（机械工程专业论文）汽车正面碰撞中智能约束系统的仿真分析.pdf

a s t u d y o nt h ei n t e l l i g e n tr e s t r a i n ts y s t e m so fd r i v e r si nv e h i c l e f r o n t a li m p a c t su s i n gm a t h e m a t i c a lm o d e l s b y z h o us h i w e i b e ( x i a n g t a nu n i v e r s i t y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g l n m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o ry a n gj i k u a n g m a r c h ，2 0 1 1 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明。：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名：f 司讨纬日期：幼1 1 年中月f o 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密函。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名： 导师签名： 闭强伟 拘云萑 1 日期：2 0 l1 年中月l o 日 日期：动1 1年4 - 月f o 日 汽车正面碰撞中智能约束系统的仿真分析 摘要 目前，在中国正面碰撞法规试验及新车评价体系中，要求采用的是 h y b r i di i i5 0 伽百分位试验假人，它主要用于测量人体在汽车前碰撞中的生物力学 响应。但是，随着汽车保有量的增加，驾驶员数量也在不断增多，特别是女性驾 驶员已经占有相当大的比重。因此在一款车在设计过程中只考虑到h y b r i di i i5 0 协 百分位乘员的情况下能否很好地保护小身材女性乘员也就成了一大疑问。 本文的目的是通过对比h y b r i di i i5 0 m 百分位假人和h y b r i di i i5 伽百分位假人 以及h y b r i di i i9 5 m 百分位假人在相似的碰撞条件下的动力学响应，探讨了采用智 能约束系统保护不同身材的乘员的必要性。 本文应用有限元和多刚体耦合的方法建立了关于h y b r i di i i5 0 m 百分位假人 的正面碰撞仿真分析模型，并通过实车试验结果对模型进行了验证。在此基础上， 建立了关于h y b r i di i i5 m 百分位假人和h y b r i di i i9 5 伯百分位假人的正面碰撞仿真 模型，这两个模型的约束系统参数与包含h y b r i di i i5 0 m 百分位假人模型的参数一 致。通过对比这三种情况中，三种假人的运动学和动力学响应来分析不同身材乘 员在汽车正面碰撞中的损伤风险。并分析了通过采用智能约束系统降低女性乘员 在汽车正面碰撞中损伤风险的可行性。 接着进行对智能约束系统的优化设计。首先对包含h y b r i di i i5 0 缅百分位假人 的约束系统的验证模型进行优化。在优化设计的过程中，运用正交试验设计分析 确定主要的设计参数，进而建立优化目标的回归代理模型，并利用代理模型进行 优化求解。在此基础上，选用安全气囊气体质量流率和安全带的限力器限力水平 为优化参数对包含h y b r i di i i5 曲百分位假人的约束系统模型进行优化设计。 研究结果表明：能很好地保护h y b r i di i i5 0 m 百分位乘员的约束系统不能很好 地保护h y b r i di i i5 m 百分位乘员。在相似的约束条件下，h y b r i di i i5 恤百分位乘员 相比h y b r i di i i5 0 恤百分位乘员有较大的颈部损伤风险，可以通过调整安全气囊的 质量流率和安全带限力器的限力水平来降低这种风险，更全面地保护乘员安全。 对智能约束系统的优化，能得出包含h y b r i di i i5 0 m 百分位假人的模型中假人 的w i c 值在设计点处取得最小值o 4 6 9 ，相比初始设计点处的w i c 值o 6 5 0 大约 有3 0 的降低。对于h y b r i di i i5 堋百分位乘员假人i 值在设计点处取得最小值 o 3 6 2 5 ，优化设计后的i 值相比初始设计点处的仿真值0 51 0 6 ，降低了2 9 左右。 本文的研究结果对国内的不同身材乘员在正面碰撞中损伤防护研究具有一定的参 考价值。 关键词：正面碰撞；智能约束系统；损伤风险分析；优化设计 硕士学位论文 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t h e h y b r i d i i i5 0 mp e r c e n t i l et e s t d u m m yi sr e q u i r e di n t h e r e g u l a t i o n so ff r o n t a lc r a s ht e s ta n dv e h i c l ee v a l u a t i o ns y s t e mi n c h i n a t h eh y b r i d i i i50 1p e r c e n t i l et e s td u m m yi sm a i n l yu s e dt om e a s u r et h eb i o m e c h a n i c a lr e s p o n s e o fb o d yi nt h ef r o n tc r a s h h o w e v e r , w i t ht h ed r a m a t i ci n c r e a s ei nc a ro w n e r s h i p ，t h e n u m b e r so fd r i v e r sa r eg r o w i n g ，e s p e c i a l l yw o m e nd r i v e r sh a v eo c c u p i e dal a r g e p r o p o r t i o n t h e r e f o r e ，t h ec a ri nt h ed e s i g np r o c e s so n l yt a k i n gt h eh y b r i di i i50 m p e r c e n t i l eo c c u p a n ti n t oa c c o u n tc o u l dw e l lp r o t e c tt h ef e m a l eo c c u p a n to fs m a l l s t a t u r ed u r i n gt h ec o l l i s i o nw i l lb e c o m eaq u e s t i o n t h ep u r p o s eo ft h i sp a p e ri st od i s c u s st h a tas m a r tr e s t r a i n ts y s t e mp r o t e c t i o n i sn e e d e df o ro c c u p a n t so fd i f f e r e n ts t a t u r e sb yc o m p a r i n gt h ed y n a m i cr e s p o n s eo f t h eh y b r i di i i5 0 hp e r c e n t i l ed u m m y , h y b r i di i i5 “p e r c e n t i l ed u m m ya n dh y b r i d i i i9 5 协p e r c e n t i l ed u m m yi nas i m i l a rc o l l i s i o nc o n d i t i o n s i nt h i sp a p e r ，t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o da n dm u l t i - b o d ym e t h o dw e r eu s e dt o b u i l tt h es i m u l a t i o nm o d e lo fh y b r i di i i5 0 t hp e r c e n t i l ed u m m yi nt h ef r o n t a li m p a c t a n dt h i sm o d e lw a sv a l i d a t e db yr e a lv e h i c l et e s tr e s u l t s o nt h i sb a s i s ，e s t a b l i s h e d t h es i m u l a t i o ns y s t e m so fh y b r i di i i5 h p e r c e n t i l ed u m m ya n dh y b r i di i i9 5 h p e r c e n t i l ed u m m yi nt h ef r o n ti m p a c t t h ep a r a m e t e r so ft h e s et w os y s t e m sw e r e c o n s i s t e n tw i t hp a r a m e t e r so ft h em o d e lo fh y b r i di i i5 0 恤p e r c e n t i l ed u m m y b y c o m p a r i n gt h ek i n e m a t i c sa n dd y n a m i c sr e s p o n s eo ft h et h r e ed u m m i e si nt h e s e t h r e ec a s e s ，a n a l y z e dt h ei n j u r yr i s ko fd i f f e r e n to c c u p a n tb o d i e si nf r o n t a li m p a c t a n da n a l y z e dt h ef e a s i b l i l i t yo fr e d u c i n gt h ei n j u r yr i s ko ff e m a l eo c c u p a n ti nt h e v e h i c l ef r o n t a lc r a s hb yu s i n gi n t e l l i g e n tr e s t r a i n ts y s t e m s t h e nc a r r yo u tt h eo p t i m i z a t i o no ft h e i n t e l l i g e n t r e s t r a i n t s y s t e m s f i r s t ， o p t i m i z et h er e s t r a i n ts y s t e mo ft h eh y b r i di i i 5 0 “p e r c e n t i l ed u m m yw h i c hw a s v a l i d a t e d i nt h e p r o c e s so fo p t i m i z a t i o n d e s i g n ，u s e do r t h o g o n a le x p e r i m e n t a l d e s i g na n a l y s i st od e t e r m i n et h em a i nd e s i g np a r a m e t e r s ，a n dt h e ne s t a b l i s h e d s e c o n d - o r d e rr e s p o n s es u r f a c em o