以輕量化和電動化為主導(dǎo)的汽車工業(yè)產(chǎn)業(yè)升級是實現(xiàn)《中國制造2025》目標(biāo)的重要內(nèi)容。汽車的小型化、輕量化、電動化和智能化給汽車碰撞安全性設(shè)計提出了更大的技術(shù)挑戰(zhàn)。在汽車輕量化和電動化技術(shù)升級與應(yīng)用中，與汽車碰撞事故中人員、電池及結(jié)構(gòu)碰撞安全保護(hù)相關(guān)的主要技術(shù)瓶頸體現(xiàn)在：

(1) 輕量化和小型化要求導(dǎo)致汽車碰撞剛度提高，缺乏道路事故工況和嚴(yán)苛碰撞波形下對行人及乘員提供有效保護(hù)的技術(shù)以及安全評測工具和設(shè)計方法，無法有效解決低成本車輛和小型車輛在碰撞吸能位移不足與降低乘員和行人傷亡風(fēng)險之間的設(shè)計沖突；

(2) 車用動力電池在在碰撞沖擊下變形破壞和內(nèi)短路失效機(jī)理不明確，難以準(zhǔn)確預(yù)測碰撞下動力電池的損傷和熱失控風(fēng)險，使得電池針對碰撞載荷的保護(hù)經(jīng)常處于“過保護(hù)”或“保護(hù)不足”的狀態(tài)，不利于實現(xiàn)車輛輕量化；

(3) 缺乏對輕質(zhì)高強材料和連接接頭在碰撞載荷下的大變形斷裂失效的力學(xué)性能表征和仿真技術(shù)，缺乏基于異種材料和復(fù)合連接的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法和斷裂控制技術(shù)，無法保障復(fù)雜工況下輕量化車身和動力電池碰撞保護(hù)設(shè)計的質(zhì)量和效率。

由于存在上述諸多技術(shù)瓶頸，安全系統(tǒng)開發(fā)由工程經(jīng)驗主導(dǎo)，缺乏科學(xué)的正向設(shè)計方法和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，導(dǎo)致人員安全、車用動力電池保護(hù)、車身結(jié)構(gòu)存在大量不合理的冗余設(shè)計或欠設(shè)計，產(chǎn)品開發(fā)周期長、車輛設(shè)計和制造成本高。

基于本研究團(tuán)隊在過去十多年中的研究成果，本文通過八個研究課題及結(jié)果，論述汽車碰撞安全性研發(fā)中的若干技術(shù)挑戰(zhàn)。這些研究課題的主體是汽車結(jié)構(gòu)與動力電池系統(tǒng)的碰撞安全性設(shè)計，難題來源于工程實際，基礎(chǔ)是沖擊力學(xué)理論，研究手段是材料和結(jié)構(gòu)的沖擊力學(xué)試驗以及計算仿真分析，它們之間的學(xué)術(shù)關(guān)聯(lián)性如圖1所示，基于輕量化材料的沖擊失效研究，通過試驗獲得足夠準(zhǔn)確的材料和連接接頭的力學(xué)性能數(shù)據(jù)，進(jìn)行性能分析，進(jìn)而建立高精度的計算仿真模型，對其在沖擊載荷下的變形與失效行為進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測，并應(yīng)用于汽車結(jié)構(gòu)的設(shè)計。一方面，為人員碰撞保護(hù)技術(shù)研究提供輕量化結(jié)構(gòu)優(yōu)化和非金屬吸能材料力學(xué)性能表征等方面的基礎(chǔ)，形成了面向汽車碰撞載荷的人體安全評測體系和碰撞安全保護(hù)設(shè)計與開發(fā)技術(shù)；另一方面，為車用動力電池的碰撞安全研究和防護(hù)提供了材料力學(xué)和沖擊試驗技術(shù)等方面的基礎(chǔ)，形成了輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計與車用動力電池保護(hù)技術(shù)體系。

