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谁说“啪!没了”只能是唯一解?

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果壳 2021-06-18 22:00

在宇宙中,碰撞随时都在发生。

小到高能级粒子被光子击中产生一模一样的光子,或者粒子之间对撞产生新粒子并释放能量;大到天体星系之间碰撞实现星系演化,甚至还成为了恐龙灭绝的假说之一 ……“啪!”一下的碰撞看似无法避免,带来的后果也都很严重,但在一些无比柔弱的地球生物上,我们却可以找到不一样的答案。

蝴蝶的“解撞大法”

对于人类来说,雨滴落到脸上好似挠痒痒一样只是有点不舒服。但是对于蝴蝶这样纤小细腻的生物来说,掉落的雨滴就像是从天而降的陨石,稍微碰到就有可能要了命了。

面对这些从天而降的“实锤”,蝴蝶却依然很淡定,大雨过后该怎么飞就怎么飞,看起来就像是“无事发生过”。为了搞清蝴蝶的底气从何而来,科学家们通过每秒5000到20000帧的高速摄像头,捕捉了水滴落到蝴蝶翅膀上的瞬间。

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参考资料[1]

画面显示,当水滴与蝴蝶翅膀的表面碰撞时,会先掉落到表面细小的凹凸纹理上,这些微小的纹理会让水滴这个小小的水体中产生像冲击波一样的波浪,这些波浪相互干扰可以吸收掉一部分撞击的能量。再加上蝴蝶翅膀天然的鳞片蜡层结构,可以大大减少液体和翅膀的接触时间。

通过对撞击能量的“乾坤大挪移”,在大雨来临之际,蝴蝶也能安然躲过一劫。

防撞,人类面临的难题

和蝴蝶不同,人类可没有那么精巧的身体结构,在生活中但凡遭到一点碰撞,就只能是硬着头皮上了,简直不能更惨。当然了,聪明的人类早早就发明了汽车,在出行时,可以让这样一个“铁盒子”来代替自己迎接外界的风险。但“铁盒子”却不总是“金钟罩”。当汽车遭受撞击,车内人员依然面临较大的风险。

车祸中车辆变形、人体遭受“要命”冲击|giphy.com

有风险,那就一定有提升的空间。为了决断出汽车的优劣,也可以让消费者们做到心中有数、选择无误,世界各国都在给汽车进行全面评分。目前全球主流的汽车安全测评机构有六家,欧洲的E-NCAP、日本的J-NCAP、美国的IIHS和NHTSA,以及中国的C-NCAP和C-IASI。

C-IASI可以说是今天中国市场上最严格的汽车安全测评

当我们在关注安全时,第一个想到的应该就是发生碰撞时车和人的安全。

首先多数人比较关心的碰撞时车内乘员安全问题。在汽车安全测评中通常会对汽车进行多角度碰撞,比如侧面碰撞、车顶强度、座椅/头枕等。而在此前,仅有IIHS使用的25%偏置碰撞——车辆以40mph(64.4km/h)速度,25%的重叠率正面撞击刚性障碍物。之所以要采用如此“吹毛求疵”的测试方式,是因为根据相关数据,在正面碰撞导致死亡的事故中有四分之一源于小面积碰撞。

最早的碰撞测试用的是真车,而且也用的是真人(尸体)或者真动物(黑猩猩或者二师兄),但这实在是不符合道德伦理要求。于是在1950年代,格鲁曼等航空企业就开始开发假人用于航空座椅等方面的测试,在假人大规模生产之后也开始用在汽车安全研究。

最早的碰撞测试人|the Atlantic

安全碰撞的假人需要尽可能模拟真人的状态,因此材质、重量等方面肯定要和人体越接近越好,甚至内脏也需要完全相同。同时为了检测假人受伤的情况,假人内部还布置了多个传感器(通常可以采集数十个位置的数据)。

看到这里,你可能已经闻到满屏的人民币味道了。的确,每一个假人都造价不菲,动辄就是几百、上千万。

让人遗憾的一点是,因为价格昂贵,许多碰撞测试中使用的假人都只以成年男性的平均身材为标准。比如在上世纪五十年代被首次使用的人体模型,最常见的一种身高1.77米、体重76公斤[2],这样一来,在碰撞的各种实验中,就很难收集到具有“非男性特征”的数据,从而忽略了对女性、小孩的保护。

有研究者就以某款汽车为原型研究汽车约束系统对女驾驶员的保护效果,发现由于汽车安全气囊的完全展开时间以男性假人为基准,而女性假人因为身材坐得相对靠前,导致女性假人在气囊没有完全展开时就冲撞气囊,使女性假人头部加速度更早地达到峰值并且数值较大。

上为男性假人,下为女性假人|参考资料[3]

还有研究者测试了三种不同的汽车颈头部保护系统,发现和标准驾驶员座椅相比,配备某种颈头部保护系统,虽然降低了70%男性在车祸中遭受永久性医疗创伤的风险,但能增加13%女性驾驶员遭受永久性医疗创伤的风险。