d e lo fo p t i m i z i n go b je c t i v e ，u s e dt h em o d e lt o s o l v et h er e s u l t o nt h i sb a s i s ，s e l e c t e dt h em a x i m u mm a s sf l o wr a t eo ft h ea i r b a g a n dt h el e v e lo fs e a tb e l tf o r c el i m i t e r sa sd e s i g np a r a m e t e r st oo p t i m i z et h ed e s i g n r e s t r a i n ts y s t e mo fh y b r i di i i5 mp e r c e n t i l ed u m m y t h er e s u l t ss h o wt h a t ：t h er e s t r a i n ts y s t e mw i t c hc a nw e l lp r o t e c tt h eh y b r i di i i 50 hp e r c e n t i l eo c c u p a n tr e s t r a i n ts y s t e mc a nn o tp r o p e r l yp r o t e c tt h eh y b r i di i i5 h p e r c e n t i l eo c c u p a n t h y b r i di i i5 。hp e r c e n t i l eo c c u p a n th a sag r e a t e rr i s ko fn e c k n i _ 汽车正面碰撞中智能约束系统的仿真分析 i n j u r yt h a nh y b r i di i i5 0 t hp e r c e n t i l eo c c u p a n ti nt h es i m i l a rc o n s t r a i n t s ，c a nr e d u c e t h i sr i s kb ya d j u s t i n gt h em a s sf l o wr a t eo fa i r b a ga n ds e a tb e l tf o r c el i m i t e r sl i m i t f o r c el e v e l ，t op r o v i d em o r ec o m p r e h e n s i v ep r o t e c t i o nf o r t h eo c c u p a n t s a f t e ro p t i m i z a t i o no fi n t e l l i g e n tr e s t r a i n ts y s t e m s ，c a ng o tw i co ft h em o d e l i n c l u d eh y b r i di i i5 0 mp e r c e n t i l ed u m m yo b t a i nt h em i n i m u mv a l u eo fo 4 6 9i nt h e d e s i g np o i n t ，c o m p a r e dw i t ht h ei n i t i a ld e s i g np o i n tv a l u eo f0 6 5 0w a sr e d u c e d a b o u t30 io ft h em o d e li n c l u d e h y b r i di i i 5 h p e r c e n t i l ed u m m yo b t a i nt h e m i n i m u mv a l u eo f0 36 2 5i nt h ed e s i g np o i n t ，c o m p a r e dw i t ht h ei n i t i a ld e s i g np o i n t v a l u eo f0 510 6w a sr e d u c e d2 9 t h er e s u l t so ft h i s s t u d yh a v es o m er e f e r e n c e v a l u ef o rt h es t u d yo fi n ju r yp r o t e c t i o no fd i f f e r e n tb o d i e si nf r o n t a lc o l l i s i o n k e yw o r d s ：f r o n t a li m p a c t ；i n t e l l i g e n tr e s t r a i n ts y s t e m s ；i n j u r yr i s k ；o p t i m i z a t i o n i v 硕士学位论文 目录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论。1 1 1 绪言1 1 2 课题研究背景2 1 3 智能约束系统的发展动态3 1 3 1 乘员约束系统带来的问题3 1 3 2 智能乘员约束系统的先进技术4 1 3 3 智能乘员约束系统的控制过程5 1 3 4 智能约束系统研究现状6 1 4 本文研究目的和主要内容7 1 4 1 本文的研究目的7 1 4 2 本文的主要内容7 第2 章乘员约束系统的评价准则和技术法规9 2 1 正面碰撞中的乘员伤害9 2 2 乘员约束系统的评价准则1 0 2 2 1 头部伤害准则( h i c - - h e a di n j u r yc r i t e r i o n ) 1 1 2 2 2 颈部伤害准则( n i c - - n e c ki n j u r yc r i t e r i a ) 1 2 2 2 3 胸部伤害准则1 2 2 2 4 大腿骨准则( f f c - - f e m u rf o r c ec r i t e r i a ) 