张金换：“中国汽车第一撞”

导读

本文为张金换教授为《清华人 汽车人》一书撰写的《碰撞安全性研究之路》回忆文章。该书为2020年清华大学汽车工程系建系四十周年纪念文集。文章回顾了上世纪九十年代黄世霖教授和张金换教授带领清华大学团队开创中国汽车碰撞安全研究的历史以及将之拓展到其它领域研究的工程实践。我将原文稍加编辑和配图后在此分享给大家，希望中国年轻一代的汽车人了解中国汽车工业高速发展之前的艰辛之路。

周青

正文

中国汽车第一撞

    我参加汽车碰撞安全性研究三十几年，往事历历在目，说来话长，在这篇短文里，只能拣主要的几件事说一说了。

1、“中国汽车第一撞”

    记得早在1985年，黄世霖教授就带领课题组开始了汽车被动安全性试验（即撞车试验）的早期研究。当时他对我们说，中国要制造好汽车就一定要对汽车结构耐撞性和乘员保护制定法规，就得有试验和分析的手段，现在国内还没人研究这方面的问题，我们就来带个头吧。我们当时既没经费又没经验，但黄老师的这个想法显然是极具前瞻性的，而且他这种敢想敢干、积极进取的精神也使我们很激动。

黄世霖教授(1933-2012)被誉为“中国汽车碰撞之父”

    一开始，我们用冲击锤反复进行简化的碰撞模拟试验，在能量控制、数据采集和图像分析等方面不断的探索和积累。条件成熟时，利用教育部给的5万元博士点经费再加上横向科研经费，在1992年建起了中国第一座汽车碰撞试验台。当时的老汽车实验室里没有足够大的空间，我们只能把整套实验装置搭建在室外院子里，每次做试验，我们都要花上一两天的时间进行准备，大家把牵引用的橡皮绳、自制的缓冲液压缸（最初还使用过汽油桶来控制碰撞的减速度波形）、隔离桶等搬出来，然后做车辆的预处理，布设数据采集设备。课题组成员不论男女都很能吃苦，还愉快地自称为“拉橡皮绳的”。

中国第一座汽车碰撞试验台

    就是在这样简陋的条件下，我们在1992年5月31日完成了被中国汽车报记者刘小勇称为“中国汽车第一撞”的中国首次汽车碰撞试验。我还记得，那是一台山东产的玻璃钢车身的面包车，用橡皮绳牵引把它加速到以40km/h的速度撞击水泥墩围成的刚性壁。汽车撞击速度和方向都控制得很好，瞬态加速度等数据也被成功采集；汽车前部空间在巨大的撞击力下被压缩了2/3。这第一撞的成功在国内汽车业界引起对碰撞安全性问题的很大关注，此后几年里，中国汽车技术研究中心、一汽、二汽等单位也相继建立了汽车碰撞实验室。而我们团队则继续试验验证，开发出先进的碰撞试验数据采集和标志点跟踪的图像分析系统，获得了1996年机械部和汽车行业科技进步奖一等奖和1997年国家科技进步奖二等奖（获奖人黄世霖、张金换、李一兵、王振明、丁振松、朱西产、王晓阳、于树平、黄存军，其中丁振松是合作单位北京吉普汽车公司的的人员）。到了1998年，在国内几个大厂和研究中心的碰撞试验条件已基本具备的情况下，机械部汽车司组织了我国汽车碰撞安全性法规（部颁标准）的起草制定工作，黄老师和我都全程参与了。

    1999年10月，中国第一个汽车碰撞安全方面的法规CMVDR294《关于正面碰撞乘员保护的设计规则》发布。2000年，中国开始实施汽车正面碰撞乘员保护的强制性检验。2003年11月27日，国家强制性标准GB11551-2003《乘用车正面碰撞的乘员保护》颁布。该标准的颁布和实施推动了中国汽车工业在汽车碰撞安全技术方面的进步和发展。