圖1 汽車結(jié)構(gòu)與動力電池碰撞安全關(guān)鍵技術(shù)的學(xué)術(shù)關(guān)聯(lián)性

本文所介紹的成果多是基于本研究團(tuán)隊的國際合作課題和國家縱向課題產(chǎn)生，并結(jié)合國內(nèi)汽車企業(yè)的研發(fā)需求，通過校企合作對相關(guān)方法和技術(shù)進(jìn)行吸收轉(zhuǎn)化，進(jìn)一步研制出了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用技術(shù)，并在多款自主品牌的量產(chǎn)車型中得到應(yīng)用，實現(xiàn)了國際開放合作創(chuàng)新基礎(chǔ)上的自主應(yīng)用。

 2.1 滿足行人頭部碰撞保護(hù)要求的夾層式汽車前艙罩蓋技術(shù)

傳統(tǒng)的汽車前艙罩蓋結(jié)構(gòu)變形強度分布不均勻、碰撞吸能效率低下，導(dǎo)致行人頭部碰撞時傷害嚴(yán)重。為解決該難題，我們發(fā)明了面向行人頭部碰撞安全保護(hù)的均勻構(gòu)型夾層汽車前艙罩蓋技術(shù)（圖2）[1-6]。沿行人頭部沖擊方向，通過初始碰撞的慣性力和罩蓋隨動質(zhì)量分布的設(shè)計控制初始碰撞峰，之后碰撞抗力迅速下降；隨著沖擊位移的增大，罩蓋膜力效應(yīng)開始起作用，碰撞抗力再次上升；當(dāng)罩蓋下方的吸能位移用盡以后，以罩蓋夾層的局部壓潰來控制碰撞尾峰，吸收殘余動能[2]。按照行人頭部碰撞響應(yīng)過程主導(dǎo)因素的不同劃分碰撞波形階段與前艙罩蓋特征區(qū)域，在罩蓋的面內(nèi)方向，通過夾層結(jié)構(gòu)形式和厚度分布補償因邊界約束等造成的罩蓋變形剛度的分布不均，實現(xiàn)了罩蓋碰撞響應(yīng)全局最優(yōu)，將行人頭碰撞保護(hù)所需的罩蓋下方位移降低了20%。以此為基礎(chǔ)，形成了行人頭模塊碰撞波形控制理論以及相應(yīng)的夾層罩蓋設(shè)計方法，同時突破了罩蓋變形強度不均和下方吸能位移受限兩個難點。

圖2 面向行人頭部碰撞安全的碰撞波形控制方法與均勻構(gòu)型的前艙夾層罩蓋技術(shù)

2.2 滿足復(fù)雜工況的乘員碰撞響應(yīng)控制技術(shù)

由于小型車和輕量化車的碰撞波形相比普通轎車更為復(fù)雜和嚴(yán)苛，車輛前部結(jié)構(gòu)吸能位移和乘員艙內(nèi)的生存空間有限，使得在強沖擊載荷作用下，很難在被保護(hù)對象上施加均勻載荷，導(dǎo)致人員承受的載荷在時間和空間上呈現(xiàn)很強的非均勻分布特性，能量吸收空間利用率低下，損傷超標(biāo)。針對乘員整體碰撞響應(yīng)姿態(tài)控制的難題，我們建立了基于膝部擋板、座椅姿態(tài)和剛度調(diào)節(jié)的乘員碰撞響應(yīng)姿態(tài)控制方法（圖3a），其核心是利用碰撞初始的高慣性力來平衡碰撞后期的吸能位移，充分利用外載荷沖擊在時間歷程和空間分布的特點來控制人體碰撞響應(yīng)姿態(tài)，通過控制乘員軀干和下肢約束力的作用時間及強度來控制乘員的碰撞響應(yīng)姿態(tài)，使其在碰撞歷程中經(jīng)歷更為均衡的約束力，優(yōu)化安全系統(tǒng)的變形模式和響應(yīng)次序，提高能量吸收效率，實現(xiàn)損傷敏感部位沖擊力的降低，從而最小化乘員損傷風(fēng)險[7-9]。

在此基礎(chǔ)上，通過對乘員約束構(gòu)型譜的研究，進(jìn)一步得到了自適應(yīng)乘員約束系統(tǒng)的關(guān)鍵影響參數(shù)和損傷輸出之間的關(guān)系，實現(xiàn)了乘員約束載荷針對乘員身材和碰撞強度可調(diào)（圖3b），可進(jìn)一步使系統(tǒng)成為主動、被動一體化的自適應(yīng)乘員約束系統(tǒng)，對復(fù)雜碰撞工況和中國人體特征提供有針對性的碰撞保護(hù)，為未來智能汽車環(huán)境下具有多種朝向和姿態(tài)的乘員碰撞保護(hù)提供了先期研究結(jié)果。

