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国内图书分类号： u461.91 学校代码： 10213 国际图书分类号：629 密级：公开 工学硕士学位论文工学硕士学位论文 安全气囊在离位乘员保护中的应用研究 硕 士 研 究 生 ： 曹建骁 导 师 ： 赵桂范教授 申 请 学 位 ： 工学硕士 学科 ： 车辆工程 所 在 单 位 ： 汽车工程学院 答 辩 日 期 ： 2012 年 7 月 授予学位单位 ： 哈尔滨工业大学 classified index: u461.91 university code: 10213 u.d.c:629 security: open dissertation for the masters degree in engineering airbag in the application research on the protection of out-of-position occupants candidate： cao jianxiao supervisor： prof. zhao guifan academic degree applied for： master of engineering speciality： vehicle engineering affiliation： college of automobile engineering date of defence： july, 2012 degree-conferring-institution： harbin institute of technology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - i - 摘 要 随着汽车产业的蓬勃发展，交通事故数量和死亡人数连年增加，使得汽车 安全越来越受到重视，离位乘员损伤的研究工作也得到了更大的重视。针对离 位乘员的危险性，美国公路交通安全管理局在 fmvss208 条款中增加了离位乘 员保护的相关条款。该条款不仅关注了对正常坐姿非离位乘员的保护，还关注 了对离位女性驾驶员及离位儿童乘员的保护。fmvss208 法规中增加了针对女 性假人及儿童假人的气囊低风险展开试验，以检测安全气囊对车内离位乘员的 保护效果。 对美国fmvss208 法规中关于离位乘员相关试验的研究方法和损伤评价指 标进行了深入的探讨，并对假人相关损伤指标的计算原理进行了阐述。为提高 离位乘员相关试验的精确性，选用 madymo 中基于流体动力学计算方法的气 体流动模块，并对该模块的算法和仿真原理进行了探究。结合国内外气囊折叠 方面的研究，确定了进行对比试验研究的驾驶员气囊（dab）及前排乘员气囊 （pab）的折叠方案。 对 folder 模块进行了介绍，分别研究了环形折叠下及对称折叠下 dab 有限元模型的建立方法，建立跌落试验仿真模型，将 dab 有限元模型与实物气 囊进行对比试验验证，通过气囊相关参数的调整保证了仿真试验的准确性。在 madymo 环境中建立相关试验的仿真模型，通过气囊静态展开试验以及针对 女性假人的低风险展开试验探究了 dab 的两种折叠方式对女性驾驶员的保护 效果。 基于正交试验方法探究了 dab 直径、 气囊织物透气率及气孔直径对 dab 展开过程中相关参数的影响。 对 pab 仿真模型的建立进行了研究，找到一种能有效获得 pab 初始网格 与参考网格的方法；并将 pab 仿真模型与气囊静态展开试验进行对标分析，确 保了仿真模型的准确性。通过针对儿童假人的低风险展开仿真试验，考察了乘 员气囊的两种折叠方法对离位儿童乘员保护的差异性，并从气孔直径、pab 横 向尺寸等方面对气囊进行修改，以达到对离位儿童乘员更好的保护效果。 关键词：安全气囊；离位乘员；折叠方法；madymo 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - ii - abstract with the rapid development of automobile industry, the number of traffic accidents and the deaths is rising every year, more people pay attention to the automobile safety, researching work about the out-of-position occupant injury has received greater attention. for the risk of the out-of-position occupant, the