211257243_做科研_要更具前瞻性——访清华大学汽车碰撞试验室主任_张

2024年1月31日发(作者：广汽本田飞度4s店)

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扫一扫阅读本栏目更多文章文/ 刘颖平采访中，张金换翻出了一张略有年代感的照片，指着其中一个人说：“这就是我。”照片中的影像已经有些模糊，靠墙坐着一排人正在吃盒饭，从右往左第四位是一位女性，她就是本期人物的受访者清华大学汽车碰撞试验室主任张金换。【人物简介】张金换，清华大学车辆与运载学院教授，博士生导师。现任清华大学汽车碰撞试验室主任，兼任中国汽车工程学会汽车安全技术分会秘书长、全国汽车标委会汽车碰撞试验及碰撞防护分委会委员、市场监管总局汽车召回特聘专家、《汽车安全与节能学报》副主编、《产品安全与召回》编委会委员等。中国汽车碰撞安全性研究的创始人之一，与黄世霖教授共同建成中国最早的汽车碰撞试验室。主要研究方向为汽车碰撞安全性、人体冲击损伤与防护等。先后获得国家和省部级科技进步奖及GM-中国科技成就奖（个人奖）10余项，发表学术论文120余篇，出版《汽车碰撞与安全》《汽车碰撞安全性设计》《汽车儿童乘员碰撞伤害与防护》等专著。指导研究生40余名，指导博士后10余名。 62

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做科研要更具前瞻性

张金换是我国中国汽车碰撞安全性研究的创始人之一，“我们开始做汽车碰撞那会，国内几乎还没什么碰撞安全的概念。”张金换主编了《汽车儿童乘员碰撞伤害与防护》，“最开始研究儿童乘车安全，那时小孩儿也没有乘坐儿童安全座椅的意识，基本都是家长抱着、或者直接坐副驾驶或后排，其实是非常危险的。”张金换还参与了神舟号系列飞船返回舱人员防护结构的相关科研，并主持了空间站货物返回舱货物的安全性等相关科研项目，“我们现在在做一些极端冲击环境下结构和人员安全防护的重大项目，可以理解成一些非标中国第一座汽车碰撞试验台(1992)试验。”从车的安全到人的安全，再到货物的安全，串成了张金换的“人生碰撞安全轨迹”。车的安全1973年，张金换进入清华大学，就读于汽车工程系汽车专业。1977年毕业后，一直在研究汽车。1977-1995年，任清华大学汽车工程系助教，期间还获得了清华大学社会科学系思想政治教育法学士。“我最早接触汽车安全是在本科毕业设计时。”当时，张金换跟随其导师黄世霖——被誉为中国汽车碰撞安全性研究的创始人，曾任清华大学汽车工程系教授、博士生导师，汽车安全与节能国家重点实验室汽车碰撞试验室名誉主任——研究汽车行驶摆头问题。汽车行驶中出现摆头故障，是指当汽车在某个速度行驶时，感到方向不稳，产生前轮摆振。当加速到一定速度，方向盘抖动很严重，严重影响到汽车的安全性和舒适性。“早期在汽车操纵稳定性和平顺性方面研究了很长如今的碰撞试验室时间，真正接触到汽车安全方向的研究是从1989年开始。”张金换回忆道。一，张金换先后曾参观过美国、德国等一些国家的汽车碰从上个世纪80年代起，“汽车安全”这个看似熟悉，撞试验室。见识过其他国家和汽车企业建成的碰撞试验但又非常专业的名词进入了中国汽车人的视野，张金换室后，张金换及其所在的团队开始考虑建立我国的汽车跟随着黄世霖教授开始了汽车碰撞安全的研究。当时，模碰撞试验室。仿是中国汽车制造的主要途径，量产才是汽车制造厂的“当时的条件非常简陋，经费特别少。”所以最开最大目的，“汽车安全”这个话题在当时并没有没有溅起始簧世霖、张金换等人在当时清华的“汽车楼”，如今多少水花。百年讲堂附近的十字路口一侧，搭建了一个露天的碰撞作为国内较早开始研究汽车碰撞安全的一批人之试验台。Copyright?博看网. All Rights Reserved.

