在很多消费者看来，汽车的安全性要比动力性与舒适性重要的多。我们都知道汽车安全分为主动安全与被动安全，主动安全的技术主要是用来避免事故的发生，因此我们可以通过切身体验来感受。而被动安全的技术是用来减轻事故对车内乘员的伤害，往往体现在事故发生后，因此我们无法直观感受，只能通过品牌的宣传，或是依靠车辆在国内外碰撞测试中的成绩来进行判断。
由于这种信息的不对称，一些自称专业的人便开始用“钢板薄厚影响汽车安全”的言论误导消费者。不过随着安全知识的普及，人们开始认识到汽车结构安全主要取决于车身架构，而非车身覆盖件。但在钢板薄厚的话题尚未平息之前，又开始有人拿着卷尺、游标卡尺等，测量前后防撞钢梁的长度以及钢材厚度，声称用料多少决定安全性能，于是又吸引了不少消费者的关注。
那么车身结构用材的多少到底能不能代表安全性能？如今高强钢在汽车上的应用达到什么水平？工程师们又是如何判断材料基本力学属性的？这次，我们来到专业的实验室，并且邀请到清华大学苏州汽车研究院（相城）轻量化所的副所长黄毅博士及其团队，针对福特翼虎车型上采用硼钢材质的前防撞钢梁以及B柱加强件进行严谨的材料力学性能试验。
什么是被动安全？
我们常说的汽车被动安全，是指交通事故发生后，汽车本身对减轻人员伤害和货物损失的能力。听起来不难理解，但实际上，由于汽车碰撞过程是一个复杂的瞬时物理过程，它包括成百上千个零件的复杂变形和相互作用，具有很强的非线性特性。因此汽车被动安全技术所涉及的问题有很多，需要进行非常复杂的分析，才能够在碰撞事故中最大限度地保护车内乘员。
一般来说，汽车的被动安全系统主要包括安全的车身结构以及乘员保护约束系统（安全带、安全气囊及汽车座椅）。有研究表明，在道路交通事故中，绝大部分的碰撞能量被车身所吸收。当车身吸收了大部分冲击动能后，还有一部分能量则需要座椅、安全带和安全气囊来化解。所以说，一款车的碰撞安全性更多依赖于车身的吸能结构和主体框架设计。
汽车研发如何保证乘员舱的安全性？
在大多数消费者看来，车身结构的安全性，主要取决于所用材料本身的属性。由于很多人并不具备专业的知识，因此无法把一款车的安全性能进行量化，只能简单通过主要结构部件的厚度尺寸，或是所用材质本身的强度数值来进行判断。
通常，汽车结构用材最重要的两项性能，就是强度和延伸率。强度主要是指抗拉强度，表示的是材料抵抗外力产生变形的能力，强度越高，把同等截面的材料拉断所需要的力也就越大。延伸率，表示的是材料的“柔韧性”，也就是我们平时对材料脆性或者是韧性的主观感觉。它影响的是材料的可加工性，以及结构碰撞安全中的吸能性。
对于材料来说，抗拉强度与延伸率都应该越高越好。但世事往往都难以做到两全其美，材料也是一样。我们从目前汽车上常用的钢材的强度和延伸率分布图（俗称“香蕉图”）就可以看出一些规律：材料的抗拉强度与延伸率是一对此消彼长（trade-off）的关系，像汽车上常用的高强低合金钢（HSLA）与热成型钢。HSLA可以做到20%或以上的延伸率，但抗拉强度一般只能达到600MPa左右；而对于热成型钢，抗拉强度可以做到1500MPa，但延伸率往往在10%以下。不过从图中还可以看到，如今一些企业正在研发的第3代先进超高强钢，其抗拉强度覆盖了1000MPa~2000MPa的宽广范围，而延伸率也可以做到接近40%的水平。其韧性几乎是目前热成型钢的4倍。这是汽车用钢材的未来。
既然汽车用钢材的强度与韧性不可兼得，那么除了选择合适性能的钢材特别关键以外，还要从整个车身结构，尤其是乘员舱的结构，进行合理地设计。从而保证汽车在发生碰撞时，对乘员有足够的保护。一般我们把车辆整体纵向分成三个区域：前后两个溃缩区以及中间的“安全笼“区。
溃缩区也就是我们常说的吸能区，通过这部分的金属件发生塑性变形，来耗散碰撞过程中的动能，以减小碰撞载荷对乘员舱的冲击，也降低乘员所要经受的惯性载荷。所以对于组成前后溃缩区的部件，材料选择要兼顾强度与韧性。再往深说，溃缩区的溃缩行为还需要经过精心设计。总的来说，溃缩过程所产生的力要尽可能的平缓，这个“力的时间历程”在汽车碰撞工程里叫加速度波形。它是乘员约束系统（安全带、安全气囊、座椅等）工作的关键输入，波形特征需要与约束系统匹配。因此，汽车乘员保护是一项复杂的系统工程。