united states highway traffic safety administration increased an out-of-position occupant protection provisions in the fmvss208 regulation, in this regulation, it pays attention to the audience of children and petite female protection. the airbag deployment test has been added to the fmvss 208 regulations to detect the effect on out-of-position occupant protection of airbags. in this thesis, the test methods and injury evaluation of the out-of-position occupant experiment was discussed, and the calculation principles of the dummy damage index were described. chose the gas flow module based on computational fluid dynamics, and explored the algorithm and simulation principles of this gas flow module. determined the folding solution of dab and pab we would study by considering the research of the airbag folding. the folder module was introduced, researched the establish method of the finite element model of l-folding and r-folding. established the drop test simulation model to compare the finite element model with the real model, through the adjustment of the parameters of the airbag to ensure the accuracy of the simulation test. set up the relevant test simulation model in madymo environment, the effect of the protection of dabs two folding patterns on the female drivers has been tested by the airbag deployment test and low risk deployment test for the female dummy. explored the diameter of the dab, the airbag fabric permeability and the porosity of the dab influence on the process parameters during the commence of dab by orthogonal experiment method. the establishment of the the pab simulation model was studied, and fond out an effective way to make the initial grid and reference grid of the pab. compared the pab simulation model with the physical airbag by the airbag deployment test to ensure the accuracy of the simulation model. the effect of the protection of pabs two folding patterns on out-of-position child occupants has been tested by the low risk deployment test for child dummy. in