    我们在第一撞之后曾为多款国产汽车（包括配置了不同类型安全气囊的车）进行过碰撞试验，1996年争取到一个国家“九五”科技攻关计划课题“安全气囊控制机理与匹配”，有了点纵向经费，再加上上海汽车工业科技发展基金的资助和其他横向经费，我们不断改善提升硬件条件。1999年，在老汽车楼院子的东边建成了碰撞实验室，添置了试验假人，橡皮绳牵引稍后也改成了电机驱动系统，还增加了侧面碰撞试验设备。课题组成员胡敬文自行设计开发了一个液压波形发生装置，满足了安全带、安全气囊等约束系统零部件试验要求（如果用进口的波形发生器至少需要1000万元以上）。这个实验室的特点是在经费少、面积小的情况下，创造性地开发了“一台两用”的功能，既可以进行符合法规标准的整车试验又可以进行零部件台车模拟碰撞试验。2000年试验室通过了中国国家实验室认可委员会（CNACL）的实验室认可/计量认证二合一评审（是当时清华首个获得CNACL评审的单位），并获得了国家经贸委授权的车辆检测资格，是当时全国获此检测授权的4个单位中唯一的高校单位。2009年因学校要为百年校庆拆除老汽车楼和老汽车碰撞实验室，我们就在汽车研究所楼的东边新建了一个碰撞试验室，试验室面积和设备进一步升级，装备了电机驱动系统和动态闭环控制，购置了全套国际标准的试验假人和完整的数据采集分析系统，能够满足我国及欧美标准的各种试验要求，为以后深入开展碰撞安全研究提供了更好的条件。

清华大学2010年建成的新汽车碰撞实验室

2、汽车碰撞安全性设计

    由于整车正面碰撞和侧面碰撞法规分别从2000年和2003年开始实施，这就要求那些在法规实施之前开发设计的车型必须在一定过渡期内完成设计改进以达到法规要求，否则会被禁止上市销售；我们课题组也因此在2003年前受托为多款车型做了结构耐撞性改进设计工作。

    我们的工作目标是既要提高车体结构的耐撞性以满足碰撞安全法规要求，又要保持原有生产线和主要模具基本不变，这样才能使企业避免大量改装生产装备的耗费，同时缩短改进周期。我们采取的工作方法是大量仿真计算与必要的试验验证相结合，学校与车企密切配合联动。

    实际上，我们在完善碰撞试验硬件环境的同时，已自主建成了适用于非线性、大变形碰撞过程的网络集群并行计算平台。我们引进并掌握了CATIA、HYPERMESH、LS-DYNA、PAM-CRASH、MADYMO、ANSYS、ABAQUS等仿真计算软件。这些CAD和CAE工具可以把物理世界的整车和车辆部件转变成计算机内的3D模型，让“一撞即毁”的高速碰撞过程变成可以无数次重复进行、多维度观测的模拟计算过程，从而可以虚拟车体结构和参数，快速定位改进设计的变量和最佳参数。而车企则负责将改进后的样车送来做最后的实车碰撞试验以验证改进效果。

    在那几年里我们课题组（黄世霖老师、我、杜汇良、马春生、王大志、金鑫、韩晓凌、李可瑞、张华坤、龚龑、董光、张帆等均曾参与）成功地进行了十几款车型的改进设计，其中影响最大的两例是金杯海狮和一汽捷达的耐撞性改进设计。

（1）“金杯海狮”的正面碰撞安全性改进设计

金杯海狮是国内广泛使用的平头轻型客车，这种车型没有轿车那样较长的前部吸能区，碰撞能量需要在更短小的空间内被有效吸收、转移，因此如何让这种车型达到正面碰撞安全法规要求是一个难题。如果委托国外进行其产品设计改进，要花费2、3千万元，改进后模具工装还要大量的改变，显著增加生产成本和改进周期。而我们课题组承担了金杯海狮项目后，在确保车身外形不变、价格高昂的工装模具能继续使用的前提下，经过大量仿真分析和碰撞试验，创造了“变形引导槽”等巧妙设计，充分保证了发生碰撞时乘员的生存空间，高标准地达到安全法规的要求，而全部改进费用只需二、三百万元，并且在不到一年的时间内就成功达到了了改进效果。此项研究成果获得了“国内领先，与国际同步”的评价，并获得了2003年中国汽车工业科技进步二等奖，也成为2005年教育部提名国家科学技术奖的“冲击碰撞中乘员安全防护关键技术与重大工程应用”的重要组成部分。

