導讀

本文為張金換教授為《清華人 汽車人》一書撰寫的《碰撞安全性研究之路》回憶文章。該書為2020年清華大學汽車工程系建系四十周年紀念文集。文章回顧了上世紀九十年代黃世霖教授和張金換教授帶領清華大學團隊開創(chuàng)中國汽車碰撞安全研究的歷史以及將之拓展到其它領域研究的工程實踐。我將原文稍加編輯和配圖后在此分享給大家，希望中國年輕一代的汽車人了解中國汽車工業(yè)高速發(fā)展之前的艱辛之路。

周青

正文

中國汽車第一撞

    我參加汽車碰撞安全性研究三十幾年，往事歷歷在目，說來話長，在這篇短文里，只能揀主要的幾件事說一說了。

1、“中國汽車第一撞”

    記得早在1985年，黃世霖教授就帶領課題組開始了汽車被動安全性試驗（即撞車試驗）的早期研究。當時他對我們說，中國要制造好汽車就一定要對汽車結構耐撞性和乘員保護制定法規(guī)，就得有試驗和分析的手段，現在國內還沒人研究這方面的問題，我們就來帶個頭吧。我們當時既沒經費又沒經驗，但黃老師的這個想法顯然是極具前瞻性的，而且他這種敢想敢干、積極進取的精神也使我們很激動。

黃世霖教授(1933-2012)被譽為“中國汽車碰撞之父”

    一開始，我們用沖擊錘反復進行簡化的碰撞模擬試驗，在能量控制、數據采集和圖像分析等方面不斷的探索和積累。條件成熟時，利用教育部給的5萬元博士點經費再加上橫向科研經費，在1992年建起了中國第一座汽車碰撞試驗臺。當時的老汽車實驗室里沒有足夠大的空間，我們只能把整套實驗裝置搭建在室外院子里，每次做試驗，我們都要花上一兩天的時間進行準備，大家把牽引用的橡皮繩、自制的緩沖液壓缸（最初還使用過汽油桶來控制碰撞的減速度波形）、隔離桶等搬出來，然后做車輛的預處理，布設數據采集設備。課題組成員不論男女都很能吃苦，還愉快地自稱為“拉橡皮繩的”。

中國第一座汽車碰撞試驗臺

    就是在這樣簡陋的條件下，我們在1992年5月31日完成了被中國汽車報記者劉小勇稱為“中國汽車第一撞”的中國首次汽車碰撞試驗。我還記得，那是一臺山東產的玻璃鋼車身的面包車，用橡皮繩牽引把它加速到以40km/h的速度撞擊水泥墩圍成的剛性壁。汽車撞擊速度和方向都控制得很好，瞬態(tài)加速度等數據也被成功采集；汽車前部空間在巨大的撞擊力下被壓縮了2/3。這第一撞的成功在國內汽車業(yè)界引起對碰撞安全性問題的很大關注，此后幾年里，中國汽車技術研究中心、一汽、二汽等單位也相繼建立了汽車碰撞實驗室。而我們團隊則繼續(xù)試驗驗證，開發(fā)出先進的碰撞試驗數據采集和標志點跟蹤的圖像分析系統(tǒng)，獲得了1996年機械部和汽車行業(yè)科技進步獎一等獎和1997年國家科技進步獎二等獎（獲獎人黃世霖、張金換、李一兵、王振明、丁振松、朱西產、王曉陽、于樹平、黃存軍，其中丁振松是合作單位北京吉普汽車公司的的人員）。到了1998年，在國內幾個大廠和研究中心的碰撞試驗條件已基本具備的情況下，機械部汽車司組織了我國汽車碰撞安全性法規(guī)（部頒標準）的起草制定工作，黃老師和我都全程參與了。

    1999年10月，中國第一個汽車碰撞安全方面的法規(guī)CMVDR294《關于正面碰撞乘員保護的設計規(guī)則》發(fā)布。2000年，中國開始實施汽車正面碰撞乘員保護的強制性檢驗。2003年11月27日，國家強制性標準GB11551-2003《乘用車正面碰撞的乘員保護》頒布。該標準的頒布和實施推動了中國汽車工業(yè)在汽車碰撞安全技術方面的進步和發(fā)展。