addition, optimize the airbag by the method of expanding the size of pores and the horizontal size of the airbag to achieve better protection for out-of-position child occupants. keywords: srs，out-of-position occupants，folding method，madymo 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - iii - 目 录 摘 要 . i abstract .ii 第 1 章 绪论. 1 1.1 课题研究的背景及意义 . 1 1.1.1 课题研究背景 . 1 1.1.2 离位乘员保护研究的意义 . 3 1.2 安全气囊概述. 4 1.2.1 安全气囊的组成及工作机理 . 4 1.2.2 安全气囊的分类 . 5 1.3 安全气囊技术的研究现状 . 7 1.3.1 国外安全气囊研究现状 . 8 1.3.2 国内安全气囊研究现状 . 8 1.4 本文主要研究内容 . 9 第 2 章 离位乘员试验的准备 . 10 2.1 各国主要汽车安全法规简介. 10 2.2 基于 fmvss208 的离位乘员试验简介. 11 2.2.1 基于女性假人的 dab 低风险展开试验 . 11 2.2.2 基于儿童假人的 pab 低风险展开试验 . 12 2.3 损伤指标的计算原理 . 13 2.4 madymo 气体流动模块的介绍 . 15 2.4.1 cfd/fe 耦合方法 . 15 2.4.2 gas flow 模块的计算原理. 16 2.4.3 gas flow 单元数量的选择. 17 2.5 气囊折叠方式的研究 . 17 2.5.1 dab 折叠方式的研究 . 17 2.5.2 pab 折叠方式的研究 . 18 2.6 本章小结 . 19 第 3 章 驾驶员气囊在离位女性乘员保护中的应用研究 . 20 3.1 两种折叠方式下 dab 模型的建立 . 20 3.1.1 对称折叠下 dab 模型的建立. 20 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - iv - 3.1.2 环形折叠下 dab 模型的建立. 21 3.2 dab 仿真模型的试验验证 . 22 3.3 dab 低风险展开试验模型的建立 . 24 3.4 两种 dab 折叠方式的仿真试验比对 . 26 3.4.1 dab 静态展开试验的仿真分析. 26 3.4.2 dab 低风险展开试验的仿真分析 . 28 3.5 气囊参数影响分析 . 30 3.5.1 正交试验设计 . 31 3.5.2 试验结果分析 . 31 3.6 本章小结 . 33 第 4 章 乘员气囊在离位儿童乘员保护中的应用研究 . 34 4.1 两种折叠方式下 pab 模型的建立 . 34 4.2 pab 仿真模型的试验验证 . 37 4.3 pab 低风险展开试验模型的建立 . 38 4.4 两种 pab 折叠方式的仿真试验比对 . 42 4.4.1 基于三岁假人的 pab 仿真试验分析 . 43 4.4.2 基于六岁假人的 pab 仿真试验分析 . 44 4.5 pab 的优化研究 . 46 4.5.1 气孔的优化研究 . 46 4.5.2 气囊尺寸的优化研究. 47 4.6 本章小结 . 48 结 论 . 49 参考文献 . 50 攻读硕士学位期间所发表的学术论文 . 53 哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明 . 54 致 谢 . 55 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 1 - 第 1 章 绪论 1.1 课题研究的背景及意义 1.1.1 课题研究背景 随着中国经济的高速发展，我国的汽车工业也迎来了黄金时期。继 2009 年汽 车年产量超过 1000 万辆之后，我国已经连续获得汽车产销量冠军的桂冠。汽车产 量的大幅度增加导致我国汽车保有量井喷式增长，根据公安部交通管理局发布的 最新数据，截至 2011 年 8 月，我国的汽车保有量超过 1 亿辆，位列美国之后，成 为世界第二的汽车保有量大国， 近年我国汽车保有量如图 1-1 所示。 按照国际惯例， 一个国家五分之一以上的家庭拥有汽车，就可以认为这个国家已经进入汽车社会。 截至 2011 年 8 月底，国内每千人的汽车保有量在 60 辆左右，由此可知，我国基 本进入了汽车社会的行列1。 