EVS）的研究成果外，还重点参考了原欧洲经济共同体制定的EEC汽车技术指令及FMVSS，同时也参考了英、法、德等国的汽车安全标准或法规，已形成了自己比较健全的道路车辆安全标准体系。同时，根据日本国土狭窄的国情，日本的法律法规特别重视汽车与行人、摩托车之间的标准，因此对汽车外部凸出物等的规定特别详细。
4.中国汽车安全标准
中国汽车标准分为国家标准、行业标准、地方标准和企业标准。其中，国家标准中涉及人体健康、人身财产安全、污染和能耗及资源等方面的标准纳入强制标准（GB），其他标准是推荐性标准（GB/T）。
中国的汽车强制性标准体系是以欧洲ECE/EEC汽车技术法规体系为主要参考体系，在具体项目上紧跟欧、美、日三大汽车法规体系的协调成果。因此，这些强制性标准从技术的角度看，其内容是与国际上先进的法规体系相同的。1.2.2 国内外主要新车评估体系
1.IIHS安全标准
美国公路安全保险协会（Insurance Institute for Highway Safety，IIHS）是世界汽车安全标准的重要组成部分。IIHS只选择最低配车型进行测试，测试的标准也更为严格。
目前IIHS的评测项目包括：25%正面偏置碰撞、40%正面偏置碰撞、侧面碰撞、车顶强度测试、鞭打测试以及车辆防碰撞系统测试。这其中尤其以严苛的25%小重叠碰撞最为著名。25%正面偏置碰撞是以64公里/小时车速碰撞150厘米高的不可变形壁障，模拟日常生活中车辆与树木或电线杆发生碰撞的场景。由于撞击点基本避开了车身纵梁和吸能结构，撞击力度几乎不受阻地传递到驾驶舱，严重时很可能对车内人员造成严重的伤害，因此对车身骨架的设计提出了极大的挑战。为衡量车辆在翻滚事故上对车内人员的保护能力，IIHS会对车辆进行车顶强度测试，即使用金属板以一定的角度和速度撞击车顶，然后测量车顶的凹陷程度。评为“G”的条件是凹陷不超过5英寸，并且车顶必须能承受超过4倍于车重的碰撞力度。达到相同凹陷程度所能承受的强度为车重的3.25倍以上4倍以下时，评价为“A”（acceptable：允许范围内）；2.5倍以上3.25倍以下时，评价为“M”（marginal：允许范围最底线）；不到2.5倍时，评价为“P”（Poor：差）。
IIHS除了进行传统的测试外，也进行其他汽车安全评测。例如在2016年IIHS进行了两次车辆前大灯性能测试，这些评测能够增加人们对汽车照明系统的关注和厂商对于照明系统的重视，有利于汽车安全的发展。
2.新车评估体系发展历程
NCAP是New Car Assessment Program的缩写，其含义就是新车评估制度或者新车评估体系。1978年，美国公路交通安全管理局率先进行车辆正面碰撞试验，并向消费者公布了试验结果，这就是最初的NCAP制度。NCAP制度最早出现在美国，随后日本、欧盟和澳大利亚等国家和组织也相继制定了自己的NCAP制度。其中，以欧盟的新车评估制度（European New Car Assessment Program，Euro NCAP）最具影响力和代表性。Euro NCAP通过为汽车消费者提供汽车产品安全性能的相对级别等信息，起到了促进汽车制造商改进产品安全性能的作用，在减少交通事故伤害严重程度方面的作用也十分明显。Euro NCAP采用了偏置正面碰撞试验。在正面碰撞试验时，Euro NCAP采用一辆安装了EuroⅢ型号假人的汽车，经由牵引装置牵引，以64km/h的速度滑向可变形的障碍物，车辆前部、司机一侧的40%部分碰撞可变形障碍物上。Euro NCAP是一个民间组织，它以欧盟技术法规为基础，通过严格试验规范要求的办法，定期对在欧盟市场上畅销的车型进行抽样测试，以评估汽车产品的安全性能级别。它所规定的汽车正面碰撞速度比政府制定的安全法规的碰撞速度高8km/h，从而在更恶劣的碰撞环境下评价了对车内乘员的保护程度，同时根据假人头部、胸部、腿部等主要部位的记录数据，对被试验车辆的安全性能进行评分，然后根据被试验车辆的综合性能评分结果来评定汽车安全性能的星级水平，最后向公众展示被试验车辆的评估结果，让公众了解该车型在市场上同类产品中所处的水平——低于平均水平、平均水平和高于平均水平。
3.C-NCAP的发展及趋势