另外，对于车辆前端的保险杠横梁，也就是我们常说的防撞钢梁。它承担着将前端载荷，尤其是集中载荷（撞树撞灯柱等），分布到两侧的纵向吸能部件（吸能盒）上。因此这个横梁需要选择高强度材料，同时通过几何设计实现较高的刚度。对于这些要求高强度的部件，目前比较主流的选择是使用热成型钢（硼钢）来制作，比如这次进行试验的福特翼虎的前防撞钢梁。
而所谓的“安全笼“就是乘员舱所在，它主要的作用是在发生碰撞的过程中，为乘员提供足够的生存空间。因此这个区域的框架必须做得足够强，可以抵御外界载荷，防止自身的溃缩以及外界物体的侵入，例如车辆的B柱。B柱是车辆在遭受侧面碰撞时，首当其冲的结构。B柱与乘员距离小，而且考虑到乘坐空间舒适度的问题，B柱在横向方向上缺少支撑，从几何结构上来说，是一个不稳定的状态，因此对B柱刚度和强度的要求更高，以便于将载荷转移到B柱周边的框架结构上。
当然，不只是B柱，一些厂商会在车身的A柱、B柱、C柱、车顶纵梁、门槛梁、前后防撞钢梁等多处采用超高强度钢材，以此来增加乘员舱主体框架的强度，以确保碰撞后车内成员的生存空间。当然各品牌的理念不同，欧美系车相对来说对于热成型钢的使用要更积极一些，哪怕成本会高一些。
为什么要做材料力学性能试验？我们是如何进行试验的？
通常上，进行专门的材料力学性能试验目的有两点：第一，对于零部件厂或者主机厂来说，常常要验证材料的性能是否符合这个批次的标准，确保汽车产品的质量；第二，提取材料的真实应力应变曲线，甚至是材料失效的条件，输入到仿真模型中，用于仿真计算。在有限元计算还未普及的时候，主机厂为了验证车身结构是否达到了最初的设计目标性能，需要不断地做碰撞试验，但是整车碰撞试验成本太高了；随着有限元分析方法在汽车制造业中广泛应用，如果能得到准确的材料模型，就可以利用仿真试验来代替许多的物理试验，减少费用高昂的物理试验的次数，这对于缩短开发周期、节省开发成本都有很大的帮助。
当然对于我们来说，主要目的不是验证材料是否达到了设计的目标性能，而是为了了解福特翼虎车身用材（硼钢）的基本力学属性。因此参考一般常规汽车进行材料及冲击试验的方案，从前防撞钢梁与B柱加强件上选择平整区域截取所需的准静态和动态试验样件，进行准静态和动态共3个应变率（0.001/s，1/s，100/s）的单向拉伸试验。同时也根据经验设置相应的试验条件（如锤头的重量、形式和落下高度），进行落锤动态冲击试验。
对于准静态试验，我们采用的是电子式的准静态万能实验机。通过上下两个液压夹头夹住试件，在加载的过程中控制夹头的移动速度，直到将试件拉伸至断裂机器便会自动停止。同时利用机械引伸计的两个夹头夹在试件的标距段，在试件被拉伸的过程中记录标距段的相对变化量，也就得到了应变。
对于准静态试验来说，由于拉伸速度较低，因此我们常用机械引伸计来夹住试件，测量相对变形。但是对于高速试验来说，由于可能会损坏机械引伸计，所以需要采用图像分析的方法来分析变形量。也就是利用高速摄像机来拍摄喷涂在试件上的散斑，通过数字相关图像处理，来获取散斑在拉伸过程中的变形量。图像分析法有一个优点是可以获取材料在变形过程中的关键部位的应变场，便于与有限元分析中的计算结果进行对比，对于涉及到材料失效的仿真预测尤为重要。
当然对于高速试验，高速的冲击会让载荷传感器自身产生很大的振荡，干扰输出信号，影响后续的有限元分析。所以我们需要在试件上贴应变片，相当于在试件上自制了一个载荷传感器，通过测弹性变化区域的应变量来反推试件在拉伸过程所受到的载荷。该方法原理简单，但实施起来有非常多的细节需要考虑，比如材料本身的力学属性、试样的几何尺寸、试验的加载条件等。需要结合理论分析、有限元仿真计算以及长久的测试经验积累，才可以得到针对不同材料的最优的测试参数。
而在进行落锤动态冲击试验时，我们通常采用动态三点弯的试验方法，也就是让锤头落在试件的正中进行冲击。在这一过程中，测量锤头的加速度，可获得撞击时锤头所受到的载荷，同时记录锤头的位移。如果需要试验结果与仿真结果做对比，我们还会判断材料开裂的位置、开裂的大小、褶皱的形态与计算机中是否一样，这就属于很精细的仿真计算了。