这样的“保护”,真的别来了。

在撞击实验中增加女性、儿童等体态更多样的假人,无论是出于现代伦理道德的完善还是整体科技的进步,都应该是必然且必要的趋势。

既然要保证车内乘员安全指数,那么就需要你的车子“头更铁”,更耐撞。在碰撞事件后,车辆和(或)它的乘员及装载物的损伤越小,车辆的耐撞性就越高,或者说它的耐撞性能就越好[5]。在设计和试验各种类型车辆时,耐撞性一直就是一个让工程师大佬们头疼的课题。

那么什么能决定耐撞性?很多人认为汽车足够“硬”就说明安全性好。的确,相比铝合金和普通钢材,高强度钢材可以达到屈服强度≥600Mpa的强度,面对迎面而来或侧向的碰撞,可以更好地“承伤”。想必之前“比亚迪公路坦克”的梗,就是从耐撞性能得来的~

不同材料强度对比 图片:参考资料[6]

除了上面提到的两方面,我们还应该考量碰撞事故对行人安全的影响,以及评估防止发生交通事故的辅助系统介入时的实际效果。

当我们把这些因素统统考虑进汽车碰撞安全测试,相信任何一台车的安全性都能被扒个底朝天。不过,经历了这样一场大考之后,还能剩下什么优等生吗?当然有!比亚迪汉EV交的答卷就可以拿出来给大家抄抄答案~

内外兼修,全为安全

2021年6月9日,中国保险汽车安全指数(C-IASI)测评结果发布,结果显示亚迪汉EV在“车内乘员安全指数”、“车外行人安全指数”、“车辆辅助安全指数”三项关键指数上获得优秀(G),可以充分让车辆内外人的安全得到保护,而这也是车辆安全性的核心要点。而且测试结果中还有一些可圈可点的亮眼成绩——汉EV在正面 25% 偏置碰撞与侧面碰撞试验这两项实验中获得了零缺陷满分

作为首款参与C-IASI测评的中国品牌新能源轿车,汉EV三项核心安全指数创C-IASI新能源轿车最佳成绩|比亚迪

没有天生的天才,只有后天的努力。作为优等生,汉EV是如何暗戳戳地努力,让安全贯穿全车的呢?

比亚迪汉的安全性能从最一开始就被设定为“L”(Leading)级别,直指行业领先地位。朝着这个目标的实现过程中,比亚迪大量使用了CAE仿真分析,通过计算机模拟了各种复杂工程和产品结构强度、刚度、屈曲稳定性、动力响应、热传导、三维多体接触、弹塑性等力学性能,并进行分析计算获取最优解。

可以说汉EV上路之前,整车、系统、子系统和各个零部件的碰撞安全性已经在电脑里被算了个明明白白。

开过碰碰车的你一定对“硬碰硬”之后的头晕目眩深有感触,就像太极拳法,以柔克刚才是汽车从容应对敌人的终极打法。这需要车身前部足够“软”,能够像蝴蝶翅膀一样,吸收碰撞时的能量,缓冲碰撞的冲击力,这就更加考验车辆结构设计的水平了。

因此在很多人的认知里,要想在车辆受到撞击时成功自保,就得靠牺牲车身的“溃缩吸能”结构来实现了。的确,大多数汽车使用的是铝合金结构,虽然一定程度上减轻了重量,但一遭受撞击挤压就很容易被压扁、压碎,通过这个过程吸收掉大部分的冲击能量。

新能源汽车的车头和车尾就是典型的吸能结构 图片:参考资料[7]

不过,比亚迪汉EV的车身经过设计,可以通过三段式结构逐渐吸能,在碰撞时让能量逐步释放,从而控制碰撞减速度,以保证对乘员的损伤降到最低。

但是由于汽车碰撞时的撞击力传导流程比较特殊——从横梁、吸能盒、纵梁、A柱再到车门横梁或底盘纵梁。要想从根本上保证撞击时的安全性,需要让这些位置的钢材都足够强大。

比亚迪在汉EV的车身中部加入了充分支撑,使用车身材料毫不手软,通过A、B、C柱,门槛,纵梁等部件采用超高强钢及热成型钢为材质,其中军工级别的热成型钢用料达43处,构成6竖7横8纵360度全方位笼式框架结构,对乘员和电池包进行全方位防护。赛车比赛中大家见到即使翻车但是驾驶员依旧完好无损,很大程度就就是因为乘员舱的框架足够结实。

综合来看,比亚迪汉的白车身热成型钢材使用量就达到了97kg,不仅在中国品牌量产轿车中排名第一,用量更是第二名的近2倍,相比被撞个细碎,汉EV本身就拥有了一个更加安全的“金钟罩”。这样的好成绩,也有力地回应了此前“不是越刚越好”的谣言。