    我們在第一撞之后曾為多款國產汽車（包括配置了不同類型安全氣囊的車）進行過碰撞試驗，1996年爭取到一個國家“九五”科技攻關計劃課題“安全氣囊控制機理與匹配”，有了點縱向經費，再加上上海汽車工業(yè)科技發(fā)展基金的資助和其他橫向經費，我們不斷改善提升硬件條件。1999年，在老汽車樓院子的東邊建成了碰撞實驗室，添置了試驗假人，橡皮繩牽引稍后也改成了電機驅動系統(tǒng)，還增加了側面碰撞試驗設備。課題組成員胡敬文自行設計開發(fā)了一個液壓波形發(fā)生裝置，滿足了安全帶、安全氣囊等約束系統(tǒng)零部件試驗要求（如果用進口的波形發(fā)生器至少需要1000萬元以上）。這個實驗室的特點是在經費少、面積小的情況下，創(chuàng)造性地開發(fā)了“一臺兩用”的功能，既可以進行符合法規(guī)標準的整車試驗又可以進行零部件臺車模擬碰撞試驗。2000年試驗室通過了中國國家實驗室認可委員會（CNACL）的實驗室認可/計量認證二合一評審（是當時清華首個獲得CNACL評審的單位），并獲得了國家經貿委授權的車輛檢測資格，是當時全國獲此檢測授權的4個單位中唯一的高校單位。2009年因學校要為百年校慶拆除老汽車樓和老汽車碰撞實驗室，我們就在汽車研究所樓的東邊新建了一個碰撞試驗室，試驗室面積和設備進一步升級，裝備了電機驅動系統(tǒng)和動態(tài)閉環(huán)控制，購置了全套國際標準的試驗假人和完整的數據采集分析系統(tǒng)，能夠滿足我國及歐美標準的各種試驗要求，為以后深入開展碰撞安全研究提供了更好的條件。

清華大學2010年建成的新汽車碰撞實驗室

2、汽車碰撞安全性設計

    由于整車正面碰撞和側面碰撞法規(guī)分別從2000年和2003年開始實施，這就要求那些在法規(guī)實施之前開發(fā)設計的車型必須在一定過渡期內完成設計改進以達到法規(guī)要求，否則會被禁止上市銷售；我們課題組也因此在2003年前受托為多款車型做了結構耐撞性改進設計工作。

    我們的工作目標是既要提高車體結構的耐撞性以滿足碰撞安全法規(guī)要求，又要保持原有生產線和主要模具基本不變，這樣才能使企業(yè)避免大量改裝生產裝備的耗費，同時縮短改進周期。我們采取的工作方法是大量仿真計算與必要的試驗驗證相結合，學校與車企密切配合聯(lián)動。

    實際上，我們在完善碰撞試驗硬件環(huán)境的同時，已自主建成了適用于非線性、大變形碰撞過程的網絡集群并行計算平臺。我們引進并掌握了CATIA、HYPERMESH、LS-DYNA、PAM-CRASH、MADYMO、ANSYS、ABAQUS等仿真計算軟件。這些CAD和CAE工具可以把物理世界的整車和車輛部件轉變成計算機內的3D模型，讓“一撞即毀”的高速碰撞過程變成可以無數次重復進行、多維度觀測的模擬計算過程，從而可以虛擬車體結構和參數，快速定位改進設計的變量和最佳參數。而車企則負責將改進后的樣車送來做最后的實車碰撞試驗以驗證改進效果。

    在那幾年里我們課題組（黃世霖老師、我、杜匯良、馬春生、王大志、金鑫、韓曉凌、李可瑞、張華坤、龔龑、董光、張帆等均曾參與）成功地進行了十幾款車型的改進設計，其中影響最大的兩例是金杯海獅和一汽捷達的耐撞性改進設計。

（1）“金杯海獅”的正面碰撞安全性改進設計

金杯海獅是國內廣泛使用的平頭輕型客車，這種車型沒有轎車那樣較長的前部吸能區(qū)，碰撞能量需要在更短小的空間內被有效吸收、轉移，因此如何讓這種車型達到正面碰撞安全法規(guī)要求是一個難題。如果委托國外進行其產品設計改進，要花費2、3千萬元，改進后模具工裝還要大量的改變，顯著增加生產成本和改進周期。而我們課題組承擔了金杯海獅項目后，在確保車身外形不變、價格高昂的工裝模具能繼續(xù)使用的前提下，經過大量仿真分析和碰撞試驗，創(chuàng)造了“變形引導槽”等巧妙設計，充分保證了發(fā)生碰撞時乘員的生存空間，高標準地達到安全法規(guī)的要求，而全部改進費用只需二、三百萬元，并且在不到一年的時間內就成功達到了了改進效果。此項研究成果獲得了“國內領先，與國際同步”的評價，并獲得了2003年中國汽車工業(yè)科技進步二等獎，也成為2005年教育部提名國家科學技術獎的“沖擊碰撞中乘員安全防護關鍵技術與重大工程應用”的重要組成部分。

