日报标题：车被撞了一个坑，刚想让人赔钱，它自己鼓起来了……起来了……了…… P Tyne，人在江城。 对于国内的消费者来说，如果聊起塑料尾门，我们首先想到的可能并不是其在整车轻量化及油耗方面的优势，而是其是否安全，再狭义到国内普通消费者的认知层面，就是耐不耐撞。汽车的门，无论是侧面的，还是尾部的，在我们普通消费者的印象中，一旦发生碰撞，都是要起到防撞作用的。就侧门而言，自然毋庸多说，大家都知道车门中会有由高强度钢制成的车门防撞梁，在侧碰时和 B 柱一起保证乘员舱不发生大的变形，保护车内乘员。 图 1 高强度钢在汽车车身上的应用 但是，对于尾门，首先需要明确的一点是，其不承担后碰中主要的吸能缓冲功能，也不承担防止驾驶舱变形的功能。根据吴海京《某 SUV 高速追尾碰撞结构安全性优化研究》中的研究结果，尾门占吸收能量比仅为2.8%. 在后碰事故中，起主要吸能缓冲，抵抗变形功能的是后保险杠与 C 柱（两开门）或者 D 柱（四开门）以及地板纵梁组成的尾部溃缩吸能区。当汽车被追尾时，碰撞中产生的力通过保险杠中的防撞梁，经过地板纵梁，C 柱或者 D 柱进行分散，防止碰撞力过于集中导致车身严重变形，进而侵入乘员空间造成乘员损伤。 图 2 一种两开门 SUV 的尾部溃缩吸能区示意 图 3 后碰中力的分散示意图（来自 Google 搜索） 那么，对于后碰安全，作为普通消费者，我们应该关注那些方面呢？汽车作为已经发展了一百多年的一个产业，其安全法规已趋成熟，如果我们去关注与后碰有关的法规及其试验验证过程，这些关注点是不难发现的。 第一个，ECE R32_关于后面碰撞汽车结构特性认证的统一规定，其规定，使用法规规定的碰撞台车或者撞锤，确保碰撞发生时台车或撞锤中心速度为 35-38 km/h 之间，然后考察后排座椅 R 点在底板垂直投影的纵向位移，如果位移小于等于 75mm，为合格，否则为不合格。 看到这里你可能会说，哎，等等，不是说后碰，追尾么，怎么扯到座椅上去了。别着急，因为通过大量的追尾事故数据分析表明，追尾事故中人体最容易遭受的损伤，是由于车辆被追尾时，受到外力的作用，车上的座椅将对乘员身体躯干产生向前加速，如果没有良好的支撑，乘员的头部将会滞后于身体躯干的向前运动。这种运动的不同步，导致乘员颈部遭受的扭曲和撕扯，躯干的加速度越高，运动越突然，颈部受到的力越大，乘员就越可能受到伤害。所以，一个拥有良好头部约束系统的座椅，对于防止乘员在追尾事故中收到伤害是非常重要的。 如果你是一个经常关注 C-NCAP, E-NCAP, IIHS 等机构对新车进行碰撞测试的人，你会发现做后碰的车非常少，这并不是这些机构不愿意做或者没有能力做，而是其被一个等效试验代替了，这就是鞭打试验，相比整车的碰撞需要比较大的场地和昂贵的费用，鞭打试验只需要一个相对较小的试验抬价即可。如果你是一个关心后碰安全的消费者，购车前可以再 IIHS 等网站上关注一下自己意愿车型座椅的鞭打试验，就可以知道其座椅在追尾事故中是否对乘员具有良好的保护。 图 4 鞭打试验示意图 第二个，ECE R42_汽车前后端保护装置（保险杠等）认证的统一规定，其规定，使用法规规定的碰撞滑车或者撞锤，以 km/h 的速度撞击车辆正后方，尾门在碰撞作用下不能开启，碰撞后应能正常开闭。理论上，这个程度的碰撞根本不会碰到尾门，而且，主机厂会要求一个比这个更高的速度检测碰撞中是否会碰到尾门，如果再相关规定的试验条件下碰撞器碰到尾门，则认为保险杠不合格。另外关于低速碰撞，主机厂也会规定一个比法规要求高的速度去测试塑料尾门的可恢复性。因为塑料尾门外板一般使用具有很好弹性的热塑性塑料，其产品的一大优势就是，在低俗碰撞时，产品不会形成永久变形，在自身弹性的作用下， 能够恢复到原状，从而降低维修成本。 图 5 低速碰撞中恢复原貌的后保险杠蒙皮（出处：https://www.zhihu.com/question/28798823） 第三个，ECE R11_关于汽车门锁及车门保持件认证的统一规定。其规定了当车门门锁在受到法规规定值的纵向负荷、横向负荷和耐惯性力要求的加速度限制时，车门不得意外打开。此项法规的作用，是防止在追尾事故中，车门意外打开导致乘员从车内跌落，造成意外伤亡。对于塑料尾门来说，按照法规要求的试验方法加载负荷，尾门的最大应力不能超过其材料的许用安全应力，即认为产品合格。