2006年，中国汽车技术研究中心引进了C-NCAP。由于中国人比欧美人矮小，所以C-NCAP碰撞测试中采用50百分位的假人，其高度、体重涵盖了50%的人口（现在国际上通行的是95百分位的假人）。同时，结合中国汽车行业、道路交通事故等特点，与国外NCAP相比，C-NCAP一是增加了正面碰撞中对后排乘员的考核，二是对3辆样车进行排放及油耗评测。
2009年，C-NCAP推出了2009版，与2006版相比，增加了儿童约束装置的考核和侧面碰撞后排乘员的考核。同时，在2012年，中国汽车技术研究中心又对C-NCAP进行了较大的改动，重新调整了星级划分，增加了鞭打测试和ESC主动安全装置配置得分，严格和量化后排乘员考评。2015年，C-NCAP评价体系又进行了一次小改版，成为目前最新的新车质量评价体系标准。1.3 汽车被动安全研究
被动安全性是指汽车在发生不可避免的道路交通事故后，车体结构及乘员约束系统对车内乘员或车外行人进行保护，避免其发生严重伤害或使伤害程度尽可能降低的能力。汽车被动安全的主要研究内容包括汽车耐撞性、乘员约束系统、人体损伤生物力学以及行人保护等。1.3.1 被动安全基础理论
汽车耐撞性：主要研究各种碰撞模式下车体主要吸能区域的变形形态和能量吸收特性，并且在车身材料、结构特性、能量管理和碰撞波形控制等方面寻求改善车体结构耐撞性的方法。目的是在汽车发生道路交通事故时保证乘员的生存空间，使得主要结构最大化吸收碰撞能量，从而将传递给车内乘员的碰撞能量降到最小。
乘员约束系统：主要研究（不同形式的）安全带和安全气囊的物理特性，在车体耐撞性基础上优化乘员约束系统性能，避免乘员与车辆内饰组件发生二次碰撞。另外，安全座椅、吸能式转向系统、安全仪表盘、内装饰组件等的吸能材料对于缓冲二次碰撞也有着重要作用，也是乘员约束系统研究的重要内容。
人体损伤生物力学：主要研究人体在汽车碰撞事故中的损伤机理、力学响应和耐受容限，是关于生物和力学的边缘学科。该研究方向试图利用物理和力学的方法解释医学人体，其研究基础是力学的基本定律和动物组织的本构方程。
行人保护：主要研究道路交通事故中汽车对路上行人的保护性能，研究内容包括汽车前端结构设计优化、行人保护装置，行人冲击模型和试验方法等。
1.汽车耐撞性
20世纪50年代初，航空航天工业首先提出了耐撞性的概念，其是对航天工业器材结构和其中所有零件在撞击中保护乘员能力的一种度量。同样地，汽车的耐撞性主要指车身结构抵抗碰撞变形以及保护乘员免受伤害的能力。车身耐撞性的研究主要对车辆被动安全性能有重大影响的零部件展开研究，包括前后保险杠、纵梁、B柱结构、门槛结构、车门结构等零部件。
现实世界中的车辆碰撞是独一无二的动态事件，其中车辆可能碰撞各种外形、强度、质量不同的车辆，也可能是树、电线杆或桥台等静止物体。总的来说，在车身发展过程中，安全专家将车辆事故分为正面碰撞、侧面碰撞、尾部碰撞和翻车等几种类型。
优良的车身耐撞性能，不仅要求车身在碰撞过程中，能够吸收更多的碰撞冲击能量，而且要求以最小的结构变形，保证乘员的有效生存空间，还要保证碰撞后乘员容易逃脱以及便于车外救护。
2.乘员约束系统
当整车结构的耐撞性达到设计要求和法规要求以后，要求进一步减轻车内乘员在汽车碰撞发生后的受伤程度，而乘员约束系统的出现，使这种设想成为现实。一般来讲，乘员约束系统包括汽车座椅安全带以及安全气囊系统等。（1）安全带。安全带是一种用于保证车内乘员在汽车碰撞过程中免受二次碰撞伤害的保护装置。当汽车高速行驶，发生碰撞事故时，汽车的速度几乎瞬间降为零，但是乘员的身体由于惯性会继续向前运动，进而与汽车内部的部件产生接触，或者直接撞碎前风挡玻璃，飞出车外。为防止上述情况的发生，我国汽车安全法规要求车辆必须加装安全带装置，驾驶员和副驾驶侧乘员在汽车行进时必须正确佩戴安全带。碰撞事故发生时，安全带能够限制乘员的运动并吸收部分碰撞能量，从而减小乘员受到的伤害。（2）安全气囊系统。安全气囊系统（supplemental restrain system，SRS）是美国工程师John Hotrich于1953年发明的。汽车发生正面碰撞时，对乘员起保护作用的被动约束系统中最有名的就是安全气囊系统了。当汽车的碰撞达到一定的严重程度时，安全气囊系统会自发启动，安全气囊便会自动弹出，在驾驶员（或乘员）与方向盘（或仪表板）之间形成气垫，利用充气的气袋来吸收乘员的冲击能量，避免乘员最容易受到严重伤害的头部和胸部与方向盘、仪表盘等约束部件发生“二次碰撞”而造成严重伤害。