（2）“捷達”車的側面碰撞安全性改進設計

    一汽大眾的捷達車由于經濟耐用在銷量榜上長期領先全國。但由于該車原是德國1980年代的設計，沒有考慮側面耐撞問題，不能滿足我國2003年起要實行的側撞法規(guī)的要求，急需改進設計。2002年一汽大眾公司將此事委托給了我們課題組，希望在一年內達到優(yōu)于法規(guī)要求的水平。經過大量仿真計算和兩輪實車改進，最終得出了只在車門和車輛B柱增加和修改吸能組件的方案，原有生產線和模具基本沒改動，而實現改進的周期和費用遠遠低于德方的要求。改進后的強化版捷達車，同時也在一汽大眾的試驗室進行了碰撞試驗，得到的試驗數據和我們試驗室的仿真預測和碰撞試驗結果非常吻合，整體改進效果得到了一汽和德方的高度贊揚和認可。

    隨著碰撞安全研究的深入，我們不滿足于讓車型能通過耐撞性法規(guī)的要求，而是開始向碰撞材料力學、人體損傷力學、多目標優(yōu)化算法等方向進行理論探索。以人體損傷力學研究為例，在用金屬骨骼的碰撞假人來模擬汽車乘員響應的同時，我們進一步開始研究真實人體骨骼、肌肉和大腦在碰撞沖擊中的響應和損傷機理。我們和第三軍醫(yī)大學交通醫(yī)學研究所、美國韋恩州立大學、密西根大學，麻省理工學院等單位合作，研究不同年齡人體的生物力學和損傷機理，明確了最需要關注的人體部位及相應的損傷指標，利用有限元人體模型取代真實人體來進行乘員碰撞和行人碰撞的仿真研究，從而讓汽車乘員約束系統(tǒng)的設計更加科學。

    2003年海外留學歸國的周青教授加入了碰撞安全性研究，他帶領唐亮、夏勇、黃俊、聶冰冰、劉奇等師生，又在行人碰撞保護、結構和材料失效、電動車電池碰撞安全、車身輕量化設計等領域開展多方面研究，拓展了我系碰撞安全研究的深度和廣度。

3、拓展應用領域

    汽車碰撞中的乘員防護，與其他領域中的人員防護異曲同工。因此我們將汽車乘員碰撞防護的研究方法和成果拓展應用于其他領域，積極參與解決“神舟飛船”著陸沖擊、海軍艦艇水下爆炸非接觸沖擊以及軍用重卡地雷爆炸沖擊中的人員防護及相關問題。

    我們從2002年開始參加我國載人航天“神舟飛船”三號至八號項目中的提高返回艙著陸緩沖性能、確保宇航員著陸安全的研究。在黃世霖教授帶領下，我和杜匯良、馬春生、白遠利、金鑫、宋正超、王步康、梁銳、李琦等課題組成員，對返回艙底部吸能結構及座椅系統(tǒng)進行了大量的模擬計算和多種部件測試，把試驗假人放進返回艙中進行了上百次空投跌落試驗，最終得出了多段漲環(huán)式座椅緩沖器、宇航員專用賦型墊及艙底結構優(yōu)化設計，把假人的損傷指標降低到人體安全閾值以下，并保留足夠安全余量。2003年，神舟五號飛船發(fā)射升空并返回，在看到宇航員楊利偉安全走出返回艙的那一刻，我們非常激動和驕傲，因為其中也有我們的一份貢獻。我們的工作獲得了航天科技集團的表彰，也是前述2005年教育部提名國家科技進步二等獎的一個重要應用部分。

神舟6號返回艙沖擊試驗現場左起：張宏志（研究生），馬春生，杜匯良，黃世霖，顧秉林（時任清華大學校長），戚發(fā)軔（神舟飛船首任總設計師），秦竹，張金換（作者），歐陽明高（時任清華大學汽車工程系系主任），梁銳（研究生），李琦（研究生）