（2）“捷达”车的侧面碰撞安全性改进设计

    一汽大众的捷达车由于经济耐用在销量榜上长期领先全国。但由于该车原是德国1980年代的设计，没有考虑侧面耐撞问题，不能满足我国2003年起要实行的侧撞法规的要求，急需改进设计。2002年一汽大众公司将此事委托给了我们课题组，希望在一年内达到优于法规要求的水平。经过大量仿真计算和两轮实车改进，最终得出了只在车门和车辆B柱增加和修改吸能组件的方案，原有生产线和模具基本没改动，而实现改进的周期和费用远远低于德方的要求。改进后的强化版捷达车，同时也在一汽大众的试验室进行了碰撞试验，得到的试验数据和我们试验室的仿真预测和碰撞试验结果非常吻合，整体改进效果得到了一汽和德方的高度赞扬和认可。

    随着碰撞安全研究的深入，我们不满足于让车型能通过耐撞性法规的要求，而是开始向碰撞材料力学、人体损伤力学、多目标优化算法等方向进行理论探索。以人体损伤力学研究为例，在用金属骨骼的碰撞假人来模拟汽车乘员响应的同时，我们进一步开始研究真实人体骨骼、肌肉和大脑在碰撞冲击中的响应和损伤机理。我们和第三军医大学交通医学研究所、美国韦恩州立大学、密西根大学，麻省理工学院等单位合作，研究不同年龄人体的生物力学和损伤机理，明确了最需要关注的人体部位及相应的损伤指标，利用有限元人体模型取代真实人体来进行乘员碰撞和行人碰撞的仿真研究，从而让汽车乘员约束系统的设计更加科学。

    2003年海外留学归国的周青教授加入了碰撞安全性研究，他带领唐亮、夏勇、黄俊、聂冰冰、刘奇等师生，又在行人碰撞保护、结构和材料失效、电动车电池碰撞安全、车身轻量化设计等领域开展多方面研究，拓展了我系碰撞安全研究的深度和广度。

3、拓展应用领域

    汽车碰撞中的乘员防护，与其他领域中的人员防护异曲同工。因此我们将汽车乘员碰撞防护的研究方法和成果拓展应用于其他领域，积极参与解决“神舟飞船”着陆冲击、海军舰艇水下爆炸非接触冲击以及军用重卡地雷爆炸冲击中的人员防护及相关问题。

    我们从2002年开始参加我国载人航天“神舟飞船”三号至八号项目中的提高返回舱着陆缓冲性能、确保宇航员着陆安全的研究。在黄世霖教授带领下，我和杜汇良、马春生、白远利、金鑫、宋正超、王步康、梁锐、李琦等课题组成员，对返回舱底部吸能结构及座椅系统进行了大量的模拟计算和多种部件测试，把试验假人放进返回舱中进行了上百次空投跌落试验，最终得出了多段涨环式座椅缓冲器、宇航员专用赋型垫及舱底结构优化设计，把假人的损伤指标降低到人体安全阈值以下，并保留足够安全余量。2003年，神舟五号飞船发射升空并返回，在看到宇航员杨利伟安全走出返回舱的那一刻，我们非常激动和骄傲，因为其中也有我们的一份贡献。我们的工作获得了航天科技集团的表彰，也是前述2005年教育部提名国家科技进步二等奖的一个重要应用部分。

神舟6号返回舱冲击试验现场左起：张宏志（研究生），马春生，杜汇良，黄世霖，顾秉林（时任清华大学校长），戚发轫（神舟飞船首任总设计师），秦竹，张金换（作者），欧阳明高（时任清华大学汽车工程系系主任），梁锐（研究生），李琦（研究生）