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1992年5月31日，中国首次整车碰撞试验在清华大学进行，试验对象是辆小客车，目的是检验该车的安全性能。1995年5月26日，清华大学受北京吉普车有限公司委托，进行了首次按法规要求实施的整车碰撞。试验取得了成功并且得到了十分宝贵的撞击速度、车身最大减速度、车身动态变形、方向盘后移量、燃油泄漏等方面的准确数据和资料。这次试验以“中国汽车第一撞”载入《365个第一次：共和国50年珍贵图录》。1998年6月18日，东风神龙在清华大学进行了富康轿车碰撞试验，完成了中国第一次按法规要求实施的轿车碰撞安全性试验。上世纪90年代初，中国汽车保有量也还很少，国家也没有整车碰撞安全性法规，缺乏碰撞试验的设备与条件，国内主机厂也难以支付以几辆车来做碰撞的高昂成本。但是张金换等人，迈出了第一步，难度可想而知。难度主要聚焦在两方面，一是牵引力的问题，二是碰撞波形的模拟。据了解，由于每辆车的性能并不完全相同，为保证做试验时客观条件一致，所以得将汽车自身的动力关掉，采用外部的牵引动力。如今的碰撞试验动力是由电机牵引，但当时，由于经费拮据，张金换等人想出方案，购买了橡皮绳，用每股1000根橡皮筋组成的约20根橡皮绳来当作被撞车的牵引动力；除了牵引力的问题，实验中还需要产生碰撞波形，一台进口设备的费用，在1000多万到2000万不等，张金换等人用汽油桶等摆在相应的位置去摸索能够满足要求的波形。1995起，张金换开始担任清华大学汽车工程系汽车碰撞室副主任。1998年开始，行业内开始讨论中国的碰撞标准。受清华大学碰撞试验的影响，越来越多的主机厂开始重视碰撞安全的问题，由于当时主机厂并没有足够自己进行试验的条件与能力。“那段时间，我们做了相当多的碰撞实验，很多主机厂来到我们这来做实验，试验中如果发现问题需要改进的话，我们帮主机厂改进完再继续做试验。”张金换回忆道。2000年，中国第一部汽车碰撞安全标准正式颁布实施，张金换作为主要起草人之一，全程参与了相关标准的制定工作。汽车碰撞安全一系列标准的颁布实施，标志着中国汽车被动安全标准法规正式与国际接轨。随后，主机厂才开始逐渐建立自己的碰撞试验室。虽然碰撞标准实施了，但是很多汽车都是在此之前完成设计的，有些车型并不能满足碰撞安全标准的要求，需要进行改进达标后才能进入市场销售。“印象比较深的案例是捷达。”张金换介绍，当时捷达在我国的销量非常可观，但是他们的车并不能满足侧面碰撞的标准，所以和厂方沟通，商量改进方案。捷达在与清华团队沟通的同时，德方自己也在提出改进方案，但是两者的方案一对比，清华提出的方案不仅预算更低，并且用时也更短，最终，张金换等人承担了捷达车侧撞的改进项目。之后，还有北汽昌河轿车等等很多类似的改进案例，实质上帮助了很多主机厂提升其汽车安全性能。“碰撞安全标准实施到如今，这期间各方合力不断满足法规的过程，也是我国汽车安全性有非常大提高的一个过程。”张金换总结道。张金换认为，我国汽车安全性的提升，主要体现在两方面。一方面是生产出的新车进入市场流通前，都必须满足整车碰撞安全相关标准，这是条“及格线”；另一方面，侧面碰撞安全性研究 64

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做科研要更具前瞻性

“假人家族”越来越多的车型甚至满足了C-NCAP测评等更高要求的标准。随着国内汽车保有量的快速增长，主机厂陆续建立了更为先进的碰撞试验室，从试验室设备先进性的角度来说，清华的汽车碰撞试验室不再具有优势。“现在主机厂做得很好了，对于高校来说，我们应该研究一些更具前瞻性的方向及课题。”因此张金换开始研究新的方向。为成熟，张金换针对儿童成员碰撞伤害与防护开始研究并进行相关的科普工作。2004年，张金换开始担任清华大学汽车碰撞室主任/教授。一次，她去日本考察，开始关注到儿童乘车安全。同年，建立了中国第一个儿童约束系统试验装置。通过进行一些儿童座椅、校车碰撞方面的实验，引起了业内对儿童座椅碰撞方面的关注，相关的法规也逐步建立、日趋完善。“儿童坐车，早期基本都是家长抱着孩子，或者直接放在副驾，孩子随便趴在仪表板上，发生的事故很多。”于是张金换等人开始借鉴欧洲、美国等较早实行儿童座椅安装强制使用的规定。并且参与了诸多儿童乘车安全科普宣讲活动，引导家长意识到孩子乘坐儿童安全座椅的重要性。张金换表示，虽然我国目前还没有相关方面的强制规定，一二线等大城市儿童座椅的普及率已经逐步提高，越来越多的家长也关注到儿童乘车的安全问题，一些偏远的地方普及率还有待提高，需要进一步关注。张金换强调，确保儿童乘车更安全，需要注意以下几方面，一是加强对家长的安全教育，监管部门和媒体都应积极参与其中。据悉，市场监管总局缺陷产品管理中心每年都会召开儿童安全的主题宣传工作；与此同时，张金换也参加了电视台、广播等较多的科普宣传节目，对儿童乘车安全进行广泛宣传。二是，建议对小孩子，例如幼儿园和小学也应该开展一些宣传工作，培养孩子从小就养成安全意识。不论是普通的乘员的保护还是儿童乘车的保护，假人作为一种形态体征仿人、生物力学仿生、环境感知智能的模拟人系统，都广泛用于车辆和特殊冲击领域。张金换指出，但是假人及其标定设备的核心技术长期被国外垄人的安全“其实安全是个随着市场变化，出现的产物。”张金换谈到，刚开始大家认为汽车能跑起来就行，早期阶段只是引进些技术；慢慢的，伴随着越来越多车辆事故的发生，并且借鉴国外发展经验，大家开始关注安全问题，车的安全，以及人——乘员的安全。除了整车碰撞安全，张金换主要还研究了乘员约束系统及行人碰撞保护，尤其是汽车儿童乘员碰撞伤害与防护。采访中，张金换还带领记者参观了试验室的“假人家族”。试验室其中一间房间两侧靠墙的展示架上，两层都摆满了各种型号的碰撞假人。张金换表示，这些假人是为了能够模拟出更接近真实的实验环境，“假人家族”中有新生婴儿，1.5岁、3岁、6岁及10岁的小孩，有身材娇小的5百分位女性，有拥有大众身材的50百分位男性，也有按照欧美人骨骼设计的ES-Ⅱ侧撞假人。这些假人身上分布着数量不等的传感器，能够提供各种体质特征人群的实验数据，为汽车安全性能的提升提供了全面的帮助。1998年，清华大学建立了中国第一个行人保护冲击试验台。除了保护车内乘员的安全，也需要保护参与道路交通的群体。伴随着整车质量与技术的提升，普通乘员的保护也较Copyright?博看网. All Rights Reserved.

