（光学工程专业论文）汽车正面碰撞乘员约束系统仿真研究与改进设计.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 截止2 0 1 1 年底，我国汽车保有量1 0 5 7 8 7 7 万辆，汽车道路交通事故发生率 有增无减，其危害之大可见一斑。当碰撞事故发生时，怎样有效的保护乘员生命 财产安全，改善汽车碰撞保护性能，是世界各大汽车制造厂商主要研究内容之一。 计算机技术大大提高，碰撞仿真技术的迅猛发展，都为碰撞安全研究奠定了良好 的基础。现在，m a d y m o 软件在汽车被动安全研究方面应用比较广泛，特别 是乘员约束系统仿真和优化。所以，本文在阅读了大量的参考文献的基础上，同 时理解和掌握m a d y m o 软件的理论和应用，并利用该软件对乘员约束系统进 行仿真和优化分析。 在汽车被动安全研究领域，乘员约束系统得到了广泛研究，特别是安全气囊 和安全带这两个重要约束部件，因此本文正是考虑整个约束系统，重点研究安全。 气囊、安全带和座椅等约束系统部件特性，提高对汽车乘员保护效果。本文首先 分析了国内外交通事故现状、国内外被动安全研究情况、国内外正碰法规标准和 乘员保护研究方法及伤害评价指标。然后，根据某小型轿车实验数据， 利用m a d y m o 建立其驾驶员侧约束系统仿真模型，整个模型包括驾驶室、安全 带、气囊和h y b r i d l l l s 0 t h 假人，模型经过校正后与实验数据相比符合要求；最 后，利用验证过的模型，进行约束系统设计参数的灵敏度分析，根据各设计参数 对假人伤害指标的影响程度，确定参与优化设计的参数，然后利用正交试验法安 排实验，用r 法分析和处理数据，得到最优参数组合，将最优参数组合数据重 新输入模型进行仿真，得到一组伤害数据，同原模型比较有明显优化作用。 关键词：汽车安全；安全带；安全气囊；m a d y m o ；优化 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t b yt h ee n do f2 0 11 ，c h i n ah a s1 0 5 7 8 7 7m i l l i o nc a r s ，c a l r o a dt r a f f i ca c c i d e n t r a t eu n a b a t e d ，t h eh a r mo ft h eb i gi so b v i o u s w h e nt h ec o l l i s i o na c c i d e n th a p p e n s ， h o wt o e f f e c t i v e l yp r o t e c tt h el i v e sa n dp r o p e r t yo ft h e c r e ws a f e ，i m p r o v et h e c o l l i s i o np r o t e c t i o np e r f o r m a n c e ，i ti st h ew o r l d sm a j o ra u t om a n u f a c t u r e r ，o n eo ft h e m a i nr e s e a r c hc o n t e n t s c o m p u t e rt e c h n o l o g yh a sg r e a t l ye n h a n c e dt h ec o l l i s i o no f t h er a p i dd e v e l o p m e n to fs i m u l a t i o nt e c h n o l o g y , a n dl a i dag o o df o u n d a t i o nf o rc r a s h s a f e t yr e s e a r c h n o w ，m a d y m os o f t w a r ei nc a rp a s s i v es a f e t yr e s e a r c hi sw i d e l y ， e s p e c i a l l yt h eo c c u p a n tr e s t r a i n ts y s t e ms i m u l a t i o na n do p t i m i z a t i o n s o ，i nt h i sp a p e r t h er e a dm a n yo ft h er e f e r e n c e ，a n do nt h eb a s i so fa l s ou n d e r s t a n da n dm a s t e rt h e m a d y m os o f t w a r et h e o r ya n da p p l i c a t i o n ，a n du s i n gt h es o f t w a r et oo c c u p a n t r e s t r a i n ts y s t e ms i m u l m i o na n do p t i m i z a t i o na n a l y s i s i nc a rp a s s i v es a f e