汽车保有量示意图 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 200020012002200320042005200620072008200920102011 年份 保有量/万辆 图 1-1 近年来我国汽车保有量示意图 汽车保有量的增加具有两面性，它一方面繁荣了交通运输业，方便了人们的 出行，另一方面也造成了大气污染、能源紧缺等世界性问题，同时还增加了道路 交通的负担，造成我国交通事故数量和死亡人数居高不下，人间悲剧时有发生。 据相关部门统计，2010 年我国共发生 219521 起涉及人员伤亡的交通事故，因交通 事故死亡 65225 人；2011 年我国共发生 210812 起涉及人员伤亡的交通事故，因交 通事故死亡 62387 人。虽然有逐年下降的趋势，但交通事故数量和死亡人数仍然 处于高位，形势相当严峻 2。 据不完全统计，从汽车诞生之日算起，交通事故导致的死亡人数比两次世界 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 2 - 大战死亡人数的总和还要多。正是因为交通事故给人们带来了如此沉重的灾难， 使得汽车安全性越来越受到重视，汽车是否安全也逐渐成为人们购车的首要考虑 因素之一，汽车安全性已与汽车节能性、汽车环保性一道，成为了当今汽车产业 发展的三大主题之一3。 汽车安全性已经成为束缚汽车工业发展的重要因素之一，世界各国均制订了 相应的法规要求，以促进汽车安全方面的研究。ece 汽车安全法规由欧洲经济委 员会于 1958 年开始制定，经过多年来不断的修改和补充，已经形成具有 90 余项 标准的庞大的法规体系，对机动车及其零部件的安全性能和环保性能提出了严格 的要求。美国联邦机动车辆安全标准（fmvss）制定于 1968 年，经过多年的发展， 现已经制定各类标准 60 余项，共包括五个板块：主动安全、被动安全 、防止火 灾 、附属设施及其他，现已成为世界上最完善的汽车安全法规体系之一。我国在 汽车安全法规的制定方面起步较晚，但发展迅速。我国汽车强制性标准的制定工 作起步于 20 世纪 90 年代初期，并分别于 2003 年及 2006 年颁布了汽车正面碰 撞的乘员保护和汽车侧面碰撞的乘员保护两项国家标准。这些标准有力的 保障了汽车安全及乘员保护研究的快速发展。这些标准为汽车安全和乘员保护研 究的快速发展提供了有力的保障。 新车评价规程（ncap）的发展也极大地促进了汽车安全领域方面的研究。 ncap 从美国开始兴起， 一般由政府或者独立公正的第三方机构负责实施， 试验条 件和要求比国家标准规定的汽车碰撞试验更为严格，能有效地检测汽车的碰撞安 全性能和对乘员的保护效果。我国也于 1999 年开始，由中国汽车技术研究中心牵 头进行 c-ncap 试验，社会效果显著，已成为众多国内汽车厂家进行汽车正向研 发的主要依据，图 1-2 为 c-ncap 中正面 100%重叠刚性壁障碰撞试验的示意图。 图 1-2 c-ncap 正碰试验示意图 现如今，汽车安全的研究可分为主动安全技术与被动安全技术。主动安全技 术是使汽车能够主动采取措施，避免事故发生的技术，其主要包括制动系统、电 子控制悬架、速度控制动力转向系统、车速自动控制系统等。随着汽车工业的发 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 3 - 展，主动安全技术在汽车安全领域发挥的作用将会越来越大。虽然如此，被动安 全技术仍发挥着举足轻重的作用，当汽车碰撞发生后，它能有效的减少乘员的伤 亡。被动安全技术主要包括乘员舱的设计、车身前部变形吸能区、安全带及安全 气囊等4。其中，安全气囊是被动安全技术的重要组成部分，它能阻止车内乘员发 生二次碰撞，有效地减轻乘员的损伤。 1.1.2 离位乘员保护研究的意义 随着汽车安全及安全气囊研究的深入，人们对离位乘员损伤相关领域的研究 工作越来越重视。乘员的离位状态（out of position）是指由于乘员不系安全带，乘 坐的初始位置较正常乘坐位置靠前，或由于发生碰撞时，乘员过早或过度地向气 囊运动，导致乘员与尚未完全展开的气囊发生接触的乘坐状态。 安全气囊的展开过程是一个瞬态的动力学过程，仅持续几十毫秒。在如此短 的时间内，气囊要释放化学反应产生的极大的能量，并产生较大的拍击效应。如 果在气囊尚未完全展开时，乘员与安全气囊接触，则乘员有可能无法承受强大的 能量和拍击效应而被严重击伤。在气囊的展开过程中，气囊囊体内的压力变化要 经过三个阶段：气囊弹出阶段、气囊充气阶段与气囊泄气阶段，如图 1-3 所示5。 图1-3 气囊展开过程中内部压力曲线 在气囊弹出阶段，气囊具有极快的速度和较大的压力，若此时人体的头部、 颈部或胸部与气囊接触，极有可能受到致命的伤害。