举个例子，SMC 材料的名义失效应力为 75MPa,那我在法规规定的载荷下，其应力小于 75Mpa 即可。当然，一般为了安全起见，设计时会有一个安全系数，允许的最大应力要比 75Mpa 小一定量级，才能认为产品设计可行。 到这里我们明确了，塑料尾门设计时，在安全性方面，我们应该考虑什么，其实只有 ECE R11 要求的法规箱。碰撞吸能什么的，和塑料尾门关系不大，诚然在高速碰撞时，碰到尾门的几率很大，但是我们又有什么证据表明，塑料尾门吸能效果就差呢？可能是由于钣金的只是变凹，变形严重，而塑料尾门可能开裂的缘故吧，这个暂且不表，后面尾门再探讨。下面我们聊聊在设计阶段，如何保证产品在安全上与法规的符合性。你可能已经猜到，没有其他手段，只能借助于 CAE 模拟分析。 在产品详细设计阶段，第一轮设计过程中，需要快速的完成三维数据的创建，并完成所有和环境件的接口设计，然后将这一版数据完整性和工艺性没有问题，但是外观可能很难看的数据作为输入数据给 CAE 团队，进行 CAE 模拟分析并优化，针对 ECE R11 的优化，是其中最难的部分。由于耐惯性力要求最为严苛，所以对于塑料尾门 CAE 分析，其负荷加载条件如图所示。法规要求施加的加速度为 30-36G，并持续至少 30ms.分别在六个方向施加要求的加速度，并考察尾门整体不同部位的应力集中，最大应力小于材料的安全许用应力，则认为产品合格。 图 6 ECE R11 耐惯性力分析负荷加载曲线 第一轮数据的初始分析结果往往是不合格的，这时候一个强有力的 CAE 团队就至关重要了。CAE 团队通过不断的迭代分析，改变局部厚度，在特定的区域增加加强筋，改变产品结构外形等方式，在 mesh 数据中不断尝试，减小过大的应力集中，最终得到合格的产品结构。这时 CAE 团队会给设计团队一个输入，一个产品修改要求，设计团队将这些来自 CAE 团队的修改要求固化到产品数据之后，经过 CAE 团队的认可，则认为设计数据 CAE 结果满足要求。 紧接着，设计团队会开始第二轮的详细设计，本轮设计主要集中在外观结构的优化和工艺的优化方面。这些优化往往会对 CAE 计算结果造成影响，所以当第二轮设计数据固化后，要进行第二轮的 CAE 分析，这轮分析伴随着和主机厂的互相撕逼，经过漫长的挖坑与填坑，最后的结果肯定是所有的计算结果都 OK，而且还满足主机厂大爷关于外观的要求。至此，塑料尾门的设计就基本完成了，后续基本上就是在不同环境件周围的小打小闹，不会再有大的更改了。 这是开发阶段，尾门的设计者所做的工作。在生产阶段，根据试验计划，对塑料尾门进行数万次的高低温交变环境下的耐久试验，你可以理解为在冰火两重天中，不同的开闭门几万次。要进行局部刚度测试，测试产品在受一定力的情况下是否会产生大的变形。要进行阳光曝晒试验，测试在高温曝晒情况下是否会产生大的变形。主机厂还需要进行各种整车碰撞试验，这部分不了解，就不展开了。 所以，从以上的产品开发历程看，主机厂及其供应商都是严格按照开发流程，以安全法规为依据，去设计和生产塑料尾门的。这中间绝不会有偷工减料或者欺上瞒下或者糊弄顾客，这个锅，谁都背不起。从一个设计者和生产者的角度说，塑料尾门绝对是安全的，可靠的，这是毋庸置疑的。 再探讨一点，就从大家都关心的，高速碰撞时如果真撞到尾门上去了，塑料尾门真的不如钢制尾门安全吗？我看未必。如果我们把塑料尾门也看做吸能缓冲区的一个部件，其具有吸能缓冲的效果。那么，以第二代塑料尾门为例，其起支撑作用的复合材料内板，在碰撞中会有什么样的效果呢？我们以保险杠为例，一起看看对于钢材，铝材，复合材料三种材料在低速和高速碰撞中的性能对比。 根据董银飞的硕士毕业论文《汽车复合材料碰撞吸能装置设计与仿真方法研究》中的分析方法，采用不同材料的零件，在相同结构、体积及边界条件下，在仿真试验中，采用相同体积和质量的刚性墙，以一定的速度对零件进行压溃，进行碰撞仿真，然后提取碰撞后应力，变形及比吸能等结果进行对比分析，对比的材料塑性如图。 图 7 对比材料特性 在 4km/h 低速碰撞时，经过碰撞仿真，得到的分析数据结果如下。 