t yr e s e a r c hf i e l d s ，o c c u p a n tr e s t r a i n ts y s t e m sh a v eb e e nw i d e l y s t u d i e d ，e s p e c i a l l yt h es e a tb e l ta i r b a g sa n dt w oi m p o r t a n tc o n s t r a i n tc o m p o n e n t s ，t h i s a r t i c l ei st oc o n s i d e rt h ew h o l er e s t r a i n ts y s t e m s ，k e yr e s e a r c ha i r b a g s ，s e a tb e l ta n d s e a ta n ds oo nc o n s t r a i n ts y s t e mc o m p o n e n t sc h a r a c t e r i s t i c s ，i m p r o v et h ec a l o c c u p a n t p r o t e c t i o ne f f e c t c o m p u t e rt e c h n o l o g yh a sg r e a t l ye n h a n c e dt h ec o l l i s i o no f t h er a p i d d e v e l o p m e n to fs i m u l a t i o nt e c h n o l o g y , a n dl a i dag o o df o u n d a t i o nf o rc r a s hs a f e t y r e s e a r c h t l l i sp a p e rf i r s ta n a l y z e st h ec u r r e n ts i t u a t i o no fd o m e s t i ca n df o r e i g nt r a f f i c a c c i d e n t s ，t h ep a s s i v es a f e t yr e g u l a t i o n sa n ds t a n d a r d sa th o m ea n da b r o a d ，a n d o c c u p a n tp r o t e c t i o nr e s e a r c hm e t h o d sa n dd a m a g ee v a l u a t i o n t h e n ，t h ee x p e r i m e n t a l d a t ab a s e do nas m a l lc a r , b u i l d i n gt h ed r i v e r ss i d eo ft h er e s t r a i n ts y s t e ms i m u l a t i o n m o d e l ，t h ee n t i r em o d e l i nm a d y m o ，i n c l u d i n gt h ec a b ，s e a tb e l t s ，a i r b a g sa n d h y b r i d l i l 5 0 t hd u m m y m o d e la f t e rc o r r e c t i o n ，c o m p a r e d 埘t l lt h ee x p e r i m e n t a ld a t at o m e e tt h er e q u i r e m e n t s ；s e n s i t i v i t ya n a l y s i st ov e r i f yt h em o d e l ，r e s t r a i n ts y s t e md e s i g n p a r a m e t e r s ，a c c o r d i n gt ot h ed e g r e eo fi n f l u e n c eo fv a r i o u sd e s i g np a r a m e t e r so nt h e d u m m yi n j u r yi n d i c a t o r s ，t od e t e r m i n et h ep a r a m e t e r si n v o l v e di nt h eo p t i m i z a t i o no f t h ed e s i g n ，t h e nu s i n gt h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n tm e t h o dt oa r r a n g et h ee x p e r i m e n t , t h ea n a l y s i so fm e t h o dra n dh a n d l i n gd a t a , t h eo p t i m a lc o m b i n a t i o no fp a r a m e t e r