    2006年前后，黃世霖老師和我組織沈明、梁銳、王金濤、黃學文、王步康、許述財、張華坤、李可瑞、姚陽等先后參加了中國海軍總裝備部主導的國內首次艦船抗非接觸水下爆炸的試驗研究項目。我們專門搭建了跌落實驗臺架，并把坐姿汽車用假人改造成立姿，用于開展垂直沖擊下坐姿和立姿兩種人員防護研究。經過系列仿真和跌落試驗，在艦船座椅、軍用鞋靴等設計上提出了指導意見。隨后我們數次配合部隊進行了實船抗爆炸測試任務，用汽車假人預測艦員傷害值，改進了艦船用座椅的設計。該項目獲得了2011年度解放軍科技進步一等獎，我們是獲獎的4個單位之一。

    2014年后，課題組又深入爆炸環(huán)境下軍車乘員防護領域，截止2019年底，已承擔陸軍多個型號軍車共計18次實車爆炸試驗任務，并參與《爆炸作用下車內人員安全性試驗方法》國家軍備標準的編寫。相比汽車碰撞，軍用車輛經受的爆炸多為垂向沖擊，二者在載荷方向、沖擊量級及傳遞路徑等方面存在很大差異，我們課題組的成員王波、呂華溢、周勇等做出了一些創(chuàng)新性理論和試驗研究成果。

4、積極進行學術交流和科普活動

    早在上世紀八十年代初黃世霖教授就擔任中國汽車工程學會的安全性測試技術專業(yè)委員會主任委員，該專業(yè)委員會的秘書處設在我系，由我負責。2004年，該專業(yè)委員會改為汽車安全技術分會，周青教授接任主任委員，我仍擔任秘書長。我們積極組織國際性的汽車安全技術年會，至今已連續(xù)開過22屆有國內外汽車及相關領域科技人員參加的年會，累計參與人數超過6000余人，為碰撞安全性及相關領域技術人員提供了一個活躍的交流平臺，也促進了政府部門、國內外車企、高校和研究機構的合作。

    我們在不同的場合以多種形式向社會各界普及汽車安全駕駛、安全帶和安全氣囊作用和兒童安全座椅使用等重要知識。例如，我們曾聯(lián)合國家質檢總局在碰撞試驗室舉行了“關注兒童乘車安全”主題活動，邀請幼兒園小朋友和他們的家長參加活動；與中央臺、北京臺等電視及廣播電臺聯(lián)手錄制兒童乘車安全教育節(jié)目，宣講不能讓兒童坐在汽車前排，不能試圖用手臂抱住兒童乘車，只有安全座椅才能在碰撞中約束住兒童等常識；還舉辦過中美大學生聯(lián)手的乘車安全教育活動，等等。作為國家質檢總局的在冊專家，我也多次參加汽車缺陷產品召回中的缺陷調查及事故鑒定等活動，積極履行社會義務，用我們的專業(yè)意見協(xié)助有關部門提高執(zhí)法水平。

    綜上所述，經過30多年的理論與實踐的積累，我們在汽車碰撞安全領域做出了不少高水平科研成果，獲得了多項國家級和省部級科技一、二等獎勵，黃世霖老師獲得“九五國家重點科技攻關先進個人”獎，我本人也獲得了“通用--中國科技成就獎”。我們陸續(xù)編寫出版的《汽車碰撞與安全》、《汽車碰撞安全性設計》和《兒童乘員碰撞傷害與防護》等專著被很多高校選作教材。培養(yǎng)了近100名碩士、博士和博士后，他們已成為國內外車企、相關行業(yè)、高校及研究機構的業(yè)務骨干。有人說我們是中國汽車碰撞安全的“黃埔軍?！?，這有點過譽了，只是我們作為清華人就應該奮力領先而已。我們之所以能夠在碰撞安全領域取得這些成就，得益于黃世霖老師的遠見和率先垂范，也得益于有一個優(yōu)秀的團結的研究團隊。我們這個團隊的成員是流動的，多數并不是固定的教工，而是學校源源不斷送來的充滿活力和創(chuàng)新追求的優(yōu)秀研究生，我很慶幸自己能和他們一起走過三十多年的征程。

    欣逢汽車系建系40周年和改制成為車輛學院一周年，我想借此短文向一貫大力支持碰撞安全課題組的汽車系師生、系領導和校外同行們表示感謝，祝愿車輛與運載學院在汽車安全性方向的研究持續(xù)發(fā)展，持續(xù)領先！