房車賽，拉力賽賽車怎麼緩衝撞擊力？

05-01

果然大家還是關注方程式賽車更多呢，要是能講講房車，巴哈賽車什麼的就問題就完美解決了！

現在逼乎的風氣真的不行，強烈建議有些人不要想當然的信口開河，毫無考據就亂說一氣。

賽車不僅僅有緩衝設計，還有嚴格的緩衝性能規則要求，並有非常高水平的測試。

以F1或者說方程式賽車為例，按照FIA的規定，賽車的緩衝結構大致分為三個部分：前碰撞結構（Front Impact Structure），後碰撞結構（Rear Impact Structure）以及側面碰撞結構（Side Impact Structure）。

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FIS，也就是常說的鼻錐。在做碰撞試驗的時候還要包括Nose tip，和wing hangers。

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SIS，紅圈內兩個圓柱。早期有四個，2019賽季的F2 F3還有4個。

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RIS，就是變速箱後面的結構。

了解完結構，看看FIA對實際碰撞測試的規定。

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對於FIS，最重要的大約是上述幾條規定,篩選一下重點:FIS在碰撞分解的過程中,前100mm加速度不大於10g,100至150mm不大於20g,在吸收第一個60千焦能量的過程中最高加速度不大於20g，全過程最高價速度不大於45G。

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碰撞過後的FIS大致就是上面這攤廢墟了。

同樣的對於RIS也有相似的碰撞測試規則。

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而SIS屬於FIA親自設計並委託廠家生產的統規件,碰撞測試由FIA自行完成,車隊需要保證SIS的底座在pushoff和squeeze的測試中不會失效.

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FIA進行的SIS側碰試驗

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SIS的Push-off測試.

對於全世界的賽車工程師來說,賽車安全性的提升從70年代開始就在高速的推進發展推進,每一次技術設計和規則的升級都是無數工程師知識的結晶,更是參賽人員血淋淋的經驗教訓.

回到問題:賽車是怎麼緩衝撞擊力的,對於方程式而言,很簡單,就是靠複合材料的形變破碎吸收能量.

以上規則全部援引自FIA官方公布的&<2020 FORMULA ONE TECHNICAL REGULATIONS&>.有需要可以到FIA官方網站自行下載.

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同反對 @BMdgc 高贊答案提出賽車不緩衝撞擊力的說法。

方程式的確上的都是碳纖維單體殼，答主也給出了單體殼的圖片，但要注意到，答主所給的圖裡並沒有在前部安上起緩衝撞擊力的主要部件，也就是鼻箱(nose box)和同樣起到一定緩衝作用的鼻尖(nose tip)(見下圖)。同時，並不是所謂上了硬度極高的碳纖維就可以等同於安全耐操，一是對於「安全」這個詞的定義問題，二是碳纖維複合材料對於碰撞的應用問題。

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F1前部結構(Heimbs et al., 2017)

首先，並不是將人死死固定在座椅上並且披著堅硬的碳纖維護甲就能夠萬事大吉安全感十足，真正致命的是G force也就是G力。人類可以在短時間內承受數百g的局部G力，但時長一分鐘的16g的G力就能讓人當場斃命。在操縱飛機或過山車等產生正G力的活動中，由於血液被迫離開大腦，5g左右的G力就會導致一個人昏厥(也叫G-LOC, G force induced Loss Of Consciousness)。John Stapp在一個雪橇實驗中保持了46.2g的記錄，在這個實驗中，他背對著加速度的方向坐著，然後造成永久性的視覺損傷和骨折。庫比卡在2007年加拿大大獎賽中的確折騰了幾圈，承受了28g的G力，但由於時間十分短暫加上命大，所幸並無大礙，不然直接去見塞納了。而David Purely在1977年英國大獎賽中短暫的承受了180g的G力，同樣造成骨折。（別問我怎麼知道的，導師第一堂課就把這些極限例子拿出來舉了）