s ， t h eo p t i m a lp a r a m e t e rc o m b i n a t i o no fd a t ar e e n t e rt h em o d e ls i m u l a t i o n , as e to f i n j u r yd a t a , s i g n i f i c a n t l yo p t i m i z e dc o m p a r e d 、i t l lt h eo r i g i n a lm o d e l k e y w o r d s ：v e h i c l es a f e t y ；s e a tb e l t ；a i r b a g ；m a d y m o ；o p t i m i z a t i o n 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 汽车安全问题 第1 章绪论 目前，汽车的安全性能作为终端消费者购买汽车时首先考虑的问题，已经成 为各主要汽车厂商主要研究内容之一，有很重要的研究意义。 汽车安全技术包括发生事故之前的事故预防技术，即预防安全技术，也称为 主动安全；以及事故发生之后减轻伤害程度的碰撞安全技术，称为被动安全，二 者有很大差别。 主动安全性是指汽车防止或减少道路交通事故发生的性能。为预防汽车发生 事故，避免人员受到伤害而采取的安全设计，称为主动安全设计，如a b s ，e s p ， t c s 等都是主动安全设计。它们的特点是提高汽车的行驶稳定性，尽力防止车祸 发生。其它像高位刹车灯，前后雾灯，后窗除雾灯也是主动安全设计。 被动安全性，是指汽车在发生意外事故后，汽车减轻人员伤害程度或货物损 失的能力。为避免或减轻人员在车祸中受到伤害而采取的安全设计称为被动安全 设计，如安全带，安全气囊，车身的前后吸能区，车门防撞钢梁都属于被动安全 设计。它们都是在车祸发生后才起作用的。 汽车交通安全问题是汽车普及化发展带来的一个重要问题。交通安全问题会 对人们产生直接的、瞬间的危害，比环境污染问题更具悲剧性。每年，日欧美约 有1 0 万人被交通事故夺去宝贵的生命，根据世界卫生组织( w h o ) 等机构的研 究表明，照这样发展下去，到2 0 2 0 年之前交通事故将成为继心脏病、杀害等死 亡原因之后排序第三位的危害人类生命的“杀手 ，这种危害为人类敲响了警钟 ( 1 9 9 0 年时第九位) 【1 1 。另外，由于交通事故产生的社会费用( 由死亡和伤害造 成的经济损失) 也在持续增加，产生严重的经济损失。自汽车问世以来，全世界 已有2 0 0 0 万人死于交通事故。一些发达国家如欧美等国由于其制定了相对完善 的交通安全法规，且驾驶员普遍安全意识较高，所以交通事故死亡率有下降趋势。 但如我国，虽然汽车保有量所占比例不大，但是交通事故发生率却较高，已经成 为交通事故死亡人数最多的国家之一。表1 1 为1 9 9 6 至2 0 0 5 年间我国交通事故 数据统计，从表中可以看出，在1 9 9 6 年至2 0 0 2 年间，交通事故次数及死亡人 数等数据均呈明显快速增长趋势，这说明我国道路交通安全情况不容乐观。从 2 0 0 2 年开始，各项数据都开始下降，表明我国交通安全形势有所改观，可是事 故严重程度却大幅上升，道路形势依然严峻。1 9 9 6 2 0 0 5 年间，事故例数呈 现先增加后减少趋势，2 0 0 5 年事故次数相对1 9 9 6 年增加幅度较大。交通事故伤 l 武汉理工大学硕士学位论文 亡人数和经济损失等数据指标都呈现先增后减的变化情况，但是平均每起事故伤 亡人数却一直在增_ l 长z 2 j 。 表1 11 9 9 6 2 0 0 5 我国交通事故统计 年份事故起数死亡人数受伤人数直接经济损失亿元平均每起事故死亡人数 1 9 9 6 2 8 7 6 8 47 3 6 5 21 7 4 4 4 61 7 30 2 5 1 9 9 73 0 0 0 0 27 3 8 6 41 9 0 1 2 51 8 40 2 3 1 9 9 8 3 4 6 1 9 l 7 8 0 6 32 2 2 7 2 01 9 20 2 2 1 9 9 94 1 2 8 6 28 3 5 2 52 8 6 0 8 22 1 2 5o 1 9 2 0 0 06 1 6 9 7 5 9 3 4 9 24 1 2 7 8 l2 6 6 5o 1 6 2 0 0 l7 6 0 3 2 61 0 6 3 6 55 4 9 0 0 23 0 70 1 5 2 0 0 27 7 3 7 3 61 0 9 3 8 35 6 2 0 7 3 3 3 2 6o 1 7 2 0 0 36 6 7 5 0 61 0 4 3 7 14 9 4 1 7 23 3 60 1 6 2 0 0 45 6 7 7 5 5 9 9 2 1 44 5 1 8 l l2 7 5 o 2 1 2 0 0 54 5 0 2 5 29 8 7 3 54 6 9 9 1 31 8 60 2 2 1 2 本课题研究意义 汽车出现以来，由于其舒适的乘坐空间和速度快等优势赢得人们的喜爱，但 与此同时，带来的汽车安全问题也不容忽视。随着汽车保有量增加，使用汽车的 人也越来越多，同时由于人类对高速汽车的不断追求，汽车安全问题日益突出， 逐渐引起人们的关注。