我們提出的滑動吸能座椅技術(shù)（圖3c）與后傾乘員的姿態(tài)控制和碰撞保護(hù)技術(shù)，不僅能有效降低尾撞工況下頸部揮鞭傷的風(fēng)險，還可與氣囊及安全帶協(xié)同作用，有效控制乘員的整體運動姿態(tài)，避免乘員發(fā)生下潛運動，并在主動、被動一體化技術(shù)層面利用主動座椅控制和碰撞動能快速調(diào)整后傾乘員姿態(tài)[10-17]。

圖3 乘員碰撞響應(yīng)姿態(tài)控制技術(shù)和裝置

2.3 適應(yīng)多方向碰撞響應(yīng)的碰撞假人技術(shù)

作為汽車碰撞安全性的人員損傷評價裝置，國際上現(xiàn)有的碰撞假人僅能適應(yīng)單一工況，分為正面碰撞假人和側(cè)面碰撞假人。而實際道路交通事故中人體所經(jīng)受的載荷多為斜向碰撞，這不僅因為實際事故工況復(fù)雜，也因為座椅安全帶對人體的加載本身就是非對稱的。為實現(xiàn)多工況下對人員損傷的準(zhǔn)確評估，研發(fā)了具有高生物逼真度的多方向碰撞假人柔性胸部結(jié)構(gòu)（圖4a），可以同時滿足正面碰撞、側(cè)面碰撞和斜向碰撞的響應(yīng)要求，其離散式構(gòu)型的設(shè)計還可滿足安全帶對胸部的局部侵入變形的響應(yīng)[18]；我們還研發(fā)了行人四自由度膝關(guān)節(jié)下肢模塊（圖4b），不僅在多個碰撞方向上能更好的再現(xiàn)實際人車碰撞中的復(fù)雜工況，還可更加真實的表征行人下肢模塊與保險杠變形交互作用時的運動學(xué)響應(yīng)[19-20]，為今后建立基于復(fù)雜工況、中國道路交通事故特性和中國人群體型特征的汽車碰撞安全評價方法、標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)奠定了基礎(chǔ)。

圖4 適應(yīng)多方向碰撞的假人結(jié)構(gòu)

2.4 車用動力電池碰撞擠壓工況下的變形失效機(jī)理與損傷容限

電芯受到局部擠壓導(dǎo)致短路失效是電動汽車碰撞事故中危險性比較高的典型工況。基于大量試驗觀測，對擠壓工況下軟包電芯、方形硬殼電芯等不同類型電芯的內(nèi)部損傷積累進(jìn)行了細(xì)致分析，發(fā)現(xiàn)了宏觀力學(xué)響應(yīng)變化特征、斷裂模式與局部損傷演化的高度一致性[21-22]。對不同類型電芯實施球頭擠壓試驗，對試驗獲得的擠壓力-位移響應(yīng)進(jìn)行分析總結(jié)，發(fā)現(xiàn)了宏觀力學(xué)響應(yīng)曲線斜率拐點對應(yīng)著內(nèi)部損傷特征演化的起始時刻。利用掃描電鏡觀測解剖后的變形電芯樣品，對不同載荷水平下的電芯內(nèi)部形貌加以分析，揭示了電芯擠壓變形過程中的內(nèi)部損傷特征，包括電極活性涂層顆粒的壓裂和滑移、活性涂層從金屬集流體上的脫落、隔膜局部壓縮減薄、隔膜陶瓷涂層脫附、以及電極活性涂層與隔膜的局部粘連等，證實了電芯內(nèi)部發(fā)生的材料和界面不可逆損傷累積是形成最終局部斷裂和內(nèi)短路的主導(dǎo)因素（圖5），組分材料的斷裂位置與損傷累積顯著的區(qū)域吻合較好[23-24]，宏觀力學(xué)響應(yīng)和電熱響應(yīng)特征存在良好的一致性。同時發(fā)現(xiàn)，不同擠壓工況下電芯的局部斷裂位置和斷裂模式存在差異，對電熱響應(yīng)影響顯著。基于宏微觀測試和仿真聯(lián)合分析，揭示了電池碰撞擠壓內(nèi)短路的觸發(fā)機(jī)理，為開發(fā)電池碰撞響應(yīng)預(yù)測模型和確定電芯變形閾值提供了必要的物理基礎(chǔ)。