3.人体损伤生物力学
损伤生物力学是一门医学和工程力学交叉的学科，是汽车被动安全研究的重要基础理论之一。生物力学研究的主要目的是通过研究和分析人体损伤过程，弄清其损伤机理，从而提出有效的方法来减少或消除人体的结构或功能损伤。（1）人体头部生物力学。从工程力学的角度来看，主要的头部损伤是发生在碰撞瞬间和随后的一段时间里，头部损伤的方式多种多样，各种损伤机理互相影响，使头部损伤的研究更加复杂。
头部的直接接触碰撞（线性加速度）和惯性加载的非接触碰撞被认为是造成头部损伤的两大损伤机理。旋转运动可以产生集中性和弥散性的脑损伤，而线性加速度则被认为可导致集中性脑损伤。惯性加速度冲击荷载、直接碰撞和静态加载为作用于人体头部的最常见的三种荷载。在这些荷载的作用下，颅脑结构出现变形，引起压缩、拉伸和剪切等不同脑组织应力。当这些应力值超过一定的耐受极限时，就会造成各种类型的损伤。
美国韦恩州立大学的Lissner等人是最早开始研究头部碰撞损伤耐受容限的研究团队之一。他们提出了韦恩耐受曲线WSTC，将头部损伤耐受限度进行了量化。随后的十几年间，不少研究学者对WSTC曲线进行了完善和调整，Versace于1971年提出了HIC（head injury criteria）
式中，a（t）表示头部质心合成加速度，T-T表示HIC达到最大21值时的时间间隔。这一标准随后被美国政府采用并作为头部损伤安全标准，用于实验条件下碰撞人体头部损伤评估。（2）人体颈部生物力学。在汽车追尾碰撞中，由于惯性的作用，躯体和车辆向前加速运动，而头部保持碰撞前的速度运动，头部和胸部具有较大的相对运动，使颈部过度后伸，超过了人体运动的正常生理范围，造成颈部部分软组织的拉伤或者扭伤。根据损伤具体部位，颈部损伤机理主要可分为以下三种：
椎体及周围韧带或肌肉的损伤。1965年，Macnab用猴子做了颈部损伤的研究，并提出第一个颈部损伤机理。碰撞瞬间，椎间盘相对于椎体的运动很剧烈，导致椎体周围肌肉或韧带的撕裂，或者导致交感神经或椎体上钩突部位表面的损伤。
脊髓神经根损伤。Aldmanl用麻醉的猪做了颈部损伤的研究，当猪以一定的速度和加速度向后运动时，发现脊管内体积瞬时变化很大，引起脊髓的压强瞬时变化，它可能会导致脊髓神经根的损伤。这是颈部损伤准则NIC提出的基础。
关节突部位的损伤。研究者从不同的方面提出了关节突部位损伤的发病机理，Yang和Begaman认为是关节突周围的关节囊的损伤，Kashioroen和KojiKaneoka认为是上下关节突表面的冲撞引起的软骨面损伤等。存在的类似于头部损伤准则HIC的颈部损伤准则有很多种，这里就不做详细介绍了，以下分别是颈部所能承受的轴向压缩力、轴向拉力和水平剪切力的耐受容限。
弯曲力矩：190N·m
外翻力矩：57N·m
轴向拉力：2200N（峰值）
轴向压力：4000N（峰值）
轴向剪力：3100N（峰值）（3）人体胸部生物力学。胸部有许多生存所必需的器官，这些器官受到胸腔以及胸椎的保护。通常情况下，严重的汽车碰撞对胸部产生的作用力足以使肋骨以及胸骨骨折，同时也会撕裂胸部中的主动脉，损害心脏壁。有时，高速的钝性碰撞会造成心脏的心室纤维性颤动。肺部可能因为胸壁的碰撞或是经肺泡组织传递的压缩波而受到损伤，亦可能被断裂的肋骨末端所伤。由于相关组织的黏弹性，各种损伤类型的确定取决于加载速率。低速碰撞时，损伤形式为胸腔变形或者骨折。高速碰撞时，损伤形式表现为以压力波的形式向胸腔内传播而导致胸腔内脏器损伤。
由于胸部损伤发生在挤压力、惯性力和冲击波荷载作用下，所以胸部损伤耐受度的定义与力、加速度、压缩量和黏弹性数据有关。通常采用组合胸部损伤指标CTI，它同时考虑了胸部最大变形和上脊柱在3ms内最大合成加速度两个因素对胸部损伤进行评价，其计算式如下
其中，A为上脊柱合成加速度的最大值；D为胸部变形的maxmax最大值；A和D分别为对应的加速度和变形量的临界值，对于50百intint分位男性假人，A为85g，D为102mm。intint（4）人体下肢生物力学。在汽车前碰撞中，引起驾驶员下肢损伤的机理有很多，这些机理主要包括：下肢被夹在地板和仪表板之间，脚围板侵入，脚被夹在刹车踏板下面，与刹车踏板接触，脚从刹车踏板上滑落并与底板接触等。
