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基于力学特性分析的汽车安全带设计与仿真分析说明书论文

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金陵科技学院学士学位论文 毕 业 设 计(论 文)设计(论文) 题目:基于力学特性分析的汽车安全带设计与 仿真分析 学生姓名: 刘经庆 指导教师: 孟妍妮 二级学院: 机电工程学院 专 业: 车辆工程 班 级: 12 车辆一班 学 号: 1204104069 提交日期: 2016 年 5 月 6 日 答辩日期: 2016 年 5 月 14 日 金陵科技学院学士学位论文 目录 目 录摘 要 .IIAbstract .III1.绪论 .11.1. 课题研究背景及研究意义 .11.2. 安全带组成 .21.3. 安全带研究现状 .21.4. 本文研究内容 .32.正面碰撞的法规和伤害评价 .42.1. 我国的正面碰撞法规 .42.2. 乘员伤害评价准则 .43.仿真模型建立 .73.1. 车体模型的建立 .73.2. 安全带仿真模型建立 .83.3. 正面碰撞仿真建立 .103.4. 假人模型调入 .103.5. 安全带佩戴 .123.6. 定义接触 .133.7. 施加碰撞加速度波形 .144.仿真分析 .154.1. 安全带织带刚度分析 .154.2. 整体保护效能的评定 .194.3. 不同安全带刚度情况下的安全效能 .214.4. 安全带限力等级对驾驶员安全的影响 .245.结论 .26参考文献 .27致谢 .28金陵科技学院学士学位论文 摘要 基于力学特性分析的汽车安全带设计与仿真分析摘 要本文首先介绍了汽车被动安全的背景以及研究现状。介绍了安全带的种类和组成。对安全带不同部位功能进行了相关介绍。并对现有的我国的正面碰撞法规和伤害准则进行解释。通过实车建立 madymo 软件的台车仿真模型,调入五十百分位假人,将假人调整到平衡位置。通过施加安全带,进行仿真分析,仿真结果发现,无论如何调整安全带参数都无法使假人在规定工况下保证假人不受致命伤害。通过查阅相关资料,发现安全带约束胸部效能和头部撞击方向盘在仅有安全带情况下无法兼顾。因此,若想兼顾假人胸部和头部的保护,必须要进行安全带和气囊的配合使用。关键词:安全带 假人 被动安全 伤害保护金陵科技学院学士学位论文 Abstract Design and simulation analysis of automobile safety belt based on mechanical characteristic analysisAbstractThis paper first introduces the background and research status of vehicle passive safety. Introduces the types and composition of seat belts. Function at different positions of the seat belt for the related introduction. And the frontal crash of the existing in our country laws and regulations to interpret and damage criterion. Through real affair madymo software, a simulation model of car to 50th percentile dummies, and adjust the dummy to the equilibrium position. By applying a safety belt to carry out simulation analysis.The simulation results show that no matter how to adjust the seat belt parameters can not avoid fake people from the fatal injury under prescribed conditions. Through access to relevant data, found a seat belt constraints chest efficiency and head hit the steering wheel under the condition of only a seat belt cant balance. Therefore, if want to use the dummy chest and head, must be used for seat belts and airbags.Keywords: safety belt dummy passive safety damage protection金陵科技学院学士学位论文 第一章 绪论 01 绪论1.1 课题研究背景及研究意义汽车安全、节能与环保问题已成为当今汽车工程领域三大具有重要社会、经济意义的研究课题,并得到了整个社会群体的高度关注。