圖5 車用動力電池碰撞擠壓內(nèi)短路失效機(jī)理與電池碰撞擠壓計算模型

2.5 車用動力電池的碰撞仿真分析方法及失效預(yù)測模型

動力電池系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)一直缺乏可準(zhǔn)確預(yù)測碰撞變形和失效的電池數(shù)值模型，使得電池包結(jié)構(gòu)存在技術(shù)盲區(qū)，基于工程經(jīng)驗和迭代試驗的技術(shù)方法開發(fā)成本高，并且易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)過設(shè)計。

我們開展的試驗研究結(jié)果表明，除了組分材料本身力學(xué)性能的影響，活性涂層與隔膜之間的界面變化顯著影響擠壓工況下的電芯結(jié)構(gòu)剛度。通過對不同加載速率下電芯擠壓變形與失效機(jī)理差異進(jìn)行深入研究，揭示了電池力學(xué)響應(yīng)加載速率相關(guān)性的力學(xué)機(jī)理。在落錘沖擊臺上搭建了電池模組沖擊測試系統(tǒng)（圖6），建立起了完整、通用的電池模組測試規(guī)程。在此基礎(chǔ)上，對多種構(gòu)型的電池模組進(jìn)行了一系列不同沖頭、不同沖擊速度和不同沖擊方向上的沖擊試驗，獲取了多工況電池模組碰撞響應(yīng)規(guī)律[25-26]。試驗結(jié)果表明，動態(tài)沖擊載荷下電芯的結(jié)構(gòu)剛度增大，載荷峰值降低，內(nèi)短路時刻對應(yīng)的變形量減小，即電池在動態(tài)載荷下的安全變形閾值更低。進(jìn)一步設(shè)計實施了干濕狀態(tài)電芯的對比試驗，并開展了解析模型與液固耦合數(shù)值模型的建模分析，結(jié)果表明，電芯中的電解液在碰撞沖擊下呈現(xiàn)明顯的動態(tài)強化效應(yīng)和破裂誘導(dǎo)作用。

有限元仿真方法可以大幅提高汽車碰撞安全設(shè)計工作的效率，而對于電動汽車的碰撞安全性研究，現(xiàn)階段還缺乏合理的動力電池仿真模型進(jìn)行輔助設(shè)計。由于電池內(nèi)部的多層結(jié)構(gòu)特點，電池的特征尺度跨越了多個量級，如果按最小特征尺度建模的話，一個完整的電芯模型單元數(shù)量在百萬量級以上，這將導(dǎo)致高昂的計算成本。因此在建立電芯數(shù)值模型時，在保證所需模擬精度的前提下，可以采用合適的單元類型、合理減少單元數(shù)量，以提高計算效率。基于精細(xì)化模型、半均質(zhì)化模型和均質(zhì)化模型的多級模型開發(fā)和參數(shù)傳遞策略[26-27]，對電芯主體層狀結(jié)構(gòu)宏觀力學(xué)特性進(jìn)行均質(zhì)化等效表征，能夠有效模擬電芯和電池模組結(jié)構(gòu)力學(xué)行為的拉壓不對稱性、各向異性和應(yīng)變率相關(guān)性（圖6）。通過試驗觀測和多級模型仿真分析，量化了局部應(yīng)力應(yīng)變參數(shù)與電芯內(nèi)短路的關(guān)聯(lián)性，建立了基于等效應(yīng)變、考慮受力狀態(tài)影響的電芯損傷判據(jù)，可以準(zhǔn)確地預(yù)測多種擠壓工況下的電芯局部結(jié)構(gòu)失效，實現(xiàn)了電芯和電池模組碰撞擠壓變形容限的精確估計，突破了電池包抗撞性和輕量化虛擬設(shè)計的技術(shù)瓶頸，可應(yīng)用于構(gòu)建電池碰撞安全仿真分析與試驗評價體系。