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模拟计算和试验结果比对神舟六号飞船返回舱校领导和航天集团领导在试验现场断，已成为我国汽车安全技术升级和相关领域现代化建设的“卡脖子”问题。目前国内标准制定采用的假人均依据欧美体征标准，但其表征的生物力学特性等与中国体征差异明显，直接影响车辆及相关领域安全性能评价体系构建。打破垄断，加快研制中国体征假人成为行业共识，已有公司开始研制中国人体尺寸的假人。攻克爆炸及碰撞冲击环境下人体损伤机理、中国体征假人定量分析及建模、仿生新材料设计及制备方法、人体损伤评价体系及防护方法等核心科学问题，已成为提升我国汽车安全和特殊冲击环境下人体损伤安全研究之亟需。张金换及其团队开始着手研发中国人体体征数字假人、智能保护装置等产品；完善和细化我国相关领域人员安全防护标准，同时填补我国相关领域标准的空白；建立乘员防护相关理论和防护策略。该项目积累了清华汽车碰撞试验室近30年碰撞试验数据和人体损伤案例分析与经验积累，并拥有机械、材料、仿生、生物力学、测控等多学科交叉研究背景，目前正在深入研究中国人体参数化数字模型，已取得了阶段性成果，将应用于驾驶辅助及智能驾驶乘员的安全性防护系统。科研经验丰富，具备雄厚的研发基础和实力。和试验的工作。其中，神舟五号飞船返回舱的着陆冲击和宇航员抗冲击保护研究工作，对确保我国首次载人航天成功具有重要意义。近期，张金换及其团队在协助相关单位进行空间站货物返回舱货物的安全性课题的研究。为什么是极端条件？张金换介绍，之前的实验大部分速度都比较低，比如每小时几十公里，但是现在她们在做的是每小时100公里以上，可以说是非常极端的条件。在这种工况下，要保障货物的安全性，团队成员需要通过大量的计算，策划出想要实现的方案，项目涉及的问题需要较强的科研水平。因此，合作方找到了清华的碰撞团队。安全问题无止境除了担任清华大学汽车碰撞试验室主任一职，张金换还是市场监管总局汽车召回特聘专家，之前也参与了“断轴门”等多起汽车召回活动的缺陷判定与分析，从召回角度提升汽车安全贡献自己的力量；还兼任中国汽车工程学会汽车安全技术分会秘书长，每年组织召开一届汽车安全技术国际学术会议，至今已是第25届年会。该会议吸引了诸多汽车安全技术领域的知名专家学者和企业人士出席，就汽车安全技术研究及应用的最新进展进行交流和研讨。“近些年承担的项目中，在智能驾驶状态下，多次涉及到乘员的安全性问题，接下来也是我们的一个重点方向。”采访尾声，张金换抛出一个问题，未来如果实现无人驾驶，方向盘都没了，乘员的状态可能是躺着的及各种未知的姿态，这种情况下，该怎么保护乘员的安全，又该怎么评估汽车的安全性？这是张金换以及汽车全行业都要面临的新任务。随着需求的变化，以及新技术的不断发展，日益衍生出新的安全问题，张金换仍在安全的道路上用心钻研，带领着她的团队，用更具前瞻性的眼光，做好科研工作，守护好碰撞后车、人、物的安全。R物的安全“我们学院更名为车辆与运载学院，所以除了汽车，运载方面的一些研究我们也在做。”张金换介绍了近年来她们承担多的一些极端冲击环境下结构和人员的安全防护的重大项目。例如，神舟号系列飞船返回舱人员防护结构的相关科研，以及空间站货物返回舱的货物的安全性等相关科研项目。神舟号系列飞船的相关科研项目时间紧，任务重，要求高。从神舟三号至神舟八号，张金换及其团队都参与其中，主要承担神舟飞船返回舱着陆冲击的相关模拟计算 66

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