汽车车身断裂分析

北京航空航天大学汽车系　孙凌玉(副教授，博士)

　　专家观点：降低事故伤害的首要措施：驾驶员行驶中应注意车速与安全距离不要冒险超速；

一、车身开裂之原因：

1、交变载荷作用下的疲劳破坏：载荷大小、方向都随时间发生周期性变化，导致零件出现疲劳裂纹。

如：内燃机中部分往复运动零件、底盘中的齿轮、传动轴等。

2、严重过载引起准静态压溃：结构的静强度超过“许用值”导致的开裂，也是传统的静强度设计方法主要考虑的破裂准则。如：斜坡上由于制动失灵而发生“溜车”现象导致相邻车辆接触部分被挤压变形。

3、承受动态载荷引起动态应力激增导致断裂：由于路面状况不好，如出现长距离的扭曲路、搓板路、卵石路、凸台、凹坑等使车辆受随机载荷激励导致动应力过大，当高应力累计出现次数过多或累计时间过长导致塑性零件疲劳破坏，或脆性材料一次断裂。

4、受瞬间高速冲击/碰撞引起的断裂：由于冲击载荷超过材料断裂极限载荷导致。为此，许多国家都针对汽车正面、侧面、后面、翻滚过程中对乘员的保护制订了相应的法规，用于检验车辆“耐撞性能”是否合格。各国制订的相关法规主要有：

(1)实车正面碰撞乘员保护标准

CMVDR 294关于正面碰撞乘员保护的设计规则(中国)

FMVSS 208乘员碰撞保护标准(美国)

ECE R94正面碰撞乘员保护法规(欧洲)

TRIAS正面碰撞乘员保护标准(日本)

实车侧面碰撞技术标准

FMVSS 214侧面碰撞防护标准(美国)

ECE R95侧面碰撞乘员保护法规(欧洲)

ISO 10997乘用车实车侧面碰撞国际标准(国际标准)

(3)车辆结构碰撞性能标准

ECE R32汽车后面碰撞车辆结构性能法规(欧洲)

ECE R33汽车正面碰撞车辆结构特性法规(欧洲)

FMVSS 223后碰撞防护装置标准(美国)

FMVSS 224后碰撞保护标准(美国)

(4)零部件模拟碰撞试验标准

CFR 581美国保险杠标准

ECE R42车辆前部和后部防护装置法规(欧洲)

5、含初始裂纹的低应力脆断：工作应力小于“许用应力”时所发生的突然断裂现象。通过研究发现低应力脆断事故的断口处往往可以找到原来就有的宏观裂纹。目前，为减轻汽车车身重量，大量采用高强度钢材，但这种钢材抵抗裂纹扩展的能力随着强度提高而下降。而初始裂纹可能由于零件焊接过程、构件材料的原始缺陷、局部腐蚀导致，经过周期性反复变化的载荷作用后“微观裂纹”会逐渐扩大变成“宏观裂纹”为后来的“脆断”埋下隐患。

二、汽车吸能结构能量吸收方式：

为保证碰撞发生时能够保护“安全舱”中的乘员安全，汽车车身结构要考虑一定的吸能结构设计，通过个别零件的变形吸收大部分动能。常用的方式有：

1、塑性材料塑性变形：金属材料主要通过塑性变形吸收能量，如车身薄壁梁骨架结构。

2、脆性材料断裂：如轻型复合材料、塑料件等通过脆性断裂方式吸收碰撞能量。

3、气囊缓冲作用：通过体积变化吸收乘员二次碰撞过程的能量。

4、吸能结构的运用：如，吸能转向柱，膝盖缓冲结构，仪表板填充材料，内饰采用的软材料等。

三、降低事故伤害的措施：

1、驾驶员行驶中应注意车速与安全距离、人体反应时间之间的关系，不要冒险超速；

2、高速公路管理部门应保证公路封闭，以免造成车辆行驶中的安全隐患；

3、公路两旁的护栏设计也应考虑尽可能减少对车辆、行人的伤害，应对其形状、截面尺寸、高度、材料特性进行优化设计；

4、现行碰撞法规只是在规定的速度、规定的方向使车辆与规定质量的壁障发生碰撞，如果车身变形量在允许范围内即可。而现实碰撞情况相当复杂，有些极端的情况要比法规条件恶劣得多。侧面碰撞法规目前还没有全面采用。

5、根据能量守恒，当发生两车相撞时，质量较大的车所受伤害一般较小。但整车质量与燃油经济性密切相关。如何解决安全与节能、环保的问题，正是目前汽车界、学术界关于轻量化设计研究课题所要解决的问题，即多目标综合优化设计问题。

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