圖6 電池模組碰撞安全試驗評價、失效預(yù)測模型及電池包碰撞安全設(shè)計

2.6 車用動力電池的抗撞設(shè)計技術(shù)及電動汽車碰撞運動姿態(tài)控制策略

將電池均質(zhì)化數(shù)值模型應(yīng)用于電動汽車的碰撞仿真，針對2013年發(fā)生在美國的一起電動車底部異物碰撞引發(fā)的電池著火事故（圖6），我們對該極端碰撞工況的邊界條件、撞擊過程中底部護(hù)板的破斷模式以及局部電池的擠壓變形進(jìn)行了再現(xiàn)分析[27]，對比分析了多種底部碰撞保護(hù)結(jié)構(gòu)形式，提出了兼顧輕量化和底部碰撞保護(hù)性能的波紋構(gòu)型填充的三明治底部護(hù)板結(jié)構(gòu)[28]。在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了電動汽車電池箱結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計平臺，提出了允許電池碰撞變形同時避免電池內(nèi)短路發(fā)生的電池碰撞保護(hù)設(shè)計策略[29]，并將電池碰撞響應(yīng)預(yù)測技術(shù)和電池箱碰撞保護(hù)技術(shù)應(yīng)用于國內(nèi)自主品牌電動車的設(shè)計開發(fā)（圖7）。

圖7 電動汽車多碰撞工況分析及碰撞運動姿態(tài)控制

目前電動汽車上重量占比最大的部件是電池包，即使是電池能量利用率較高且續(xù)航里程要求較低的城市小型通勤電動汽車，電池包重量通常也達(dá)到車輛總重的三分之一左右。小型輕量化電動車對電池排布方式更為敏感，電池布置很大程度上影響著整車質(zhì)心位置和轉(zhuǎn)動慣量，進(jìn)而影響碰撞響應(yīng)（圖7）。針對常見的電池布置方式、典型的碰撞工況以及不同的碰撞強度開展多工況碰撞仿真分析，研究發(fā)現(xiàn)，在正面全寬碰撞中，車輛重心越高，碰撞過程中俯仰運動越大，初始動能轉(zhuǎn)化為重力勢能越多；在偏置碰撞中，車輛重心越低，碰撞過程中俯仰運動越小，后輪與地面的接觸壓力越大，車輛偏轉(zhuǎn)運動所需的摩擦能耗越大。通過電池包布置方式調(diào)節(jié)車輛重心，可優(yōu)化控制電動車在碰撞過程中的俯仰和偏轉(zhuǎn)等運動姿態(tài)，從而為碰撞安全性能優(yōu)化引入新的控制因素[30]，基于此建立了將單方向碰撞沖擊轉(zhuǎn)化為復(fù)合運動響應(yīng)的碰撞運動姿態(tài)控制策略，有效提升了小型輕量化電動汽車的碰撞保護(hù)性能，解決了小型電動汽車的電池布置空間和碰撞變形吸能位移的設(shè)計沖突。

2.7 輕量化材料與連接接頭的碰撞失效機(jī)理與預(yù)測技術(shù)

輕量化是汽車設(shè)計與制造中長期存在的研究課題，是汽車節(jié)能減排的重要手段之一；同時，面向新能源汽車的發(fā)展需求和車用動力電池能量密度的制約，純電動汽車對輕量化的需求被提升到更高的優(yōu)先級。

車身結(jié)構(gòu)輕量化追求“正確的材料用于正確的用途”。這需要對材料的性能和材料的應(yīng)用條件有全面深入的認(rèn)識。對于汽車結(jié)構(gòu)而言，耐撞性是最需要優(yōu)先保障的性能之一。在汽車碰撞事故中，車身結(jié)構(gòu)中的材料以及連接接頭將經(jīng)歷動態(tài)沖擊、塑性變形甚至失效的過程。只有全面掌握材料、連接接頭在動態(tài)沖擊下的力學(xué)特性，認(rèn)識其變形破壞機(jī)理，并為基于CAE的虛擬設(shè)計建立準(zhǔn)確高效的預(yù)測能力，才能設(shè)計出滿足耐撞性要求的輕量化車身結(jié)構(gòu)。