根据世界卫生组织发布的道路安全“事实档案”显示,全球每年约有 130 万人死于道路交通事故,并有 2000 万至 5000 万人遭受非致命伤害;而在许多国家,道路交通事故引起的人员伤亡和经济损失,远远超过了其他自然灾害造成的损失。事故伤亡、事故现场抢救、事故善后处理、造成的生产力和劳动力损失,以及所付出的各种费用,给国家造成了巨大的社会经济损失。最大程度地降低汽车交通事故中的人员伤亡和经济损失是车辆工程及相关领域亟需解决的重要问题,研究汽车碰撞安全性对改善我国的道路安全环境有重要意义。汽车安全性可以分为主动安全性和被动安全性:主动安全性是指汽车能够识别潜在的危险因素自动变速或当突发的因素作用时能够在驾驶员的操纵下避免发生碰撞事故的性能;对应的主动安全系统包括车辆稳定性系统(Vehicle Stability Systems) 、驾驶警告与信息系统( Driver Warning and Information Systems)及防碰撞系统(Collision Avoidance Systems)等三大系统。被动安全性是在汽车发生撞车事故后,能够对车内乘员和车外行人进行保护,以免发生伤害或使伤害降至最低程度的性能;对应的被动安全系统主要包括车身缓冲吸能结构和乘员约束系统。随着汽车安全性技术的发展,国内外研究者相继提出了主、被动结合 APIA(Active Passive Integration Approach)的汽车安全设计新理念,利用主动安全技术来提高被动安全技术的防护效果,意味着主动安全技术与被动安全技术将被有效结合起来,提高汽车的碰撞安全性。由于主、被动结合的汽车安全技术可以综合发挥两种安全技术的优点,因此将成为汽车安全技术发展趋势。汽车安全带约束系统作为被动安全装置的主要组成部分,是汽车被动安全的主要研究方向之一,在减轻乘员损伤程度方面起着至关重要的作用。将汽车安全带预紧装置和主动安全技术结合起来,可以更好地发挥安全带在碰撞事故中对乘员的保护作用,有效提高乘员约束系统的保护效果,对汽车安全技术领域的发展金陵科技学院学士学位论文 第一章 绪论 1具有重要的意义。1.2 安全带组成安全带一般由织带、卷收器、带扣和长度调整机构组成。为了进一步降低事故发生时乘员的下潜现象造成的伤害,提高乘员约束系统的保护效果,安全带一般还采用了预紧装置和限力器等附加装置。1.2.1 织带为了限制汽车发生碰撞时乘员的移动量,法规要求安全带需在规定的伸长率内有效地约束住乘员,并尽可能地降低乘员受到的冲击力,减轻乘员损伤。因此,安全带要有较高的强度、一定的延伸性和良好的能量吸收性。此外,为了提高织带的耐久性,织带应具有良好的耐磨损性、耐气候性(寒、热、光、水、腐蚀)及色牢度。织带构成安全带的主体,由化学纤维编织而成,应外观平整、手感舒,其宽度一般在 48mm 左右,厚度一般为 1.11.2mm。织带的使用性能指标按国标 GB14166-1993汽车安全带性能要求和试验方法 调试。1.2.2 卷收器卷收器是安全带系统中最重要的部件之一,也是最复杂的机械件,用于收卷、储存部分或全部织带,主要实现两种功能:首先是在乘员正常佩戴情况下,自动收放织带来适应乘员的体型,保证其舒适性;其次是当车辆发生事故时,卷收器内的锁止机构瞬间锁止织带,使织带不能继续释放,从而有效约束乘员的运动。卷收器按其作用可分为无锁式卷收器、自锁式卷收器和紧急锁止式卷收器。其中紧急锁止式卷收器是目前使用最广泛的卷收器,在正常状况下时允许织带自由伸缩,但在车速发生急剧变化时,内部的紧急锁止机构瞬间将织带锁止使安全带无法释放,保持对乘员的约束。紧急锁止式卷收器又可分为织带拉出加速度敏感式(又称织带敏感式) 、汽车加速敏感式(又称车体敏感式)以及对上述两者均敏感的复合敏感式。1.2.3 带扣带扣是快速地结合和脱开安全带的联接部件,不仅有耐久性和强度的要求,还有按钮的面积和开启力等方面的要求。1.2.4 长度调整机构长度调整机构是根据乘员的体型来调节织带长度的机构。