汽车一旦发生交通事故，除了损坏车体以外，还会使车内 乘员受伤，如果碰撞强度大，还会造成乘员死亡等严重情况。当发生人车碰撞时， 行人伤亡情况时有发生。我国每年因交通事故死亡人数超过1 0 万人，道路交通 事故已成为“现代社会的第一公害 。因此，我国汽车被动安全性的现状不容乐 观，为此我国政府已于1 9 9 9 年1 0 月2 8 日实施了关于正面碰撞乘员保护的设计 规则c m v d r 2 9 4 ，该法规规定2 0 0 0 年4 月1 日以后，在我国新申请上汽车目录 的车辆必须满足该法规的要求。为了改善整车的碰撞安全性能，各汽车生产厂家 都做了很多改进，比如撞击吸收车身、合理布置悬架以及副车架的位置，发动机 的布置，保证足够大的驾驶室空间等，这些都起到了很好的效果，但还不够完善。 因此，基于汽车车身结构的改进，合理匹配约束系统各部件，通过安全气囊和安 全带联合作用来约束乘员运动状态，缓冲猛烈的二次碰撞能量，以达到进一步提 高乘员保护性能。随着计算机技术的飞速发展，计算机仿真技术在汽车碰撞安全 试验中发挥了重要作用，利用有限元法进行仿真分析，可以大大提高研发效率， 减少研发开支，为各大汽车厂商提高自身技术研发水平起到了很大的作用。 2 武汉理工大学硕士学位论文 为了适应当前的实际需要，本文在了解乘员约束系统基础上，利用碰撞分析 软件m a d y m o 对乘员约束系统进行建模及模拟仿真，充分考虑系统各参数对 乘员影响，从而降低乘员伤害指标。 1 3 乘员约束系统研究内容及现状 在汽车被动安全领域内，乘员约束系统由于其重要性，得到了广泛的研究。 它主要包括安全气囊、安全带、仪表板、座椅和转向柱等部件，本文研究主要集 中在安全带、安全气囊和座椅等约束系统部件上，通过合理调整其机械特性，达 到最优的乘员保护效果，尽量避免乘员与车内部件如仪表板等二次碰撞的产生； 另外，研究新型气囊座椅、吸能内饰件和仪表板等，降低乘员与车内部件二次碰 撞所受伤害。 目前欧美等国主要研究内容包括：合理布置安全带位置和改变安全带结构等， 改善其舒适性，扩大使用范围；研究开发智能安全气囊、汽车翻滚保护系统和预 碰撞系统、头部保护内饰等例。 我国在被动安全研究方面起步相对较晚，但发展速度较快。清华大学黄世霖 等人、东风汽车工程研究院、天津中国汽车技术研究中心等先后建立了碰撞模拟 台车试验台以及相关试验设备，进行适用于我国碰撞安全法规的汽车碰撞试验认 证，如正面1 0 0 碰撞，正面4 0 碰撞和侧面碰撞等，满足我国汽车工业发展的 需要，提高我国汽车被动安全性能【4 j 。 在碰撞仿真方面，清华大学于旭光【5 1 、吉林大学林逸【6 】、朱西产 7 1 等人相继 作了很多方面的研究，比如中国人体模型数据库，安全带对乘员保护作用等，这 都为以后碰撞安全研究提供了极大的帮助。目前国内已经逐步完善对正碰 h y b r i d i i l 5 0 t h 假人的保护标准和检测能力，其它方面如侧面碰撞和行人保护等 的研究也正在进行，碰撞安全计算机仿真分析发展迅速捧j 。 乘员约束系统主要包括三个部分：安全带、气囊和座椅。它们的保护机理和 工作过程介绍如下： ( 1 ) 安全带 在发生碰撞事故时，安全带能够约束车内乘员，阻止乘员被甩出，避免或降 低二次碰撞伤害，保护乘员生命安全。安全带作为汽车发生碰撞过程中保护驾乘 人员的基本防护装置，它的诞生早于汽车。早在1 8 8 5 年，安全带出现并使用在马 车上，目的是防止乘客落马。在车辆的装备中很多国家是强制装备安全带的。不 过如果乘员不系安全带，那是无法发挥其作用的，因此很多国家也制定了相关的 法律，强制乘员系安全带。有数据表明，在碰撞事故中，佩戴安全带能够减少 1 5 3 0 的乘员伤亡率 9 1 。 3 武汉理工大学硕士学位论文 当前最为广泛使用的是三点式安全带，这种安全带实用性、舒适性、以及乘 员约束性都相当好，如图1 1 所示。它的结构主要包括软带、带扣及锁舌、固定销 和固定座、安全带卷收器等。为了提高其约束能力，减轻乘员的负担，应尽量使 安全带在碰撞早期启动，有效利用车身的变形量。当束缚力过大时略微放松一些 安全带，减轻乘员的压迫感。前者即预紧器，后者为限力器。从1 9 9 6 1 9 9 7 年开 始，限力器与预紧器组合使用的安全带开始普及。预紧器一般是利用安全气囊的 传感器信号来启动，限力器目前主要是使卷收器在一定扭矩下发生塑性变形的扭 杆式限力器。该系统大幅度提高了安全带对乘员的保护性能。一般预紧器与肩部 安全带的卷收器配合使用。现在也有一部分安全带采用的是腰部安全带一段也配 备预紧器的双预紧器安全带。另外欧洲很多国家采用带扣拉入式预紧器，带扣被 拉入时，肩部安全带和腰部安全带都被拉入，能够充分发挥双预紧器的作用。不 过由于带扣被拉入，碰撞后带扣不容易被取下i l j 。 图1 1 汽车后座三点式安全带图1 2 汽车安全气囊组成 虽然现在广泛使用的安全带能极大程度提高乘员保护性能，但使用繁琐和舒 适性较差等原因使安全带使用情况不是太好，起不到预期的保护效果。由于受到 安全带自身拉伸量限制，碰撞后乘员动能不能被其充分吸收，导致乘员头部和胸 部受到巨大冲击；与此同时，安全带产生张力过大会导致乘员腹部和胸部受到压 迫，产生额外伤害，有时候甚至致命。另外，在碰撞事故发生时，人体会由于惯 性向前方滑动，安全带如果力度太大，会发生卡断颈部或压迫腹部而损伤内脏的 恶性事故。