碰撞載荷下材料和接頭斷裂的預(yù)測精度不足制約了汽車碰撞安全性和輕量化設(shè)計的質(zhì)量和效率，這是由于汽車碰撞事故中材料的斷裂是發(fā)生在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下，且和應(yīng)變率效應(yīng)耦合。我們基于精細(xì)化的材料力學(xué)行為表征（圖8），揭示了中高應(yīng)變率范圍內(nèi)輕質(zhì)合金和高強鋼材料力學(xué)特性的變化規(guī)律，建立了考慮應(yīng)變率和應(yīng)力狀態(tài)耦合影響的輕質(zhì)合金塑性和斷裂表征方法[31-34]；提出了多級應(yīng)變率下某類高強鋼的統(tǒng)一塑性硬化主曲線理論，由此建立了該類材料的應(yīng)變率相關(guān)塑性硬化特性表征方法[35]；與MIT合作研究發(fā)展的MMC斷裂準(zhǔn)則預(yù)測斷裂位移的精度，比常規(guī)的彈塑性材料模型的精度提高了55%以上；揭示了應(yīng)變率、溫度與應(yīng)力狀態(tài)對熱塑性高分子材料屈服、流動和斷裂特性的影響規(guī)律，建立了完整的熱塑性高分子材料大變形和斷裂力學(xué)行為表征方法[36-37]；針對碳纖維三維編織復(fù)合材料，通過試驗和仿真，我們研究了編織和鋪層形式對碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)耐撞性能的影響[38-39]。

圖8 輕量化材料的塑性變形和斷裂行為及失效預(yù)測技術(shù)

在結(jié)構(gòu)連接接頭碰撞失效研究中（圖9），開發(fā)了沖擊韌化環(huán)氧膠粘劑的應(yīng)變率相關(guān)材料模型和失效準(zhǔn)則[40]，提出了點焊接頭拉拔失效的等效模擬方法[41]，建立了點焊與膠接復(fù)合連接接頭的高效率仿真模型[42-43]，揭示了點焊和膠接連接在典型載荷作用下的互補機(jī)制，證明點焊在膠層裂紋擴(kuò)展中發(fā)揮了有效的止裂作用，膠層則顯著緩解了結(jié)構(gòu)性能對點焊數(shù)量的依賴程度[42-43]，為膠焊連接的輕量化車身設(shè)計提供了理論依據(jù)。針對點焊部件的碰撞失效，探明了隨加載速率和加載模式變化的點焊接頭失效模式轉(zhuǎn)變規(guī)律、內(nèi)在機(jī)理及其與點焊工藝條件的關(guān)聯(lián)性，揭示了焊點排布對薄壁結(jié)構(gòu)變形模式和吸能特性的影響規(guī)律[44]。

圖9 輕量化車身復(fù)合連接失效機(jī)理與復(fù)雜工況失效預(yù)測

基于我們開發(fā)的輕量化材料在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的大變形表征和斷裂預(yù)報、基礎(chǔ)材料數(shù)據(jù)和計算模型等理論、方法和技術(shù)[31-45]，我們與汽車企業(yè)合作，針對輕量化設(shè)計、工藝和成本等要求，靈活選擇材料并匹配連接方式，為實現(xiàn)高強鋼、鋁合金、復(fù)合材料、工程塑料、孔隙填充材料、點焊、膠粘、鉚接等多種材料混合的輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計材料和連接的靈活組合提供優(yōu)化設(shè)計方法和仿真計算模型，使企業(yè)在車型設(shè)計開發(fā)中具備可靠的方法和數(shù)據(jù)，CAE仿真能更加準(zhǔn)確的預(yù)測材料和接頭的斷裂，并依此評估對碰撞力的傳遞路徑和碰撞吸能的影響，設(shè)計沖擊載荷下結(jié)構(gòu)中材料和接頭失效的誘導(dǎo)和控制策略，實現(xiàn)對輕量化車身結(jié)構(gòu)的大變形響應(yīng)和斷裂控制的最優(yōu)設(shè)計（圖10），在滿足碰撞安全性目標(biāo)下實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的輕量化，提高了虛擬設(shè)計的可靠性和產(chǎn)品研發(fā)效率。

圖 10 高精度材料模型在汽車輕量化結(jié)構(gòu)上的開發(fā)應(yīng)用

2.8 材料大變形沖擊測試技術(shù)