金陵科技学院学士学位论文 第一章 绪论 21.3 安全带研究现状Mark Mages 等人通过试验研究了事故发生前的车辆制动和侧滑现象对乘员姿势位置的影响,并对比分析了采用和未采用主动控制卷收器后乘员的位置变化历程及各种类型碰撞中乘员的动力学响应。研究结果表明采用主动式安全带预紧装置在各种类型的碰撞事故中都表现出优于传统预紧装置的保护效果。Rodolfo Schoeneburg 通过试验研究了车辆采取制动措施下乘员的动力学响应,记录了此过程中乘员头、胸部的位移变化,并提出了低加速度脉冲下采用 50 百分位碰撞试验假人进行试验的不足之处及改进措施。最后基于奔驰 E 级车进行试验对比分析了未制动、制动后主动预紧和制动后未主动预紧等几种情况下的乘员损伤参数,得出采用主动预紧方式的乘员约束系统保护效果最好的结论。Hideo Tobata 等人提出了一款基于制动踏板力信号控制的主动式安全带预紧装置,并利用仿真技术对该预紧装置在正面碰撞中的保护效果进行了研究,结果表明该主动预紧装置降低乘员胸部损伤参数最为有效。清华大学的姚远等人对碰撞预判系统中主动预紧安全带控制参数进行了探究,利用仿真技术对安全带预张紧时间、预紧速度和预紧力等参数进行分析,得出结论,基于 WIC 乘员伤害评价指标的分析中,可逆预紧安全带同无预紧安全带相比能带来最好超过 30%的乘员保护效果收益。1.4 本文研究内容分析汽车安全带的发展背景、设计意义、研究现状以及设计目标。然后通过力学建模和仿真分析确定安全带在碰撞状态下的力学特性,而后根据力学特性选出符合安全性要求的安全带材料,最后根据生产经济性选取最终材料。而后,还需设计预紧器进行结构和工作原理分析,并通过 CATIA 建模分析虚拟驾驶情况下各种速度碰撞的安全带与预紧器工作状态。金陵科技学院学士学位论文 第二章 仿真模型建立 32 正面碰撞的法规和伤害评价2.1 我国的正面碰撞法规我国是被动安全起步相对欧美国家较晚,大部分法规的规定和颁布都是以国外发达国家的法规为依据的。我国语 2003 年正式颁布强制性国家标准乘用车正面碰撞的成员保护 (GB11511-2003) ,此法主要依据欧洲 ECE R94 法规制定。我国的 C-NCAP 机构与 2006 年开始对汽车实行星级评定,其中正面碰撞的标准不仅仅包括 50km/h 的 100%完全碰撞法规,并且增加了 40%正面偏置碰撞法规。乘员保护性能主要指标如下:头部伤害值 hic36 小于 1000胸部 3 毫秒内合成加速度小于 88G颈部剪切力:0 毫秒时小于 3.1kn,25 至 35 毫秒小于 1.5kn,45 毫米时小于 1.1kn颈部张力:0 毫秒时小于 3.3kn,35 毫秒时小于 2.9kn,45 毫秒时小于1.1kn颈部伸张弯矩小于 57nm胸部压缩量小于 50 毫米,3 毫秒胸部合成加速度小于 60G转向柱后移量小于 90 毫米左右大腿受力小于 7.56kn,小腿压缩力小于 8kn膝盖部位移量小于 15 毫米2.2 乘员伤害评价准则汽车碰撞安全性主要是以降低乘员在碰撞过程中所受到的损伤为目的,最终达到保护乘员的作用。为了更好的对碰撞过程中乘员的损伤进行研究,根据人体不同部位的伤害值提出评价准则。评价准则中所需的加速度、力和位移等参数可以通过实车碰撞中获得,然后对其进行处理,将乘员的损伤程度量化,可以让我们更清晰直观的评价车辆的安全性。2.2.1 头部伤害指标(HIC-Head Injury Criterion)在汽车碰撞过程中,头部伤害有两项指标进行评定,分别为 HIC 和 3ms 内头部合成加速度,其中 HIC 是由对头部合成加速度在一段时间内的积分所得, 金陵科技学院学士学位论文 第二章 仿真模型建立 4201212.51maxEtTttHICRdt(2-1)式中:R 时间段内,头部合成加速度(g) ,t1 碰撞开始时刻, t2 碰撞结束时刻,t1,t2 使 HIC 达到最大值的开始和结束时刻。由式 2,1 可知,HIC 受时间间隔(t2-t1)的影响,法规中规定将计算前排乘员 HIC 的时间间隔(t2-t1)定为 36ms,计算后排乘员的 HIC 时间间隔为15ms,这种方法只考虑了乘员头部线性加速度,而忽略了头部的转向加速度。2.2.2 颈部伤害指标在汽车碰撞过程中,颈部同样是造成乘员致命伤害的部位。碰撞过程中,颈部的运动具有复杂性,同时受到正向和负向的剪切力 Fx、侧向张力 Fz 以及伸张弯矩 My 的共同作用。Nij 是由轴向力和颈部弯矩共同组合的评价指标,主要用于追尾碰撞时对于乘员颈部损伤的评价。计算方式如公式 2.2 所示。yzijccMFN(2-2 )2.2.
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