理想的安全带作用过程应该这样：在事故发生的同时，能够尽快收紧， 将乘员固定在座椅上；随着冲击力的下降，安全带逐渐放松，当气囊爆开对人起 到保护作用时，放松安全带，以免乘员肋骨受到伤害【i 。 ( 2 ) 安全气囊 安全气囊是辅助约束系统( s u p p l e m e n tr e s t r a i n ts y s t e m ，缩写为s r s ) 的一部 分，主要是为了防止汽车碰撞时车内乘员和各部件间发生碰撞而造成的二次伤害， 最早由伊顿公司在1 9 6 7 年发表，分为两个阶段进入市场。第一阶段是在1 9 7 4 年 4 武汉理工大学硕士学位论文 g m 将其与安全腰带组合构成的安全系统。第二阶段是在1 9 8 1 年，奔驰公司将 其作为防止驾驶员面部受伤的三点式安全带的辅助装置引进的安全系统，并在美 国的被动安全要件生效后迅速普及开来。1 安全气囊主要分为以下几种： 1 驾驶席用由方向盘上装备的安全气囊模块、装于车身上的碰撞传感器以 及诊断回路等构成，一般气囊容量为4 5 - 6 0 l 。 2 眉0 驾驶席用最早的气囊有仪表板下侧展开和正面展开两种形式，现在基 本上是将气囊模块设置在仪表板上面，容量为9 0 - - 1 2 0 l 。 3 膝部安全气囊防止乘员下肢受到伤害的同时可以分散人体受到的冲击 力。 安全气囊的构成要素：碰撞传感器、控制模块( e c u ) 、充气泵和气囊，其 结构如图1 2 所示。它的保护过程为：当碰撞发生时，控制器根据接收的信号强 度，与设计的碰撞强度比较，旦达到引爆条件，点火器瞬间触动引爆气体，形 成迅速膨胀的气袋，使乘员的头、胸部位直接与较为柔软有弹性的气囊接触，然 后气囊通过表面的排气孔排气，从而尽可能通过缓冲作用减轻伤害，而 这一系列过程是在百分之几秒内完成。 然而，安全气囊的作用也并非完美。首先，气囊弹出速度极快，如果此时乘 员未佩戴安全带，乘员则会受到安全带的猛烈撞击，头部和胸部很容易受伤；其 次，气囊弹出瞬间温度很高，当乘员脸部贴在气带上时会被烫伤；此外，一旦发 生碰撞事故，气囊起爆弹出后，会造成额外的经济损失，比如方向盘和仪表板等。 基于以上分析，我们可以看出气囊被称为辅助约束系统的原因，换句话说，安全 气囊是安全带的补充。国外统计数据表明，在发生致命车祸中，如果正确使用安 全带，可以挽救约4 5 的生命；如果同时使用安全带和气囊，这一比例上升到约 6 0 ；如果只使用气囊，这一比例将不会超过5 t l l j 。 现有开发研究的智能安全气囊，它通过和增加控制安全气囊开启的一些功能， 以及控制安全气囊充气过程，可以不断的减少乘员伤害。目前，广泛使用的是各 类传感器，如加速度传感器、重量传感器、红外线传感器和超声波传感器等。这 些传感器可以达到以下改进功能： 1 通过改进点火控制算法或使用1 2 个汽车前部的加速度传感器可以识别汽 车的严重碰撞。 2 是否系上安全带识别。 3 乘员的位置和重量识别。 4 座椅倾斜和靠背倾斜识别。 5 是使用两级充气剂的前安全气囊还是使用一级充气剂和可用烟火引爆剂 激活的放气阀门，见“低危险打开安全气囊方法的识别【1 2 】。 5 武汉理工大学硕士学位论文 近年来，有限元技术和气体动力学发展迅速，人们越来越多的利用仿真分析 方法，建立更精确的气囊模型，从而更准确的表达充气和气囊展开以及气体的泄 漏过程。 ( 3 ) 座椅 汽车座椅作为约束系统组成部分，在被动安全保护中起到了决定性作用，直 接影响整车的舒适性和安全性。汽车座椅不仅要减轻驾驶员及成员的疲劳来满足 主动安全性能，还要与安全带和安全气囊一起对乘员定位的同时缓解碰撞强度， 最大限度降低乘员损伤。考虑安全因素，座椅的结构包括靠背、坐垫和头枕i l j 。 1 靠背 有数据表明，对于追尾碰撞事故，靠背能起到决定性的作用，由此产生了柔 性和刚性两种强度类型。理论上，在高强度碰撞中，刚性靠背可以将头部相对胸部 运动趋势降低到最小：然而，对于低强度碰撞，由于其会发生回弹作用，假使乘 员不是正常坐姿，则会引起额外伤害。 2 头枕 在国际标准中，有关座椅头枕的法规规定是独立于整个座椅系统的，这充分 表明在被动安全研究中，头枕是一个相当重要的安全件【1 】。头枕可以用来限制乘 员头部相对躯干向后移位。在碰撞事故时，特别是汽车受到追尾碰撞时可抑制乘 员头部后倾，可以防止或减轻乘员颈部受到的伤害。随着汽车碰撞安全研究进展， 进一步开发了主动安全头枕。当乘员后背向后压迫座椅靠背时，利用杠杆原理头 枕能够向前伸出及早对头部进行约束。在主动头枕尚未出现之前，座椅靠背上部 曾采用较软的设计，发生碰撞时后背上部会一定程度地陷入靠背中，其效果与主 动头枕基本相同。 3 坐垫 坐垫的好坏对安全带的保护效果有影响，会间接造成对乘员的伤害，对于坐 垫结构，其结构合适与否会影响到碰撞过程中乘员垂直载荷的性质和程度。目前， 世界各国在轿车上广泛采用针织布料，这种织物弹性好，对人体附着性能好，适 应座椅在人的体重作用下的反复变形i l 】。 1 4 乘员伤害基准 在进行碰撞试验时，评价乘员安全性所用的工具是人体模拟假人，通称假人 d u m m y 。下面介绍假人伤害值基准。 伤害基准，研究包括乘员的死亡、重伤和轻伤等的伤害程度，作为生物反应 的解剖学反应、生理反应，以及由此产生的物理量，如加减速度、负荷、变形量 等各种基准。