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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。
那些年我们课题组（黄世霖教授、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。
“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，要花费两三千万元，改进后模具工装还要做大量的改变，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两三百万元，并且在不到一年的时间内就成功达到了改进效果。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。
“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全国长期畅销。但由于该车原是德国20世纪80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，亟需改进设计。2002年一汽-大众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-大众和德方的高度赞扬和认可。
随着碰撞安全研究的深入，我们没有只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。
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。在黄世霖教授的带领下，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。
神舟六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（本文作者），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，黄世霖教授和我组织沈明、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试验台架，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，截至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。
积极进行学术交流和科普活动
早在20世纪80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，至今已连续召开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、安全带和安全气囊的作用以及儿童安全座椅使用等重要知识。例如，我们曾联合原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来参加活动；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。作为市场监管总局的在册专家，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。
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作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，黄世霖教授曾获得“九五国家重点科技攻关先进个人”奖，我本人曾获“GM-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，得益于黄世霖教授的远见和率先垂范，也得益于有一个优秀且团结的研究团队。我们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。
*本文来自《产品安全与召回》杂志2024年第1期，转载请注明来源。
国家市场监管总局主管
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