此外，人体与气囊接触会阻 碍气囊的继续展开，这样会延长气囊的展开时间并继续增大囊体内的气压，对人 体造成的伤害更大，故离位乘员的危险性远大于正常坐姿系安全带的乘员。由于 儿童及部分女性的身材较小，碰撞前的制动使这些离位乘员更加靠近气囊，故气 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 4 - 囊展开对离位儿童及女性的伤害更为严重。 针对离位乘员的危险性，美国公路交通安全管理局在 fmvss 208 条款中增加 了离位乘员保护的相关条款，在关注正常坐姿非离位乘员的同时，还强调了对离 位儿童乘员及离位女性驾驶员的保护。fmvss 208 法规中增加了针对第五百分位 女性假人、三岁假人以及六岁假人的气囊低风险展开试验，以测试气囊对离位乘 员的保护效果。 国内的标准法规在离位乘员保护领域还处于空白状态，国内各汽车生产厂商 在汽车正向开发过程中很少考虑离位乘员保护的因素，国内对离位乘员保护的研 究较欧美等发达国家来说还存在相当大的差距。国内在离位乘员保护的试验研究 方面尚处于起步阶段，相关试验技术手段较少。与此相对的是，国内民众安全意 识较单薄，安全带佩戴率很低。作者近期在威海市某中心路段十字路口进行了一 次调查，随机拍摄了 103 位驾驶者，78 人未系安全带，安全带佩戴率不足 25%。 可见，虽然大多数汽车都配备了安全带未系提醒装置，但在现实生活中离位乘员 还是极其常见的。 由于离位乘员保护的研究侧重于气囊前期的展开形态，故计算机仿真需要精 确模拟气囊的展开形态，因此需要仔细处理计算机建模的所有步骤。故进行离位 乘员保护的研究，探究出一条实车试验与仿真试验相结合的道路，具有较大的现 实意义。 1.2 安全气囊概述 安全气囊系统（supplement restraint system）是汽车被动安全技术的一种，它 最早由美国工程师约翰赫特里发明并获得专利。安全气囊主要对乘员的上体起保 护作用，它对人体的头部、颈部及胸部有较好的保护效果。 安全气囊的作用是当汽车发生碰撞受到较大的减速度时，安全气囊迅速展开， 在汽车和乘员之间设立缓冲区，吸收由乘员上半身惯性力产生的能量，避免乘员 与车辆的二次碰撞，从而对乘员进行有效的保护。 1.2.1 安全气囊的组成及工作机理 安全气囊一般卷折在气囊盒体中，只有受到碰撞触发时才能起作用。它一般 由气囊囊体、气体发生器、加速度传感器和 ecu 等部分构成。汽车的碰撞传感器 一般位于汽车前梁的两侧，当汽车发生碰撞时，碰撞传感器对冲击信号进行识别， 当碰撞减速度达到规定值以后， 碰撞传感器将信号传给 ecu， ecu 经过分析之后， 发出点火信号给气体发生器，气体发生器引燃气体发生剂，在瞬间产生大量气体 并通过气体滤清器进入到气囊囊体之中，使气囊膨胀并展开。气囊在其展开及与 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 5 - 人体接触的过程中，通过织物的透气性和泄气孔排气，从而完成对乘员的缓冲， 避免乘员与车体接触， 其工作原理如图 1-4 所示。 整个过程大约持续 100ms 左右6。 图1-4 安全气囊工作原理 1.2.2 安全气囊的分类 根据其安装位置，安全气囊可以分为前部气囊、侧面气囊、膝部气囊与侧气 帘等。其安装位置不同，对乘员的保护部位则不同，如安装在转向盘下方和内饰 板下方的膝部气囊可以在碰撞中避免乘员的膝部与汽车内饰件接触，从而避免乘 员膝部受损伤；安装在转向盘中间位置的驾驶员气囊可以避免驾驶员的上身与转 向盘接触，从而避免驾驶员身体上部受损伤。 在欧美等汽车工业发达的国家，除上述应用范围比较广的气囊之外，还有安 装在前排座椅后部的后排乘员气囊，当汽车发生事故时，避免后排乘员与前排座 椅接触。福特汽车公司还在其某款车的前部安装了行人安全气囊，在轿车与行人 发生碰撞时，尽可能减少行人的损伤。 （1）前部气囊 前部气囊可以分为驾驶员气囊和前部乘员气囊。驾驶员气 囊（dab）位于转向盘的中间位置，气囊囊体一般由两篇圆形或多边形织物缝合 而成，置于圆形的气囊盒体之中。驾驶员气囊是最早被汽车厂商使用也是应用范 围最广的气囊，当汽车发生正面碰撞而导致汽车前部大幅变形时，驾驶员气囊可 以避免驾驶员与汽车方向盘接触所造成的二次碰撞，吸收此时驾驶员的惯性能量。 此外，驾驶员气囊还能有效避免汽车发生正面碰撞时方向盘下端顶到驾驶员胸部 所造成的致命伤害。 前排乘员气囊（pab）一般位于前排乘员侧的仪表板内，其结构较驾驶员气囊 复杂，乘员气囊一般由三片织物缝合而成，呈现空间结构，放置于方形的气囊盒 体之中。前部乘员气囊可以保证汽车正向碰撞时，前排乘员免于与内饰板接触。 