在这里要注意的是用假人作为检测结果的判定，所谓伤害基准未必 6 武汉理工大学硕士学位论文 和人体耐性是相等的。很多情况下，假人未必能做到和人同样的动作，这时候就 需要一个换算系数。因而假人和伤害基准成套考虑，假人交了，那么伤害基准就 变化。下面介绍关于代表各部位的伤害基准。 ( 1 ) 头部头部的伤害值称为h i c ( h e a d 埘u r yc r i t e r i a ) 值，可通过式 ( 卜1 ) 算出。 h ，c _ 驷m 。a x t 吼i 击f f 2r ( f ) d fi ( 铲f 。) ( 1 - 。) 2 t，l l，一f l j f l 、7 i 、 u 叫 式中，r ( t ) - t o f 疋期间，对应头部重心的3 向合成加速度； ，t ，一h i c 取最大值的时间。 在大多数基准里，( 乞一f 1 ) 在3 6 m s 以下，h i c 值在1 0 0 0 以下。2 0 0 3 年9 月修订 生效的f m v s s 2 0 8 ，将( f 2 一f i ) 值更改为1 5 m s 以下，h i c 是7 0 0 以下。欧洲及日本 的正面碰撞基准和日欧美的n c a p ，现在也是采用( 乞一) 值在3 6 m s 以下，h i c 值 在1 0 0 0 以下。 ( 2 ) 胸部胸部的伤害值用肋骨的变形量( 胸挠度) ，脊柱上部测得的加 速度，以及变形量与变形速度的积v c ( v i s c o u sc r i t e r i a ) 来评价，v c 由式( 1 - 2 ) 来计算，欧洲正面碰撞及侧面碰撞采用1 0 m s 以下的伤害指标。 v c ：s l i n g f a c t o ，掣_ d d ( t ) q 2 式中，d ( t ) ：胸部变形量；s c a l i n g f a c t o r ，c o n s t ：由假人类型决定的常数， 它们的取值见表1 - 2 。f m v s s 2 0 8 规定，胸部受挤压或冲击不超过3 m s 时，脊柱上部 加速度不超过6 0 9 ，即胸部3 m s 准则。 表1 2v c 计算时的常数 假人比例因子常数m m a m 5 01 32 2 9 a f 0 51 31 8 7 e u r o s i d 11 o1 4 0 ( 3 ) 大腿部正面碰撞时大腿部的伤害值是采用大腿骨轴向输入的负荷，在 f m v s s 2 0 8 中通过人体骨折极限实验，定义负荷标准为1 0 k n 。 ( 4 ) 小腿部正面碰撞时小腿的伤害值，是胫骨的轴向负荷，引起的膝关节 大腿骨的变形量，同t i 来评价。t i 是用负荷测量得得胫骨上下负荷与力矩，由式 ( 1 3 ) 计算。 7 武汉理工大学硕士学位论文 口= 酬纠i 收ll 尼i ( 1 - 3 ) m r = ( 收) 2 + ( m ，) 2 式中，m x ：绕胫骨前后轴的力矩；m y ：绕颈骨左右轴的力矩；f z ：胫骨上 下方向的负荷，m c = 2 5 5 n m ，f c = 3 5 9 k n 。t i 现在只在e c e 9 4 中使用，日欧的n c a p 中也逐渐作为评价值来使用。 ( 5 ) 完全伤害评价( w i c ) 为了全面评价约束系统性能，考虑前述各伤害值对乘员损伤影响。美国的 v i a n o 和a r e p a l l y j 重用加权方法，经过正则化运算，得到假人完全伤害评价指标 w i c t l 3 1 。根据f m v s s 2 0 8 的规定，w i c 可由式( 1 4 ) 计算得到： wic：o6(鉴)+035(垒+三釉2o+0晒(矿+瞄，)，20010006 00 、 0 7 6 2 。 、蚴 。联“( 1 - 4 ) 式中：h i c 3 。头部伤害指标值； c 3 埘一胸部3 m s 值，单位为g ； 一胸部变形量，单位为m ； 吃r 一左大腿骨最大轴向力，单位为k n ； 礞耵一右大腿骨最大轴向力，单位为k n 。 各伤害基准的加权系数的取值是经过大量的试验数据统计得出，权系数越大， 说明该伤害类型越重要。 1 5 正面碰撞相关试验法规 1 5 1 国外正碰法规 汽车的安全性是目前汽车生产厂家之间进行车型开发竞争的一个项目，相关 的法规及评价在此过程中起到了很大的作用。美国的f m v s s 2 0 8 法规规定从1 9 6 8 年其汽车厂家有义务装备安全带。但由于安全带使用率低，美国道路安全局在 1 9 7 0 年5 月修改法规，规定从1 9 7 3 年8 月1 5 日起，汽车厂家有义务装备即使乘员不 操作也能自动发挥约束功能的非被动约束系统( 如安全气囊、自动安全带等) 。 此后，又根据实际事故发生情况，对法规做了相应的完善，比如针对小孩和个子 8 武汉理工大学硕士学位论文 较小的女性以及安全气囊的被动安全基准等。日本、欧洲与美国不同，从开始就 是以系用安全带为前提进行法规制定的。表1 3 为各国正面碰撞标准的评价指标1 2 。 