图 8 四种不同材料零件刚性墙加载位移 图 9 四种不同材料零件碰撞历程载荷 图 10 四种不同材料零件吸能曲线 图 11 低速碰撞结果数值对比 在较低速度碰撞时，首先，根据刚性墙加载的位移 - 时间曲线图 8，可知各材料抵抗碰撞时的屈曲变形位移明显有很大不同，且达到最大位移的时间也各不相同，经整理具体数值在图 11 中对比可得，加载位移低强度刚>铝合金>复合材料>高强度钢，这主要是和材料的刚度和屈服强度有关，其中低强度钢消耗了约 8 倍于高强度钢的自身位移，才抵抗住刚性墙的碰撞，复合材料抵抗碰撞的强度远大于低强度钢，略大于铝合金。其次，各材料的初始碰撞力峰值的对比。碰撞历程中支反力曲线如图 9 所示，观察曲线可知低强度钢和铝合金都出现了两个波峰，这说明此两种材料发生了两次较大的屈曲变形，而高强度钢和复合材料只屈曲变形了一次就抵抗住了碰撞。整理初始碰撞力峰值的对比关系如图 11 所示，其中高强度钢>复合材料>铝合金>低强度刚，这是材料刚度的表现，观察复合材料的载荷曲线，其初始碰撞力水平较高，但持续时间较短，这是复合材料的特点，一旦进入屈曲阶段，其刚度以一定规律退化。 其次，各材料的初始碰撞力峰值的对比。碰撞历程中支反力曲线如图 9 所示，观察曲线可知低强度钢和铝合金都出现了两个波峰，这说明此两种材料发生了两次较大的屈曲变形，而高强度钢和复合材料只屈曲变形了一次就抵抗住了碰撞。整理初始碰撞力峰值的对比关系如图 11 所示，其中高强度钢>复合材料>铝合金>低强度刚，这是材料刚度的表现，观察复合材料的载荷曲线，其初始碰撞力水平较高，但持续时间较短，这是复合材料的特点，一旦进入屈曲阶段，其刚度以一定规律退化。 最后，在能量吸收方面的表现，吸能 - 时间曲线如图 10 所示，高强度钢和复合材料在开始阶段吸能较高，这是由于初始碰撞时载荷较高引起的。整理吸能数值如图 11 所示，若撇开材料消耗自身位移多少这个因素，总吸能呈现为较小差值，高强度钢>低强度刚>铝合金>复合材料，但材料吸能评价需要考虑材料自身消耗及质量等因素，在下一节中的碰撞仿真，将会把各材料构件完全压溃，定性分析吸能效果。 综上，在低速碰撞时，从抵抗变形的能力的来看，复合材料都是优于普通钢材和铝合金的，虽然吸能表现上复合材料要比普通钢材差一点，但是差距不大。如果我们还考虑到塑料尾门外板大多都使用的是具有良好弹性的热塑性塑料，其大大增强了吸能能力，未必塑料尾门在低速碰撞时吸能能力比钢制背门差。 在高速碰撞的仿真中，其采取了 C-NCAP-2012 的碰撞标准，以 56km/h 进行仿真试验，最后得到数据结果如下图所示。 图 12 高速下各材料位移载荷曲线 图 13 高速下各材料压溃吸能曲线 图 14 高速碰撞数值结果对比 据图 12，刚性墙以较高速度碰撞试验对象时，初始碰撞力峰值表现为，高强度钢>复合材料>铝合金>低强度刚。观察之后的载荷峰值，其中高强度钢出现峰值波动较为频繁，数值变化也较大，说明高强度钢材料的刚度和极限屈服应力偏大，使得其在高速碰撞时载荷分布极不均匀，屈曲模式也不稳定；低强度钢的碰撞力峰值相对其他材料一直处在较低水平，但在屈曲过程中峰值分布较均匀；铝合金材料的碰撞力峰值波动也较为频繁，载荷的分布略好于高强度钢，介于高强度钢和低强度钢之间；复合材料在高速碰撞下也突出表现了其在屈曲过程中的刚度退化特点，碰撞峰值较少，载荷分布均匀且稳定。 总吸能结果表现如图 14，高强度钢>复合材料>铝合金>低强度钢。高强度钢凭借其较大刚度及屈服强度，在致使构件完全压溃的相同位移时，吸收了较高能量 25.06k J；铝合金和低强度钢吸收的能量较少，同厚度的复合材料总吸能也高达到了 17.22k J。综合材料自身质量因素，比吸能复合材料>铝合金>高强度钢>低强度钢，此结构的复合材料比吸能是低强度钢的 8 倍，高强度钢的 3.5 倍，铝合金的 2 倍。 从以上数据可以看出，在高速碰撞时，复合材料零件在碰撞中无论是载荷分布还是吸能能力，都具有很好的优势，并不存在，塑料比钢差的情况。 为什么消费者会觉得塑料尾门不安全呢？首先一个原因，就是人对于材料的主观且直观的经验评判，钢的肯定比塑料的结实，这基本上最最普通常识性认知。你把钢的换成塑料的，安全性就降低了。第二个，塑料的失效形式多以破损断裂的形式呈现，而钢制件多以塑性变形呈现。大家的想法可能是，你看你着塑料的都破了，我这这是变形了而已，我这个安全。第三个，大家对于后碰追尾的安全认知误区。我们关注的重点不应该在尾门上，而应该是防撞梁，地板和座椅。 阅读原文