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John Stapp的名場面

其次，反對 @灰兔說F1自身無緩衝設計的說法。就F1或是其他系列賽事來說，除了頭盔，harness和頭頸部支撐保證車手安全之外，是一定要有緩衝設計來保證車手在高速碰撞時的安全的，通常採用特殊的碰撞結構(impact structure)來吸收碰撞時的動能從而限制作用在車手身體的加速度。碰撞結構吸收能量的原理對於含金屬材料的結構來說就是通過塑性變形吸收動能，而複合材料通過自身的粉碎來消耗動能，在賽車上通常採用複合材料壓層結構，也就是被熟知的三明治結構，其內層多為蜂窩鋁，外層多用碳纖維或者環氧樹脂做表層，這樣的結構在碰撞時能夠共同作用吸收能量來緩解衝擊力，由於單體殼多為三明治結構，因此也可以說單體殼本身也是一種碰撞結構。除此之外，FIA的每個賽季規則對吸能結構有著嚴格的要求，這些防撞規則背後的主要理念是確保駕駛員被封閉在一個強大的生存單元內，前後和側面都有吸收能量的結構包圍，並且能夠通過在Cranfield Impact Centre的碰撞測試，除了靜態試驗(nose push-off test和side intrusion test)外，還必須進行動態衝擊試驗(frontal impact test, rear impact test, side impact test and steering column test)(FIA, 2019)。如下圖所示，車身與假人模型被加速到一定速度然後撞向不可移動的混凝土塊，通過加速度測試儀記錄下平均加速度(average deceleration)以及加速度極值(peak deceleration)，從而得知兩者是否滿足規則要求。

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Force India impact test at Cranfield Impact Centre (S. Heimbs, 2009)

當然，由於碰撞實驗成本太高，車隊會在電腦上提前進行碰撞模擬，然後在與真實碰撞實驗的結果進行對比驗證，模擬過程與大多數FEA類似，前處理包括幾何建模，網格生成和材料選擇，然後導入求解器（一般使用的是LS-DYNA）進行計算，最後通過後處理獲得數據。以下是Force India的碰撞實驗與電腦模擬的對比，可以看出nose box的碰撞還原程度還是比較高的，當然這一切都建立在碰撞模型建立的準確性上。

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Force India impact test vs. impact simulation (S. Heimbs, 2009)

再回到我比較熟悉的大學生方程式的防撞結構，當時Crash Impact Modelling這門課的作業我選的建模就是用LS-DYNA模擬防撞塊碰撞。同樣也是方程式賽車，無論是英國賽德國賽還是中國賽，官方的規則里給出的關於前緩衝結構的要求都如下圖所示：

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大學生方程式有關前端緩衝結構的規則（中國汽車工程學會，2020）

對於前端緩衝結構，不同的車隊有著不同的解決辦法。比較常見的就是通過泡沫塊，蜂窩鋁和碳纖維複合材料，或者直接採用類似上述的nose box。

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OBR車隊的泡沫防撞塊

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HUAT車隊的碳纖維防撞塊

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性價比較高的蜂窩鋁防撞塊

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這個就太愚人節了哈

由於當時導師已經做出了碳纖維的LS-DYNA分析，從他發表的論文來看，模擬過程中材料選擇階段尤其麻煩，不同的層需要對應不同的碳纖維材質屬性。而且模擬泡沫結構總是因為產生負體積而失敗，最後轉為選擇研究蜂窩鋁結構的模擬，結果如下圖所示。

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SAE 60 Butterworth filter下最大加速度超過規則所要求的40g, 於是通過改變厚度來使最終結果符合規則要求

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不同厚度的蜂窩鋁對於結果的影響

對於房車和民用車來說，其實例子就更多了，處處設計都需要考慮到碰撞優化。

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可碰撞底盤優化(Bolles, 2010)

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白車身前部緩衝結構(Fellows, 2017)

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側門防撞結構優化(Fellows, 2017)

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發動機艙碰撞吸能優化分析( W.J. Witteman,1999)

綜上所訴，賽車不僅需要通過特殊結構來緩衝撞擊力，並且還需要對能夠吸能的結構進行設計驗證，以滿足規則的要求。

Reference

Bolles, R.C. (2010). Advanced race car chassis technology?: winning chassis design and setup for circle track and road race cars. New York: Hp Books.

Heimbs, S., Florian Strobl, Middendorf, P., Gardner, S.J. and Brooke Elizabeth Eddington (2017). Crash Simulation of an F 1 Racing Car Front Impact Structure.