前排乘员气囊一般结构复杂，形状各异，它的设计要与乘员舱的尺寸、内饰板的 型状、前排副驾座椅的位置相关联，是气囊正向设计中的难点，驾驶员气囊及前 部乘员气囊的形状如图 1-5 所示。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 6 - 图1-5 前部气囊示意图 （2）侧面气囊 侧面气囊（sab）一般安装在座椅的外侧，一般由两片织 物缝合而成，其按照保护人体部位的不同可以分为头部侧气囊、胸部侧气囊以及 头胸一体式侧气囊。侧面气囊的目的是当汽车发生侧面碰撞时，减缓车体对乘员 及驾驶员头部、腰部、腹部、胸部及胳膊的伤害，保证车内乘员上肢的活动及逃 生能力。胸部侧气囊应用范围最广，大部分汽车应用侧气帘来承担对乘员侧面头 部的防护，侧气囊的形状如图 1-6 所示。 图1-6 侧面气囊示意图 （3）膝部气囊 膝部气囊（kab）一般安装在转向盘、内饰板及前排座椅 的下方，当汽车发生碰撞时，避免汽车内饰件对膝部造成伤害。膝部气囊不仅可 以减少膝部及其大腿受到的冲击，还可以减缓人体相对于车身的移动，从而与其 他气囊配合，减低人体其他部位的损伤。 根据安装位置不同，膝部气囊一般分为 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 7 - 驾驶员膝部气囊、前排乘员膝部气囊和后排乘员膝部气囊。 膝部气囊在部分发达国家已经得到了普及，在国内所生产的汽车中，还很少 配备，其形状如图 1-7 所示。 图1-7 驾驶员膝部气囊示意图 （4） 侧气帘 侧气帘也称帘式气囊， 由横贯在汽车 a 柱和 b 柱之间的一系 列小型气囊组成。侧气帘安装在车门上边梁上，由车身横向加速度传感器所控制。 当车身横向加速度超过规定值之后，侧气帘就会气爆，其主要针对的是汽车侧撞 及侧翻等事故。侧气帘没有设置泄气孔，从而可以在汽车侧翻时，持续地对乘员 的头部进行保护，其形状如图 1-8 所示。 图1-8 侧气帘示意图 1.3 安全气囊技术的研究现状 使用安全气囊的想法最早来源于美国，1952 年，美国汽车生产者联合会提出 了在乘员与车体之间增加一种缓冲装置的设想。1953 年，美国工程师赫特里克第 一次使用了 “汽车用安全气囊防护装置”这一名称。近些年来，安全气囊技术在 汽车上得到了广泛的应用。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 8 - 1.3.1 国外安全气囊研究现状 经过多年的发展，美国、欧洲、日本等老牌汽车工业大国对安全气囊技术的 研究已经较为成熟，安全气囊的研发技术和仿真技术均有完整的体系。2008 年 9 月，丰田汽车公司开发出了气囊展开时间更短且可减轻乘员冲击的“连续容量变 化型”i-srs 新型安全气囊，其特点是使气囊内压力迅速提升到规定值并在长时间 内保持此值，此气囊可对不同身材的乘客提供更佳的保护效果7。雷诺公司生产出 一种金属薄片型安全气囊，这种气囊在汽车前端发生碰撞时，气囊体积可膨胀至 45 升，在保护乘员的头部和胸部时，可同时支撑住乘员的臀部，防止乘员身体下 部由于惯性力的作用从安全带腰带下部滑移出座椅8。 奔驰汽车公司通过对 120 余 起交通事故的分析，设计出了一套新型的安全气囊系统，该系统由七种不同种类 的 17 个气囊组成，以达到对乘员最好的保护效果9。 美国密歇根大学 farmer.michael e、jain.anil k 等人10-13基于灰度图像处理技 术，设计了一款可根据乘员身体类别和是否系安全带进行自动调节的安全气囊， 汽车发生正面碰撞时，可使安全气囊对车内乘员的保护效果最强。美国乔治华盛 顿大学 digges.kennerly、noureddine.ahmad 等人14利用计算机仿真的方法分析了 气囊的充气量、驾驶员的乘坐位置与乘员伤害值之间的关系。福特汽车有限公司 的 yeh.isheng 、 zhou rongrong 等 人 15-18 将 在 流 体 仿 真 的 常 用 的ale （arbitrary-lagrange-eulerian）算法，应用到气囊仿真中以代替气囊均匀充气的算 法，使气囊仿真更逼近真实试验。美国的 pintar.frank a、yoganandan.narayan等人 19,20运用气囊静态试验的方法考察了车辆侧面气囊展开对儿童假人的损伤情况， 为侧气囊的设计提供了参考。日本的北田奈绪等人21提出了一种气囊传感器的新 算法，此算法能使气囊在最佳时刻触发，增强了气囊对乘员的保护效果。 1.3.2 国内安全气囊研究现状 我国对安全气囊技术的研究始于上世纪 90 年代初期，与发达国家还有一段差 距。武汉理工大学叶智博22在进行了大量试验的基础上，通过对碰撞数据进行处 理，验证了安全气囊的点火算法，总结出一些设计安全气囊点火算法的规律。