高强度钢在福特翼虎上应用效果如何？
通常对于任意一款车型，只要满足一定的碰撞安全法规，达到一定的碰撞标准要求，就可以说是合格的产品。而实现这个目标有很多不同的手段，如果希望降低制造成本，可以使用较低强度的材料，依靠厚度以及结构设计来保证安全性。但是这样会使得整车质量更大，因此动力性也就相对较差，同时也会影响到燃油经济性。而另外一种就是采用高强度材料，虽然成本更高，但整体结构也就可以做的更加轻薄，减轻车重，同时也不会影响安全性能。一般来说，车身用材的抗拉强度达到500MPa以上我们称为高强钢，而达到700MPa以上则称为超高强钢。
由于试样是直接从成形件上进行截取的，每个样件的截取位置都不一样，因此成型过程可能会对材料的性质产生一定的影响。然而从材料拉伸试验的结果来看，至少对于单向拉伸的工况，材料性质表现出来的一致性尚可。本次试验的结果与其它材料对比（选择的是DP钢），可见本次试验的硼钢的强度远高于DP钢常用牌号的最高等级。
对于保险杠横梁，屈服强度在1200MPa以上，抗拉强度在1500MPa的水平。B柱的屈服与抗拉强度与保险杠类似。在动态试验中，基本所有的试件在断裂时的工程应变达到10%以上，说明该材料的韧性尚可，并不是特别的“脆”。但是在车辆设计中，此类材料还是要配合其他韧性更强的材料，以保证冲击时结构的完整性，提高吸能效果。
对于防撞钢梁的落锤试验，锤头质量为85kg，初速度为8.85m/s，相当于输入能量为3328.7焦。而对于B柱的落锤试验，锤头质量为85kg，初速度为8.77m/s，相当于输入能量为3268.8焦。以下为滤波前后的数据对比。
试验后两个零部件均未发生完全折弯，未见样件上有明显裂纹。也就是说，在此能量的冲击下，两个零部件均未完全失去承载能力，说明此防撞钢梁和B柱可承受载荷及吸收能量较大，可以说成绩相当不错。
另外从一些细节设计上，对于前保险杠两端的吸能盒来说，由于需要卸掉从保险杠传递来的载荷，因此对钢材的韧性要求比较高。由于这个溃缩部件被冲压成管件，所以我们可以看到其上被压出很多经过设计的凹痕，用于引导溃缩时的折叠过程，提高压溃过程的吸能效率，降低压溃的初始峰值力。这种设计不仅成本较高，对材料的可加工性也有效高的要求。同时，吸能盒的厚度、长度以及形状截面设计还要跟车型、车重进行匹配，进行优化设计，甚至还要根据约束系统（安全带、气囊、座椅）来进行优化匹配，可以说是很复杂的。
特别值得一提的是，福特翼虎的B柱加强件是一整块热成型件，但不同位置的厚度有明显的差异。试件最厚部位的厚度为2.08mm，最薄仅为1.25mm。对比试件裁切位置可以发现，B柱沿其长轴方向，呈现中间厚两边薄，而且总体来说上部比下部厚的状态。这说明该B柱是对一块变厚度的热成型钢块进行冲压成型。该工艺相对来说比较复杂，需要制造过程的精准控制，同时对冷却方案设计要求也更高。
之所以使用这么复杂的工艺生产B柱，主要原因还是B柱在车辆碰撞（尤其是侧撞）中的作用非常重要。虽然理论上B柱越强越好，但细化到B柱不同位置上，实际性能要求还有区别。在发生侧面碰撞的时候，B柱下部会与撞击车辆的保险杠结构接触。这部分离乘员有一定的距离，刚度可以适当弱一些，增加吸能，有利于整体安全。而中部在进一步挤压的过程中，承受很大的弯距，因此需要特别强化，防止屈曲后产生过大的侵入，对乘员造成伤害。为了实现这样的性能差异，目前有两种主流解决方案：一种是使用翼虎这种可变厚度轧制板，另一种则是使用激光拼焊的方式，将下部较弱的板材与上部较强的板材连接，然后再实施冲压成型。两种方案相比，个人认为前一种方案在性能方面的优势稍大，因为可以实现连续变厚度，增加部件的可设计性。此外，板材无需焊接，也避免了类似硼钢这种超高强钢在焊接质量方面潜在的问题。
总结
通过以上这些试验，不仅充分证明，在福特翼虎这款车上，其车身用材（硼钢）的基本力学属性确实属于比较高的水准，让这台车的被动安全性能得到充分保障。同时我们也希望大家能够了解，要想判断一款车的安全性如何，不是简单测量一下就可以得出结论的。研发团队为此所付出的每一份努力，也要用严谨的方式去对待。