人体下肢的损伤标准有股骨损伤准则（femur force criterion，FFC）、胫骨指数（tibia index，TI）和胫骨损伤准则（tibia compressive force criterion，TCFC）等。FFC评估股骨损伤，TI和TCFC都是胫骨的损伤标准。FFC和TCFC标准都是基于长骨所承受的轴向荷载而计算的。
a.股骨损伤准则
股骨损伤准则是对大腿的一项损伤估量。它是轴向传递给假人的每条大腿的压缩力，其值由假人大腿处的荷载传感器量取。FFC损伤计算被应用于位于大腿处的荷载传感器的固接铰的铰链约束力。
b.胫骨损伤准则
胫骨损伤准则是对胫骨的一项损伤估量。它是轴向传递给假人的每根胫骨的压缩力，其值由假人胫骨处的荷载传感器量取。TCFC损伤计算被应用于位于胫骨处的荷载传感器的固接铰的铰链约束力。
c.胫骨指数
胫骨指数是对胫骨的一项损伤估量，可以由位于胫骨处的荷载传感器的固接铰的铰链约束力来计算。TI的计算由如下方程式给出
其中，F为胫骨的轴向压缩力，F为临界压缩力，取35.9kN，Mcx为x方向的转矩，M为y方向的转矩，M为临界合成转矩。不难看yc出，胫骨指数是关于轴向压缩力和转矩的综合指数。
Wisman等人归纳了前碰撞中的人体下肢各部位损伤的耐受容限，如表1-1所示。表1-1 人体下肢各部位损伤的耐受容限
4.行人保护
为了保护车内乘员的安全，车身材料强度和外部结构强度不断提高，而这也导致了在人车碰撞的交通事故中，车辆对车外行人造成的伤害加大。
据世界卫生组织统计的《世界预防道路交通伤害报告》的数据显示，在道路交通安全事故中，骑自行车者、摩托车驾驶员和行人是道路交通事故中的弱势群体，他们的死亡人数是车辆内部乘员的数倍。伴随着汽车保有量的不断增加，道路交通事故发生的频率和死亡人数也在不断上升，其中行人的安全状况尤为突出，因此对行人碰撞的保护研究势在必行。伴随着各国针对行人碰撞保护制定的相应的法律法规，这一部分内容已经成为汽车被动安全研究中的重点之一。
各大汽车厂商为了达到严格的行人保护碰撞规范要求，尽可能降低事故对行人的伤害，也都纷纷采取不同的措施和技术对汽车进行改进设计，针对汽车保险杠、发动机罩、安全气囊等方面，加入了一些被动式行人保护技术的应用，如碰撞缓冲防护系统、主动防护发动机罩以及行人安全气囊等。1.3.2 被动安全系统开发
汽车被动安全是涉及材料、机械、力学、计算机和医学等学科，有限元和多刚体等理论的系统工程。在工程实践中通常采用两种研究方法，即碰撞试验技术与计算机仿真技术，两者在产品开发的不同阶段交替使用，相辅相成。
汽车碰撞试验主要包括部件试验、台车碰撞试验、行人保护试验和实车碰撞试验。其中，部件试验主要用于评价汽车部件本身的安全性能；台车碰撞试验主要用于优化匹配，评价乘员约束系统的保护性能；行人保护试验主要是使用人体不同部位的冲击模型考察汽车的行人保护性能；实车碰撞试验是根据各种实际道路交通事故形式分类规范形成的，与汽车碰撞事故最为接近，所以是综合评价汽车被动安全最基本、最有效的方法。通过实车碰撞试验来考核和确认车体结构耐撞性、乘员约束系统保护性能以及对成品车型法规认证等。但是完全依靠试验的方法来改进汽车的被动安全不仅会造成巨大的产品开发成本，而且不能保证产品的开发周期。
随着牛顿矢量力学、拉格朗日分析力学、多体系统动力学和有限元理论的应用和发展，以及数值计算方法和计算机技术水平的不断提高，汽车碰撞仿真计算理论和方法得到了不断的发展和完善，计算机仿真技术越来越多地被运用到汽车被动安全研究领域。目前，业内广泛使用的分析软件主要有LS-DYNA、PAM-CRASH、RADIOSS、OASYS、VPG和MADYMO等。计算机仿真技术可以在汽车结构设计阶段实现被动安全目标定义、方案评估和性能目标分解，保证性能目标的顺利实现，从而大大降低了开发费用，缩短了产品的开发周期。在产品开发后期结合碰撞实验数据，可以为车体结构改进设计、乘员约束系统参数优化提供合理有效的方案，实现汽车被动安全性能的综合控制，减小设计风险。实践证明，碰撞试验技术与计算机仿真技术相结合，是开发具有高品质被动安全性能汽车产品的高效技术途径。