    2006年前后，黄世霖老师和我组织沈明、梁锐、王金涛、黄学文、王步康、许述财、张华坤、李可瑞、姚阳等先后参加了中国海军总装备部主导的国内首次舰船抗非接触水下爆炸的试验研究项目。我们专门搭建了跌落实验台架，并把坐姿汽车用假人改造成立姿，用于开展垂直冲击下坐姿和立姿两种人员防护研究。经过系列仿真和跌落试验，在舰船座椅、军用鞋靴等设计上提出了指导意见。随后我们数次配合部队进行了实船抗爆炸测试任务，用汽车假人预测舰员伤害值，改进了舰船用座椅的设计。该项目获得了2011年度解放军科技进步一等奖，我们是获奖的4个单位之一。

    2014年后，课题组又深入爆炸环境下军车乘员防护领域，截止2019年底，已承担陆军多个型号军车共计18次实车爆炸试验任务，并参与《爆炸作用下车内人员安全性试验方法》国家军备标准的编写。相比汽车碰撞，军用车辆经受的爆炸多为垂向冲击，二者在载荷方向、冲击量级及传递路径等方面存在很大差异，我们课题组的成员王波、吕华溢、周勇等做出了一些创新性理论和试验研究成果。

4、积极进行学术交流和科普活动

    早在上世纪八十年代初黄世霖教授就担任中国汽车工程学会的安全性测试技术专业委员会主任委员，该专业委员会的秘书处设在我系，由我负责。2004年，该专业委员会改为汽车安全技术分会，周青教授接任主任委员，我仍担任秘书长。我们积极组织国际性的汽车安全技术年会，至今已连续开过22届有国内外汽车及相关领域科技人员参加的年会，累计参与人数超过6000余人，为碰撞安全性及相关领域技术人员提供了一个活跃的交流平台，也促进了政府部门、国内外车企、高校和研究机构的合作。

    我们在不同的场合以多种形式向社会各界普及汽车安全驾驶、安全带和安全气囊作用和儿童安全座椅使用等重要知识。例如，我们曾联合国家质检总局在碰撞试验室举行了“关注儿童乘车安全”主题活动，邀请幼儿园小朋友和他们的家长参加活动；与中央台、北京台等电视及广播电台联手录制儿童乘车安全教育节目，宣讲不能让儿童坐在汽车前排，不能试图用手臂抱住儿童乘车，只有安全座椅才能在碰撞中约束住儿童等常识；还举办过中美大学生联手的乘车安全教育活动，等等。作为国家质检总局的在册专家，我也多次参加汽车缺陷产品召回中的缺陷调查及事故鉴定等活动，积极履行社会义务，用我们的专业意见协助有关部门提高执法水平。

    综上所述，经过30多年的理论与实践的积累，我们在汽车碰撞安全领域做出了不少高水平科研成果，获得了多项国家级和省部级科技一、二等奖励，黄世霖老师获得“九五国家重点科技攻关先进个人”奖，我本人也获得了“通用--中国科技成就奖”。我们陆续编写出版的《汽车碰撞与安全》、《汽车碰撞安全性设计》和《儿童乘员碰撞伤害与防护》等专著被很多高校选作教材。培养了近100名硕士、博士和博士后，他们已成为国内外车企、相关行业、高校及研究机构的业务骨干。有人说我们是中国汽车碰撞安全的“黄埔军校”，这有点过誉了，只是我们作为清华人就应该奋力领先而已。我们之所以能够在碰撞安全领域取得这些成就，得益于黄世霖老师的远见和率先垂范，也得益于有一个优秀的团结的研究团队。我们这个团队的成员是流动的，多数并不是固定的教工，而是学校源源不断送来的充满活力和创新追求的优秀研究生，我很庆幸自己能和他们一起走过三十多年的征程。

    欣逢汽车系建系40周年和改制成为车辆学院一周年，我想借此短文向一贯大力支持碰撞安全课题组的汽车系师生、系领导和校外同行们表示感谢，祝愿车辆与运载学院在汽车安全性方向的研究持续发展，持续领先！