中高應(yīng)變率材料沖擊試驗中的載荷測量失真一直是材料沖擊力學(xué)性能測試中的難題，在102 /s應(yīng)變率量級的材料力學(xué)性能測試中，載荷傳感器獲得的沖擊載荷信號耦合了傳遞路徑的系統(tǒng)響應(yīng)，呈現(xiàn)明顯的振蕩，難以從中提取正確的材料自身力學(xué)響應(yīng)，無法滿足車身結(jié)構(gòu)耐撞性及輕量化的設(shè)計仿真分析需求。

針對主流沖擊測試系統(tǒng)的核心組件載荷傳遞路徑，通過分析中高應(yīng)變率沖擊力學(xué)性能測試中載荷信號振蕩失真的根源（圖11），我們發(fā)現(xiàn)，載荷信號與測試過程中的載荷輸入、試樣形式、夾持方式和測量裝置密切相關(guān)，進(jìn)而揭示了夾具和測量組件的質(zhì)量、剛度和阻尼對系統(tǒng)振蕩的影響規(guī)律，提出了通過調(diào)整載荷測量環(huán)節(jié)固有頻率消除系統(tǒng)振蕩的關(guān)鍵思路，將被測對象（材料試件）納入到?jīng)_擊測試力學(xué)系統(tǒng)中，提出了集成載荷傳感器的輕型夾具工裝設(shè)計方法，用于中高應(yīng)變率的材料動態(tài)試驗，有效消除了力測量信號中的振蕩[46-48]。

圖11 有效消除材料動態(tài)試驗中沖擊力測量信號振蕩的技術(shù)

除了測試系統(tǒng)參數(shù)外，被測材料的力學(xué)屬性也會對動態(tài)載荷測量信號質(zhì)量產(chǎn)生影響。對于具有明顯屈服平臺的材料（例如HSLA340），當(dāng)目標(biāo)應(yīng)變率達(dá)到200s-1的時候，使用了前述的集成載荷傳感器輕型夾具也不能有效抑制載荷信號振蕩，這對材料硬化行為的表征帶來很大困難。研究發(fā)現(xiàn)，引起載荷信號振蕩的原因是，材料的切線模量在彈性與塑性過渡區(qū)發(fā)生較急劇的變化，從而引起測試系統(tǒng)的諧振。對此，我們提出了對材料進(jìn)行預(yù)加載，使材料越過屈服平臺，卸載之后進(jìn)行動態(tài)沖擊測試的試驗方案。試驗與仿真結(jié)果表明該方法可顯著減小載荷信號振蕩，提高材料在中高應(yīng)變率下塑性行為表征的精度[49]。

我們建立的材料沖擊下的動態(tài)力學(xué)性能表征方法以及消除中高應(yīng)變率的材料動態(tài)試驗中力測量信號振蕩的技術(shù)，為在碰撞仿真分析中復(fù)現(xiàn)材料在沖擊載荷下的高速率、大變形，乃至斷裂、失效的行為提供了可靠的數(shù)據(jù)。

汽車碰撞安全與輕量化研發(fā)中的技術(shù)挑戰(zhàn)性課題以沖擊力學(xué)領(lǐng)域為主，并與沖擊損傷生物力學(xué)、材料技術(shù)、工藝技術(shù)、數(shù)字化仿真技術(shù)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計等學(xué)科交叉，其難點主要源于工程實際問題的復(fù)雜性、汽車碰撞吸能位移限定的制約、輕量化和安全裕量兩方面設(shè)計要求的沖突以及制造成本的約束等。以本研究團(tuán)隊在過去十多年中完成的八項研究為例，本文闡述了在行人頭部碰撞保護(hù)罩蓋技術(shù)、智能乘員碰撞保護(hù)技術(shù)、車用動力電池碰撞失效機(jī)理和預(yù)測技術(shù)、車身輕量化材料和連接接頭的沖擊大變形力學(xué)行為表征和仿真方法和沖擊力測量技術(shù)等方面的研究難點，展示了材料碰撞失效機(jī)理、預(yù)測方法和模型等成果在汽車碰撞安全與輕量化設(shè)計中的應(yīng)用。同時表明，以應(yīng)用為導(dǎo)向的基礎(chǔ)研究對汽車產(chǎn)品技術(shù)提升具有重要的意義。