1.结构耐撞性的开发方法
与一般的结构设计相比，汽车的结构设计具有其特殊性。一般的结构设计仅需使结构满足承受荷载不屈服、不崩溃的要求。但是，汽车的结构设计在满足前面提到的荷载要求的同时，也必须达到短时间内（毫秒级）变形可控的要求。此外，汽车的结构刚度需要与车辆的平顺性、操稳性和NVH相协调。
在汽车安全的发展之初，结构设计主要依赖于大量的测试和经验。在车辆的原型构建和测试方法出现之前，测试工程师无法评估整车耐撞性。然而，近年来由于汽车工业的发展，车辆设计的要求也大大增加，汽车的设计在需要满足安全规范、燃油经济性、制造成本的同时，还需缩短设计周期时间。这些要求对耐撞性方面分析工具的发展提供了促进作用。目前，各种强大的分析工具都被应用在耐撞性评估上。从以前具有几个自由度的简单集总参数模型，演变到目前具有几百万个自由度的有限元模型。（1）耐撞性测试。从零部件到全尺寸汽车的结构，尽管计算力学和超级计算机技术的发展，使得碰撞模拟测试取得了巨大的进步，但是最终的耐撞性评估依然依靠实验室测试。整车认证更是如此。
目前耐撞性有三种测试类型：零部件实验、台车实验和整车碰撞实验，实验的难度和相关变量的复杂性不断增加。这可能会导致测试可重复性下降——某些情况可能无法用实验进行模拟。组件测试中，装载一个孤立的零件能够产生一个动态或准静态响应。这些组件测试在确定碰撞模型和能量吸收能力等方面是至关重要的。
在台车试验中，台车代表乘客室与所有其内部组件，如座位、仪表板、转向系统、安全带和气囊。汽车假人置于台车上，模拟驾驶员或乘客，并进行动态负载，模拟车辆减速时间曲线，以评估在正面碰撞或侧面碰撞时乘客的反应。台车实验的主要目的是对约束系统进行评价。碰撞的过程由高速相机拍摄记录。此外，安装在假人和约束系统上的传感器监测碰撞时的力和力矩，以帮助确定碰撞的严重性和约束系统在减少传递到乘员负载的有效性。
典型的整车碰撞测试指的是引导车根据预定的速度和角度撞击一个障碍物。通常情况下，障碍测试使用完整的车辆。对于评价零部件测试，台车测试同样有效，特别是在评价的约束系统方面。
安全工程师运行碰撞测试，以确保车辆的结构完整性符合政府的规定（例如车辆安全标准FMVSS 208）。一个完整的测试车辆包含众多的力传感器、加速度传感器和碰撞测试假人，测试时，汽车分别以不同的角度、一定的速度碰撞一个刚性障碍物。障碍物表面安装有多个力传感器，用来监测力-时间曲线。为了满足FMVSS 208的要求，无约束的驾驶位和副驾驶位的假人得分必须低于人体头部、胸部和腿的伤害阈值。
另外，在著名的NCAP中，假人测试是在35mph的速度下测试的。假人测试的约束系统有三点式安全带系统、辅助保护安全气囊。通过检测碰撞时汽车减速程度的大小，汽车碰撞刚性障碍物测试提供了一种评估约束系统的标准。
安全专家用侧面碰撞的方式进行了整车碰撞测试，车辆以特定的速度行驶时，一个塑性或者刚性的障碍物以特定的角度撞击车辆侧面（FMVSS 214）。在测试中，侧面碰撞假人（“SID”for the US and“EURO SID 1”for Europe）位于驾驶位和后座外侧位置。
另外，整车实验时，通过尾部碰撞塑性障碍物，以及通过检测油箱的完整性来评估汽车尾部的结构性能。为了满足FMVSS 216中对车顶强度的评估标准，工程师采用准静态加载的“温室”，确保车顶变形低于一定的外加负载标准。
实车测试既费时又昂贵，特别是在车辆开发的早期阶段，只有原型车可用。为确保耐撞性，并符合国家的标准和车辆的国际规定，近几十年来，设计工程师通过使用仿真碰撞模型来模拟实验。计算流体力学和先进的计算机硬件是碰撞模型建立的保障。
为了满足人们不断增长的安全需求，车辆设计已经演变成测试和仿真相互配合的设计流程。无论是通过计算机模拟，或是实车试验，抑或是通过两者的组合，试验评估车辆耐撞性的最终目的，是确定现实世界的碰撞情况时人类的伤害值。不幸的是，现实中的每一个碰撞都是一个独一无二的事件，试图分析所有现实世界的碰撞情况是一项艰巨的任务，并且既费时又不经济。因此，工程师会有选择地进行那些现实中最相关的、最容易对人体造成伤害的试验模型。（2）耐撞性模型要求。耐撞性模型应至少满足以下要求：