Fellows, N. (2017). Experimental Modeling of a Formula Student Carbon Composite Nose Cone. Materials, 10(6), p.620.

FIA (2019). 2020 F1 Technical Regulations 2020 FORMULA ONE TECHNICAL REGULATIONS.

李理光 (2019). 中國大學生方程式汽車大賽規則 (2020) 中國汽車工程學會.

@電驢飛車手贊同電驢飛車手的回答，發現自己被關注了，趕緊回關一個，點進去看答主的個人主頁就知道是行家子，真的racing car engineer

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賽車界大名鼎鼎DALLARA，著名的賽車製造商，特別是方程式和勒芒原型車底盤製造能力獨步全球，還有一個TATUUS也是義大利的賽車製造商，也是非常厲害，這兩個品牌的方程式我參與過運營和維護。

順便說一下，逼乎之所以是逼乎還是因為各領域工程人員在此撐場子，有些回答信口開河未加考證的一頓亂寫當頭條用么？

我就做一個補充，因為我開方程式撞過牆，所以我有發言權，2012年的29號賽車是一台大事故車，因為賽前被我撞了，趕在比賽前半月重新修復，焊了半個車架搞回來。。。。

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我現在還坐著電腦前面敲鍵盤就是賽車也有安全設計的實例。賽車的安全設計跟乘用車一樣，有可變行吸能前艙+不可變行成員艙構成。實際上賽車也有碰撞測試的，也是有FIA安全認證。

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碰撞之後，乘員艙完整，前鼻消失

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前鼻子是方程式重要吸能單元

前艙不算單體殼的一部分，真的單體殼只是乘員艙+尾倉

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當時印象中大約是55KPH的時速接近垂直的角度撞上了不可變行剛性牆壁，巨大的G值讓人頭暈目眩，但是等我反應過來的時候，我發現我還活著，四肢也是健全的，唯一的問題就是鼻骨骨折，因為沒有hans系統，我的頭部位移過大，我戴著著全盔撞了方向盤，讓我的鼻樑骨跟頭盔內部骨架發生碰撞。

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裝完之後，前艙報廢，我被親愛的隊友們抬出來，然後頭還是很暈，他們一直在跟我說話，我也聽不太清楚，他們說什麼，大概是問我意識清醒否什麼的，然後我用餘光看了一下我們的賽車，整個前艙沒了，蜂窩鋁變成片片狀了，

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然後整個乘員艙發生潰縮，長度大約相當於沒撞牆之前90%的樣子，因為我當時頭暈的厲害，所以忘記拍照發朋友圈了。

現代賽車的安全措施很好的好吧。

現代賽車為了輕量化，往往一個零件會承擔幾個用途，有時你都看不出這東西到底是幹啥用的。

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你以為是個鼻錐，其實它是個碰撞吸能器，也是前翼安裝點，同時也是舉升點

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看到那個方方的東西沒，安裝在變速箱上的，承擔了碰撞吸能，尾翼安裝，後舉升點等作用

這些緩衝塊，是在安全規則約束下設計，有時還需要提交碰撞實驗數據（非整車，只模塊）到fia進行認證。

gt車有杠，變速箱上也有和上圖類似的碰撞緩衝塊。

房車賽的規則里也有保險杠，防侵板等等一系列要求。

加上輪胎牆，波波池等賽道安全措施，其實安全性很高。

賽車本身的保護都是通過加強桿防滾架，用碳纖維作車身等進行，F1則還有halo系統保護，當然最主要用來緩衝的不是車本身，而是輪胎牆、水牆、還有一種不記得什麼材料的軟性牆體來緩衝，還有砂石地草地進行減速。

房車賽，拉力賽賽車怎麼緩衝撞擊力？

我現在還坐著電腦前面敲鍵盤就是賽車也有安全設計的實例。賽車的安全設計跟乘用車一樣， 有可變行吸能前艙+不可變行成員艙構成。實際上賽車也有碰撞測試的，也是有FIA安全認證。

我現在還坐著電腦前面敲鍵盤就是賽車也有安全設計的實例。賽車的安全設計跟乘用車一樣，有可變行吸能前艙+不可變行成員艙構成。實際上賽車也有碰撞測試的，也是有FIA安全認證。