除了车身碰撞,全系标配11个安全气囊,主副驾全车全身无死角防护,更是为乘员打造了“隐形”的防护保障。

值得一提的是,相比燃油车,新能源汽车的碰撞安全显得更加重要,因为车内的动力电池包也是更容易受伤的“小心脏”。工信部出台的《2019年新能源汽车标准化工作要点》就将“完成电动汽车碰撞后安全”列为电动汽车安全领域的主要内容。

这次汉EV搭载的是比亚迪最新的刀片电池,同时提出了一个新的概念——

电池既是能量体,也是结构件,通过刀片电池的结构强度来反补车身强度。

这可真是开了新能源车的先河了。刀片电池方形刚性外壳的长电芯可以分担一部分系统上的力,而集成后的电芯可以增加整个电池包的结构强度,从而减少对电池包系统层级上的机械加固结构需求。这样一来,当车辆受到外接撞击时,汉EV不仅车身足够硬,连其他新能源车最脆弱的电池包也不再成为软肋,可谓是“固若金汤”了。

看到这里,你可能会觉得比亚迪做的这些都是为了迎接考试,其实不然。因为早在C-IASI和C-NCAP成立之前,比亚迪就已经在上海建立了最早的碰撞试验室。随着相关技术的更新,后来又在深圳建立了一个更领先的实验室。

而比亚迪汉EV目前用的这个整车碰撞实验室,早在2013年就被国际汽车权威杂志ATTI(国际试验技术杂志)授予“年度最佳碰撞实验室”大奖,不仅能满足国标、美标、欧标等法规试验要求及各NCAP评价试验要求,还能研发一些要求更苛刻、更复杂的实验,比如最高时速120km/h的正面撞击,和超高难度的小偏置碰撞等,给新能源领域相关标准的制定也提供了宝贵的数据和参考。

汉EV还格外关注实验室之外的“路考”。比如汉试验车会在台架上持续颠簸45个日日夜夜,这样的试验要做3轮,相当于汉在实车测试路面上驶过100万公里,比大部分同类车型测试量的3倍还多。之后又从海南、牙克石到吐鲁番等地,实实在在地通过远途测试车辆性能,并在沿途测试充电设施的适配程度……简直就是考试中非要盯着附加题做的学霸行为!

那么测试的时候,汉EV还在像之前提到的,传统厂商只使用男性标准化假人测试吗?当然不是,比亚迪投资了几千万,在汉EV的碰撞测试中,“非歧视性”地采用了拥有不同年龄、性别完备的假人家族,完全避免了出现那种“前排副驾驶只能坐男性”的尴尬测试场景,而且假人使用数量远高于行业标准,在一次又一次的测试、报废之间,找寻让乘员最安全的临界点。不计成本地全面覆盖了各种乘员场景的碰撞测试,将比亚迪这家现代企业的人文关怀理念体现得淋漓尽致。

当现代科技在0到100的路上越走越远,有太多人可能已经忘记科技的最终目的——为人服务。因此,我们在今天也越来越需要像比亚迪这样的企业,像它一样进行100%的投入只为提升那1%的安全、稳妥。

南美的蝴蝶扇动一次翅膀,或许会在两周后引起德州的一场龙卷风,而比亚迪也基于自身的点滴研发经验,配合国家不断推进相关安全法规的完善。预计到2022年,中国的汽车安全标准将成为全球最严苛的标准,整个汽车行业的安全性也有望大幅度提升。到那时,碰撞测试是不是就能变成一场开卷考了?敬请期待吧~

参考文献

[1] Kim, S., Wu, Z., Esmaili, E., Dombroskie, J. J., & Jung, S. (2020). How a raindrop gets shattered on biological surfaces. Proceedings of the National Academy of Sciences, 117(25), 13901-13907.

[2] Linder, A., & Svensson, M. Y. (2019). Road safety: the average male as a norm in vehicle occupant crash safety assessment. Interdisciplinary Science Reviews, 44(2), 140-153.

[3] 赵学超, 陈光, 陈勇, & 刘晓昂. (2018). 约束系统对不同坐姿女性驾驶人的保护性研究. 2018 中国汽车工程学会年会论文集.

[4] Kullgren, A., Stigson, H., & Krafft, M. (2013, September). Development of whiplash associated disorders for male and female car occupants in cars launched since the 80s in different impact directions. In Proceedings of IRCOBI Conference.

[5] Johnson, W. (1990). The elements of crashworthiness: scope and actuality. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part D: Journal of Automobile Engineering, 204(4), 255-273.

[6] 李松晏, 郑志军, & 虞吉林. (2015). 高速列车吸能结构设计和耐撞性分析. 爆炸与冲击, 35(2), 164-170.

[7] Biqiang, Z. , Xiaodong, L. , & Yajun, Z. . (2016). The structure optimization analysis of electric vehicle in small offset rear end collision. Procedia Engineering, 137, 103-108.

-果壳商业科技传播部出品-

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