1）精确：该模型应该能够得到满足试验目的的合理且准确的预测。
2）速度：该模型应该能够在合理运行时间内得到结果。
3）鲁棒性：在模型参数的微小变化下不应该产生大模型响应。
4）开发时间：该模型可以在一个合理的时间内建造出来。
2.乘员约束系统的开发手段
在汽车被动安全性能开发过程中，整车结构耐撞性达到既定开发目标后，研究和改善乘员约束系统保护性能是进一步提高整车被动安全性能的关键。乘员约束系统主要包括座椅系统、安全带、安全气囊系统等。乘员约束系统的匹配设计应当基于汽车被动安全性能目标，因为不同的被动安全法规或者评价体系对乘员保护性能要求各不相同，从而使得乘员约束系统匹配所涉及的装置种类和范围有所不同。该实验的目的是通过乘员约束系统的灵敏度分析找出影响乘员保护性能的主要因素，然后对乘员约束系统参数进行匹配，找到优化方案。（1）计算机仿真分析方法。对于汽车工程中的设计和研究来说，建立数字模型，进行模拟仿真分析（CAE）具有极大的优势和实用价值。在过去，对系统的设计或改进常常需要做多次重复性实验，通过“试错”加以改进，来满足标准要求，研究者和设计师一直希望通过建立有效的模型为产品的初始设计或改进设计提供依据。由于相关理论的不断发展和完善，加之计算机硬件性能的飞速发展，使得实现复杂结构的模拟计算成为可能。这些计算仿真分析包括零部件模拟、结构分析、碰撞模拟分析、热力场模拟、疲劳寿命分析、线性/非线性静态模拟、频次分析、乘员动态响应模拟等，CAE的思想已经渗透到工程设计中的各个领域。
在乘员约束系统的设计开发中，计算机仿真分析方法可以模拟真实碰撞事故发生时车辆结构和部件的变形状态，以及此时车内乘员的运动状态、乘员与可能接触的车体结构和约束系统的关系，并可以进一步了解乘员的受力和伤害状况。
当然仿真模型的精度会影响到仿真结果的有效性。事实上，乘员约束系统的设计开发中还不能完全脱离物理实验。因为计算机仿真方法中所建立的模型，本身是一定程度上的近似，存在一定的局限性，不可能完全真实地反映整个物理过程，因此仿真结果的正确性需要用物理实验来确认。（2）物理试验方法。乘员约束系统的设计开发中，最早是通过物理试验来进行的。相关试验包括：台架冲击试验、台车碰撞模拟试验和实车碰撞试验等。
台架冲击试验主要用来模拟人体不同部位与乘员约束系统之间的相互作用，以评价乘员约束系统本身的安全性能。如用形状和质量类似人体躯干的质量块冲击转向器，测量转向器与人体产生的碰撞力的大小。台车碰撞模拟试验主要用来对乘员约束系统的性能进行评价，其原理是利用可调缓冲的机构使台车获得可以重复的、接近于实车碰撞的加速度波形。实车碰撞试验主要用来在已经开发出的成品上进行试验，以鉴定乘员约束系统是否满足法规要求。实车碰撞试验一般要控制车辆的碰撞速度，而台车冲击试验不仅要控制碰撞速度，还要控制加速度波形。由于约束系统开发中涉及的试验要用到大量的传感器和许多电测量、光测量设备上，并需要进行复杂的数据采集和处理工作，实验的准备和后处理十分耗时。另外，安全实验包括许多整车实验都是破坏性的，因此实验费用十分昂贵。物理实验不可避免地会受到一些随机因素的影响，使实验结果不够稳定，可重复性较差。随着计算机在计算速度、内存容量和图形处理功能等方面的发展，以及有限元和多体动力学建模方法的不断完善，计算机仿真分析方法得到了越来越多的研究者的认可和采用。
因此，乘员约束系统的设计开发中，物理实验方法与计算机仿真分析方法相辅相成，开发前期利用计算机仿真分析方法得到的乘员约束系统仿真模型结合物理试验加以验证，基于验证结果再对计算机仿真分析模型进行改进和优化，直到获得与汽车前端结构完美匹配的乘员约束系统。这样一套开发设计流程，已经被各大汽车厂商广泛采用。1.4 汽车主动安全研究
汽车主动安全指的是车辆主动避免危险的能力，主要研究人、车、环境三者之间的关系。主动安全更多考虑的是汽车在危险情况下主动采取措施，避免事故的发生，将保护提前到事故发生之前，在保护的基础上更加注重预防。较早出现的主动安全系统包括制动防抱死系统（antilock brake system，ABS）、驱动防滑系统（acceleration slip regulation，ARS）、电子稳定系统（electronic stability program，ESP）等。