东 华大学刘春娜23提出了一种新的测试安全气囊织物动态透气率的方法，通过记录 气囊低压气室内的压力变化，仅用一次试验便可获得在不同气压下的气囊织物透 气率。南京理工大学的周奎军24分别对气囊的产气药剂、气体发生器用电的点火 具及气体发生器的结构进行了研究，提出了用其它富含氮元素的材料代替国内仍 广泛使用的 nan3，不仅可以增加产气效率，而且对乘员无害。 近年来，随着计算机仿真技术的快速发展，我国的安全气囊仿真技术也产生 了众多成果。吉林大学张君媛、林逸、张建伟等人25利用 madymo 模型建立了 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 9 - 针对前碰的某汽车约束系统仿真模型，通过对不同碰撞车速下的仿真试验，研究 了在保证乘员安全的前提下安全气囊的起爆车速。锦州锦恒汽车安全系统有限公 司沈涛等人26通过建立各种折叠方式的的气囊模型，利用气囊展开试验、跌落试 验和转向盘试验等试验仿真分析了各种折叠方式的气囊对应的展开时的内部压力 以及其他动力学参数。湖南大学万鑫銘、陈涛等人27开发了一种基于 imm 算法的 能够自动生成初始网格模型和参考网格模型的程序，这种程序能够迅速生成气囊 的初始网格及参考网格，极大地方便了安全气囊的建模。同济大学连广宇、朱西 产等人28根据美国 fmvss 208 法规， 通过 madymo 模型对前排乘员与气囊的接 触过程进行了仿真试验，基于仿真结果提出了针对带有可裂式拉带的安全带的改 进方案。湖南大学张维刚、王祥、刘晖等人29针对安全气囊现存设计方法中存在 的问题，在气囊仿真试验中使用 psm 子结构方法以及响应表面优化方法对气囊进 行优化。 1.4 本文主要研究内容 国内对安全气囊的优化主要是针对佩戴安全带、正常坐姿的乘员进行的，对 离位乘员保护的研究较少。本文中，作者以美国 fmvss 法规中离位乘员保护的 相关试验为依据，以中国汽车技术研究中心某项目为课题来源，采用实车试验与 计算机仿真试验相结合的方法，对驾驶员气囊及前排乘员气囊对离位乘员的保护 效果进行了试验研究，并提出了优化方案。本文的研究内容可以归纳为以下几个 方面： （1） 对美国 fmvss208 法规中离位乘员相关试验的研究方法和损伤评价指标 进行深入的探讨，结合国内外气囊折叠方面的研究，确定进行对比研究的 dab 及 pab 的折叠方案。 （2）建立不同折叠方式下 dab 的有限元模型，并建立跌落试验仿真模型， 将 dab 有限元模型与实物气囊进行对比试验验证。进行仿真试验研究 dab 的几 种主要折叠方式对女性假人损伤评价指标的影响。 （3）基于正交试验方法探究 dab 直径、气孔直径、气囊织物透气率等参数 对 dab 展开过程中相关参数的影响，对正交试验结果进行极差分析。 （4）对 pab 仿真模型的建立进行研究，找出一种能有效获得 pab 初始网格 与参考网格的方法。建立 fmvss 208 法规中关于离位儿童乘员的仿真试验模型， 研究 pab 的几种折叠方式对儿童假人损伤评价指标的影响。 （5）在离位儿童乘员仿真试验模型的基础上，通过修改气孔的大小、气囊横 向尺寸等参数对 pab 进行优化，以达到对离位儿童乘员更好的保护效果。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 10 - 第 2 章 离位乘员试验的准备 随着汽车安全研究的逐步深入，对离位乘员保护的研究工作也越来越得到重 视。由于离位乘员没有位于正常的乘坐区域内，故约束系统不能正常起作用，发 生交通事故时，更容易受到伤害。鉴于此，关于乘员碰撞保护的美国 fmvss 208 法规近年来增加了旨在增强对离位乘员保护的气囊低风险展开试验，这些条款的 出现，极大地促进了人们对离位乘员保护的研究。 本章将对离位乘员试验的法规依据及评价标准、气囊仿真中的所应用的算法 及气囊的折叠方式进行更深一步的研究，为进行安全气囊在离位乘员保护中的相 关研究做前期准备。 2.1 各国主要汽车安全法规简介 （1）欧洲汽车技术法规体系 随着汽车产业的发展，欧洲各国早在 20 世 纪 40 时代便开始着手制定各类汽车安全法规，不过各国所规定的技术指标及检验 方法均不统一，这些参次不齐的标准严重地影响了欧洲各国的自由贸易。1958 年， 欧洲各国根据协商签订了旨在统一汽车产品认证条件的议定书，欧洲各缔约国据 此开始制定统一的汽车安全法规（ece 法规）。 经过不断的修改与扩充，ece 法规已形成具有 109 项标准的法规体系，涉及 汽车安全的法规共计 88 项。ece 法规在碰撞试验方面规定了汽车的正碰试验、侧 碰试验、翻滚试验及碰撞时对汽车的防火要求。 （2）美国联邦机动车安全法规 美国联邦机动车安全法规（fmvss）的制