表1 3 各国正面碰撞标准的评价指标 国家 f m v s s 2 0 8 ( 美国) e c er 9 4 ( 欧洲) t r i a s l l - 4 - 3 ( 日本) 适用车辆 轿车轿车轿车 碰撞形式 10 0 正面碰撞 4 0 正面偏置碰撞1 0 0 正面碰撞 碰撞速度 4 8 3 k m h 5 6 k m h 5 0 k m h 安全带佩带与不佩带两种情佩带佩带 况 测试假人 h y b r i d l i i ( 5 0 )h y b r i d l i i ( 5 0 )h y b r i d l i i ( 5 0 ) 头部性能指标 1 0 0 01 0 0 01 0 0 0 伤 ( h i c 3 6 ) 害 胸部3 m s 6 0 9一 6 0 9一 6 0 9 评 价 指 胸部压缩量( m m )6 35 07 5 标 大腿压力( k n ) 1 0l o1 0 1 5 2 我国正面碰撞技术法规 我国于1 9 8 9 年制定了汽车乘员碰撞保护( g b t 1 1 5 5 1 8 9 ) 、防止汽车转向机构 对驾驶员伤害的规定( g b t 1 1 5 5 7 ) 等国家标准。自1 9 9 9 年出台汽车正面碰撞法规 后，相关技术不断完善，参照欧美相关法规，2 0 0 0 年颁布了c m v d r2 9 4 ，该乘 员保护法规的实施，对推动我国汽车被动安全性的研究起到了极大的促进作用【1 4 】。 国标g b l1 5 5 1 和c m v d r 是中国以后进行汽车产品认证和碰撞安全试验的 技术法规，等效采用e c er 9 4 。由于亚洲成人体型分布与欧美存在差异，充分考 虑本国驾乘人员体型分布情况，以保证h y b r i d l i l 5 0 t h 男性假人坐姿正确1 1 5 。乘员 保护性能的评价指标如下： a ) h i c _ 1 0 0 0 ； b ) 3 m s _ 6 0 9 ； c ) 胸部压缩量8 7 5 m m ； d ) 大腿骨轴向力fs 1 0 k n 。 近年来，我国法规在逐步改进和提高，新的内容持续增加。2 0 0 6 年7 月1 日， 侧面碰撞法规也得到了颁布实施。目前，行人保护法规等也正在起草中。 9 武汉理工大学硕士学位论文 1 6 课题研究内容和方法 1 6 1 本文研究内容 本文主要研究正面碰撞中的乘员约束系统问题，主要研究内容如下： ( 1 ) 利用m a d y m o 软件建立某轿车正面碰撞驾驶员侧多刚体模型，主要包括 h y b r i di i i5 0 t h 假人多刚体模型、驾驶舱和座椅平面模型、安全带多体和有限元 混合模型以及安全气囊有限元模型。 ( 2 ) 在正面碰撞条件下，通过模型输出参数如：假人头部、胸部加速度，胸 部压缩量等时间历程曲线，计算假人各指标伤害值，分析假人的动力学响应。 ( 3 ) 将实验数据和仿真数据进行比较，验证模型有效性。 ( 4 ) 对模型进行参数灵敏度分析，根据设计参数对乘员损伤影响程度，得到 参与优化设计的参数。 ( 5 ) 运用正交试验法进行参数优化设计，得到最优参数组合，将优化后的模 型进行仿真运算，比较优化前后效果。 1 6 2 本文研究方法 就乘员约束系统研究而言，一般有以下两种方法： ( 1 ) 正问题：从参数到性能，研究系统设计参数的改变对乘员保护性能的影 响【1 5 】； ( 2 ) 逆问题：从性能到参数，研究为达到乘员保护性能，怎样合理匹配系统 设计参数来实现目标l j 6 j 。 随着社会的发展，消费者越来越关注汽车安全问题，各国碰撞法规对汽车安 全性的要求也越来越严格。一般来说，有两个途径来进行约束系统的研究，即试 验和仿真。试验方法通常根据实验数据来进行改进，往往要花费大量经费和精力， 所以科研人员希望能通过仿真方法，建立仿真模型，期望能尽量精确的模拟实际 情况中车体结构的变形和乘员的运动过程，以求保证试验质量和提高试验效率。 但是，仿真模型的建立需要试验数据的支持，模型可靠性也需要试验验证。同时 考虑到实际结构复杂和环境因素的作用，使得仿真模型不能完全模拟实际情况， 两者应有机结合，相辅相成【j 7 j 。 基于相关实车数据在m a d y m o 中建立仿真模型，然后进行参数优化，本文 研究流程如图1 3 所示。 l o 武汉理工大学硕士学位论文 图1 - 3 论文研究流程图 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章汽车碰撞安全试验方法 2 1 实车碰撞试验 实车碰撞的主要目的是模拟路上真实的交通事故中具有代表性的碰撞情形， 评价人体各部分的伤害值是否满足法规要求。还有评价能否导致火灾的燃料泄漏 和使乘员空间过度变形等目的。主要的碰撞类型类型有正面碰撞、侧面碰撞、追 尾碰撞等。另外，近年实际的车与车的对碰性能、行人保护、儿童座椅、翻滚试 验、安全带警示的研究开发也很盛行。试验条件，首先是各国相关法规的限制， 其次是n c a p ，然后是各汽车制造商以自己设定的基准实施的试验，如图2 1 所 示。 ( a ) 车与车碰撞( b ) 实车与台架碰撞 图2 - 1 实车碰撞 在乘员的死亡事故率中，以正面碰撞形态为最多，它主要包括正面全接触碰 撞试验和正面偏置碰撞试验，本文主要研究正面全接触碰撞形态。日本的法规从 1 9 9 4 年4 月至今，规定了在驾驶员及副驾驶位置安放假人，检测乘员的伤害值。 此外转向盘的后移量和燃油泄漏也是法规规定的内容。最初评价的内容只有h i c 和胸部加速度等，从2 0 0 0 年开始增加下肢的大腿骨负荷，胫骨的负荷和制动踏 板的后移量等评价内容，是一个更加全面的评价。