随着汽车工业的不断发展，上述这些早期的主动安全系统早已成为现在汽车的标配，现在出现的主动安全系统表现得更加智能化。1.4.1 主动安全系统理论
在电子技术、通信技术、传感技术快速发展的推动下，汽车主动安全迎来了智能化发展，出现了高效能驾驶辅助系统。高效能驾驶辅助系统有助于降低驾驶情况下的危险，并避免事故的发生。危险情况下，如果驾驶员未能正确反应或者反应得很慢，这些辅助系统可以快速且针对性极强地做出决策，挽救驾驶员的过失。主动安全技术智能化提升的关键技术是传感器。传感器可以监测周边环境，有助于降低事故的风险。汽车上的传感器需要满足稳健性、时效性、防风雨性等使用性能。此外，它们必须在感应障碍的角度和距离上特别精确，且能精确测算出障碍的速度。
1.主动安全系统
本小节简单介绍一下几种主动安全系统：辅助制动系统、车距控制系统、盲点辅助系统和车道偏离警示系统。（1）辅助制动系统（brake assist），指能够通过判断驾驶员的制动动作，在紧急制动时辅助驾驶员制动的系统。通过事故研究表明，很多情况下，虽然驾驶员在危险情况下进行了制动，但是没有施加足够的力在制动踏板上。辅助制动系统在汽车上的广泛运用可以减少很多追尾及与行人相关的事故。
汽车在紧急情况下，几秒钟，有时甚至几分之一秒，就可以使要发生的事故发生改变，甚至是避免。紧急情况下快速意识到危险，并快速采取措施对避免碰撞有决定性作用。辅助制动系统中的传感器可以帮助驾驶员感知潜在的危险环境，并把危险信号传输到安全系统中。同时，传感器会持续监控前方车辆的交通状况。安全系统的传感器数据会融合在电控单元中，用于分析交通环境状况。如果在传感器监控范围内的前方车辆突然刹车，即可能出现碰撞的风险，辅助制动系统会自动决定在该环境下防止碰撞发生所需的制动压力。换句话说，该系统帮驾驶员监测危险，并且在驾驶员没有施加足够的制动力的情况下，计算立即可用的制动提升力。根据速度和距离，辅助制动系统进行可控的、有针对性的制动，如果必要的话，系统会增加制动力，直到完全制动为止。（2）车距控制系统（distance control assist），是使两车自动保持恒定距离的系统。车距控制系统能有效降低追尾事故的发生。该系统能在范围很广的车速下工作，因此在不断走停的拥堵交通状况下也可起作用。一般情况下，车距控制系统与辅助制动系统协同工作。
车距控制系统中的传感器会测量前方车辆的距离，并与本车车速进行比较。系统根据这些数据来确定是保持车速，还是降低车速。在需要的情况下，该系统可以利用制动的方式让本车与前车保持一定的距离，甚至还可以在一定的交通状况下使汽车完全停止。如果本车与前车的距离缩小得很快，该系统会给驾驶员一个警示信号，并且在警示期间，自动计算在这种环境下防止碰撞所需的制动压力，以便自动控制车距。（3）盲点辅助系统（blind spot assist），是通过传感器指示出驾驶员视野外的障碍物，如果变道会有危险，它就会提醒驾驶员。该系统会让车辆变道及十字路口行驶更安全，还可以在汽车驶入另一条街道时给驾驶员提供帮助。在全世界，造成交通事故的原因有很多，其中有一个重要原因为：驾驶员在变道或者超车后快速切入后方车辆的前面而没有注意到后边车辆。盲点辅助系统就能帮助驾驶员安全变道。安装在车辆后方的传感器可以监测车辆两侧和后方的区域。该系统使驾驶员能够看到旁边车道的车辆，即位于盲点区的车辆。在危险状况下，该系统通过一定的警示信号提醒驾驶员。（4）车道偏离预警系统（lane keeping assist），指在汽车无意间偏离车道时，车辆会给驾驶员发出警示。汽车挡风玻璃内的摄像头可以检测道路上的交通标记，还能检测出汽车是否偏离了车道。系统通过将识别到的路面信息和交通标记由图像处理系统传给电控单元，电控单元会判断汽车的位置，并判断汽车是左偏离还是右偏离行驶车道，并且电控单元还可以判断汽车偏离车道是有意还是无意的。有意的偏离情况是不会警示的，例如在驾驶员超车或者进入高速路前加速的情况下不会警示，急刹车或者转弯时也不会出现警示。如果系统判定车辆是无意间偏离车道，它会启动一个电动动，使转向轮发生振动，这是一种高效的提示驾驶员回转车轮的方式。警示的时间取决于道路的宽度和道路上的标记。如果汽车超过了道路上的实线，而不是虚线，系统就会更早发出警示。车道偏离警示系统一发现交通标记就会处于运行状态，但在车速较低，一般低于60km/h时就不会工作。此外，车道偏离警示系统在ABS、ESP、辅助制动或者其他安全系统工作时会立即失效。在以后的发展中，这个辅助系统可以依靠传感器或者直接用传感器代替，因为有些传感器也能准确地识别路面信息。
由以上介绍的主动安全系统，我们可以看出传感器是这些系统监测各种危险的基础。与传感器配合的就是控制单元，通过ECU处理传感器监测到的信息，由控制系统控制汽车做出相应的动作。因此，控制系统是主动安全系统的基础。
2.工程控制基础
本小节主要介绍工程控制的基础知识，包括微分方程和拉普拉斯变换。（1）微分方程。微分方程是描述自动控制系统时域动态特性的最基本模型，又被称为控制系统时域内的运动方程。用解析法建立运动方程的步骤是：
1）分析系统的工作原理和系统中各变量间的关系，确定出待研究元件或系统的输入量和输出量；
2）从输入端入手（闭环系统一般从比较环节入手），依据各元件所遵循的物理、化学、生物等规律，列写各自方程式。
3）将所有方程联解，消去中间变量，得出系统输入输出的标准方程。
所谓标准方程包含三个方面的内容：①将与输入量有关的各项放在方程的右边，与输出量有关的各项放在方程的左边；②各导数项按降幂排列；③将方程的系数通过原件或系统的参数转化成具有一定物理意义的系数。如果在动态系统中，每个环节的输入输出特性都是线性的，系统的性能可以用线性常微分方程来描述
如：弹簧-质量系统
线性系统的基本特点，是可以应用叠加原理来处理输入输出之间的关系。
在动态系统中，只要有一个元部件的输入输出特性是非线性的，就要用非线性微分方程来描述其性能，其特点是系数与变量有关，如
非线性系统的基本特点，是不可以应用叠加原理来处理输入输出之间的关系。（2）控制理论基础。
1）状态向量。以系统的一组状态变量x（t），x（t），…，12x（t）为分量所构成的向量X（t），称为状态向量。n
只要给定了在t≥t的输入u（t）和起始状态X（t），则状态向量00X（t）就能唯一地确定任何t≥t时的系统状态。0
2）状态空间。以状态向量的分量x（t），x（t），…，x（t）12n为坐标轴，构成的n维空间称为状态空间，任意的状态都可以用状态空间中的一个点来描述。
3）状态方程。假设系统的控制输入为u（t），u（t），…，12u（t），它们为时间的函数，记为n
用=F（X，U，t）来表示系统状态变量X（t）随系统输入U（t）以及时间t变化的规律的方程为状态方程。
4）输出方程。假设系统的输出变量y（t），y（t），…，12y（t），记为m
用Y（t）=G［X（t），U（t），t］来表示输出变量Y（t）与系统状态变量X（t）、系统输入U（t）以及时间t变化的方程为输出方程。
根据函数F和G的不同情况，一般控制系统可以分为四种：线性定常（时不变）系统、线性不定常（时变）系统、非线性定常系统和非线性时变系统。
由以上基本可得概念状态方程和输出方程分别表示为以下形式
上式中（3）拉普拉斯变换。拉普拉斯变换（拉氏变换）是一种解线性微分方程的简便运算方法。通过拉氏变换可将微积分的运算转变为复平面内的代数运算，即线性微分方程被转换成复变量的代数方程。
1）定义。如果函数x（t）>0满足下列条件：当t<0，x（t）=0；当t>0，x（t）在每个有限区间上是分段连续的；则可定义x（t）的拉氏变换X（s），x（t）称为原函数，X（s）称为像函数，其中s是复数s=b+jw（s与时间t无关），X（s）与x（t）互为拉氏变换对。
2）简单函数的拉普拉斯变换。
a.单位阶跃函数at
b.指数函数e。
c.正弦函数sin（ωt）。
d.导数函数。（n）
e.导数函数、x（t）。
3）拉普拉斯变换的性质。
a.叠加性质。
若L［f（t）］=F（s），L［f（t）］=F（s），则1122
b.微分原理。
c.积分原理。
d.卷积分的拉氏变换。
4）拉式变换表。
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]