具体的试验方法是使试验车运 动来碰撞固定不动壁障的固定壁障碰撞试验，另外一种是将试验车不动，带有壁 障的台车从一侧碰撞试验车，这种方法叫移动壁障碰撞试验，包括障碍壁碰撞试 验，刚性障碍壁试验和可变形障碍壁试验。正面全接触碰撞是评价车体性能和乘 员约束装置性能，正面偏置碰撞与正面全接触碰撞相比而言，减速度缓慢，碰撞 时只冲击车体的局部，车体变形较大，评价乘员空间变形和对乘员的伤害性是其 主要目的。在n c a p 中，为了给碰撞安全性进行分级，规定正面全接触碰撞速度为 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 5 5 l ( i i l h 左右【18 1 。 2 2 台车试验 台车试验是实车碰撞试验的模拟试验，为评价座椅安全带、安全气囊等乘员 保护装置的性能及零部件的冲击试验而实施。与实车碰撞试验相比较，优点在于 能够方便进行再现，而且能够任意设定各种条件。试验装置如图2 2 所示，在台 车上安装汽车的内饰夹具，并且加装与实车碰撞时相同的减速度或者加速度。 图2 2 正面碰撞台车试验装置 台车试验的目的有两个：一个是使用法规规定的标准波形，确认座椅、儿童 座椅等对于惯性力在一定数值上所具有的性能；另外一个就是再现车辆碰撞时的 减速度，在安装碰撞假人的台车上，以确定使用安全带和安全气囊等乘员保护装 置。近年来，对于乘员约束系统而言，有必要根据正面全接触碰撞和偏置正面碰 撞等各自的减速特性及由于乘员体格不同，确定与之相应的最佳人体耐受性的差 别。因此，有必要进行多样的组合试验来获取数据，这时，台车装置比实车碰撞 时脉冲再现精度高，此外，为提高实车碰撞的再现精度，在台车上安装了能够再 现仪表板和脚踏板变形的装置，为了再现碰撞时车体的纵摆力矩，在台车上安装 了自身能够倾斜的装置i l 圳。 2 3 计算机仿真 汽车的设计开发用试制样车来做试验，在费用和时间两方面的负担都很大， 而且，由于相关联的环节很多，难于设定最佳值。正因为如此，c a e 开始盛行。 随着c a d 技术的普及，开发了模型技术，碰撞试验的范围逐渐扩大到车身变形， 正面碰撞和侧面碰撞，车与车的对碰和行人保护等。 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 1 车身变形分析 在车身变形仿真方面，是把零部件的质量当做集中质量，把零部件载荷、变 形和干涉由非线性的弹簧组成质量一弹簧模型，即f e m ( f i n i t e e l e m e n t s m e t h o d ) 有限元法是将连续体离散化，对若干个有限大小的单元进行分段插值， 进而求解各种物理、力学问题的一种方法。汽车碰撞计算使用的f e m 软件能够进 行非线性动态结构分析，有l s d y n a ，p a m c r a s h ，r a d i o s s 等。这些程序为提 高汽车碰撞时达到预测的精度，每年都在升级，模型技术是将实际车辆和乘员假 人通过碰撞计算程序转换成计算模型的，该技术计算精度直接影响计算时间。计 算模型的组成，首先由构成车身的1 0 0 0 个左右的零部件的外形，表示变长为数 毫米到数十毫米的薄板计算模型，把薄板的厚度和材料特性分开；其次，车身有 5 0 0 0 个左右的焊点，将这些焊点等价成刚性计算要素，再加上轮胎、发动机、 地盘、座椅及乘员假人、安全带等构成了计算机模型。模型节点数数量巨大，现 在大的模型节点数己超过了1 0 0 万个 2 0 l ，图2 3 为汽车碰撞有限元分析模型。 2 , 3 2 乘员举动分析模型 粤警、 鬯釜矽：； 图2 - 3 汽车碰撞有限元模型 ( 1 ) 乘员举动分析 在碰撞时为了尽可能的减少乘员所受到的伤害，对碰撞时车身减速度、乘员 舱内的车身变形、安全气囊、安全带等乘员约束装置和仪表板、转向系、座椅等 内部零部件的冲击吸能特性进行综合考虑，分析碰撞时乘员的举动，研究各因素 与伤害发生的关系，从而确定最佳的结构是最重要的。 ( 2 ) 乘员举动分析模型 乘员举动分析模型是在计算机上再现碰撞时乘员和行人的举动，对乘员的伤害 值进行仿真预测，目前广泛使用的是刚体模型。作为代表的乘员举动分析软件有 m a d y m o ，图2 4 是正面碰撞分析模型，能够分析多种假人的举动1 2 。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 图2 4 正面碰撞分析模型 该模型由座椅、仪表板、脚踏板、转向盘、车门等乘员舱内的部件以及几个 椭圆形和平面所组成的车身，将复杂的形状用简单的模型代替，再装上由刚体结 构形成的假人模型，就可以再现实车碰撞了。刚体模型采用一些符号就能容易地 掌握模型的全貌，对碰撞现象也能容易理解。另一方面，实际碰撞试验中，车身 及零部件的弹性变形、塑性变形和破损等与材料、形状、结构等相互依存，也是 有极限的。因此，将分析对象替换成可以详细再现的有限元模型，是目前常用的 研究方法。 m a d y m o 能够将刚体模型和有限元模型结合起来计算，具体来说，假人使 用的是刚体模型，碰撞时复杂的脚踏板变形使用的是有限元模型，座椅，仪表板， 安全气囊，安全带等使用的是有限元模型，能够进行详细的结构分析。刚体模型 与有限元模型