1 3 2 2 5 小腿骨准则( t i t i b i ai n d e x ) 1 3 2 3 完全伤害评价准则1 4 2 3 1w i c 值1 4 2 3 2 i 值1 4 2 4 正面碰撞的技术法规1 5 2 4 1 国外正面碰撞试验法规1 5 2 4 1 1 美国的正面碰撞试验法规1 5 2 4 1 2 欧洲的正面碰撞试验法规1 5 2 4 2 我国的正面碰撞试验法规1 6 第3 章仿真模型的建立及验证18 v 汽车正面碰撞中智能约束系统的仿真分析 3 1 引言18 3 2 仿真理论基础1 9 3 2 1 多刚体理论1 9 3 2 2 有限元理论2 l 3 3 仿真模型的建立2 4 3 3 1 乘员车内环境模型的建立2 4 3 3 2 安全带模型的建立：2 5 3 3 3 安全气囊模型的建立2 7 3 3 4 假人模型2 8 3 3 5 加速度场2 9 3 4 仿真模型的验证3 0 3 5 本章小结3 l 第4 章汽车正面碰撞中不同身材乘员损伤风险分析3 2 4 1 引言3 2 4 2 碰撞条件及仿真模型的建立3 3 4 3 假人运动学响应结果分析3 3 4 3 1h y b r i di i i5 0 m 百分位假人的运动学响应结果分析3 3 4 3 2h y b r i di i i5 椭百分位假人的运动学响应结果分析3 5 4 3 3h y b r i di i i9 5 m 百分位假人的运动学响应结果分析一3 6 4 4 假人的损伤风险分析3 7 4 4 1 乘员损伤评价指标3 7 4 4 2 假人的损伤风险分析3 7 4 5 本章小结3 9 第5 章汽车正碰撞中智能约束系统的优化4 0 5 1 引言4 1 5 2 优化方法4 l 5 2 1 正交实验设计4 l 5 2 2 全因子实验设计4 2 5 3 乘员约束系统设计变量的选择和实验设计4 3 5 3 1 设计变量的选择4 3 5 3 2 设计参数的实验设计：4 4 5 4 实验设计结果分析4 5 5 4 1 方差分析：4 5 5 4 2 全因子实验设计结果4 5 5 4 2 1h y b r i di i i5 0 他百分位假人约束系统的试验设计结果4 5 v i 硕士学位论文 # 0 = = = j = = = = = = m 一 m = = = = = = = ! = 2 = = ! = ! = = = = = = ! ! = = = # ；= # = o 5 4 2 2h y b r i di i i5 m 百分位假人的试验设计结果4 6 5 4 3 近似模型的回归4 7 5 5 基于n s g a i i 遗传算法的优化4 8 5 5 1 遗传算法4 8 5 5 2 优化结果分析4 8 5 6 本章小结4 8 结论与展望5 0 参考文献。5 2 致谢5 6 附录a 攻读学位期间所发表的学术论文目录5 7 i 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 绪言 随着汽车工业的不断发展，汽车保有量不断地增加，汽车越来越接近人们的 生活。它作为一种方便快捷的交通工具，在给人们的出行带来便利的同时，也给 人类的生命和财产安全带来了严重的威胁。交通事故每年造成了巨大的伤亡，已 经成为威胁人类生命安全的世界第一大公害。据测算，自1 8 8 6 年汽车问世以来的 1 2 0 多年里，全球已经有3 3 0 0 多万人死于车祸，有1 亿多人因此而伤残【l 】。据美国 国家交通安全管理局报道【2 1 ，2 0 0 3 年，美国的1 9 6 亿驾驶员总共拥有2 3 1 亿辆车， 造成了6 3 0 万起交通事故。其中死亡4 2 6 4 3 人，伤2 9 0 万人，因此造成的损失达到2 31 0 亿美元。汽车安全已成为人们生活中不可避免的话题。我国已经成为交通事故死 亡人数最高的国家之一。据中国国家统计局发布的资料显示，截止至u 2 0 0 6 年末， 中国民用汽车数量比上年末增长了1 5 2 ，达到近5 千万辆。中国私车市场也继续 保持着旺盛新增需求。 根据统计，我国的车祸数量占了全球的1 5 ，交通事故已经连续10 余年稳居 世界第一。根据中国汽车工业年鉴和公安部的统计，2 0 0 1 年至2 0 0 7 年全国交通事 故如表1 1 所示1 3 j 。 表1 12 0 0 1 2 0 0 7 年全国道路交通事故情况统计 2 0 0 8 年后，汽车制造厂商越来越意识到汽车安全的重要性，车辆事故的伤亡 损失有所降低。2 0 0 8 年，中国发生的道路交通事故一共有2 6 5 2 0 4 起，造成了7 3 5 万人死亡、3 0 5 万人受伤，直接财产损失达到1 0 1 亿元。2 0 0 9 年，中国发生的道 汽车正面碰撞中智能约束系统的仿真分析 路交通事故共2 3 8 3 5 1 起，造成了6 8 人死亡，2 7 5 万人受伤，直接财产损失9 1 亿 元，与往年相比，均有大幅度的下降。但是，在碰撞事故中的死亡率仍然远远高 于欧美、日本等汽车工业发达的国家。除了驾驶员的主观因素，汽车本身的碰撞 安全性也是一个很重要的原因。 汽车的安全性、节能性、环保性等方面的要求已经成为当前的汽车工程研究 领域中的研究热点。各个汽车制造商和汽车技术研究机构纷纷开展了关于汽车安 全性的专项研究，汽车安全性研究逐步从汽车技术的其他领域分离出来而成为一 个独立的分支。我国汽车被动安全性研究于8 0 年代后期才开始起步，较国外汽车 工业发达的国家晚了半个多世纪，所以相比国际先进技术水平还有一定的差距。 作为交通安全问题的重要内容之一，汽车约束系统得到越来越多的重视。随着我 国汽车领域自主研发水平的提高，被动安全领域也会得到相应地得到发展，会逐 步缩小与发达国家之间的差距。 1 2 课题研究背景 汽车碰撞主要分为汽车正面碰撞、汽车侧面碰撞、汽车后碰撞以及柱撞几方 面的内容，我们研究汽车碰撞的安全性也是从这几方面着手。在这些碰撞形式中， 正面碰撞占了约7 0 ，居于这几种碰撞形式之首。而且汽车正面碰撞给人们带来 的威胁也最大，在所有的汽车碰撞事故中，7 0 左右的死者丧生于正面碰撞。对 于汽车正面碰撞，我们通常使用1 0 0 重叠的正面碰撞、4 0 重叠的偏置碰撞以及 斜碰撞的试验形式来模拟。虽然跟实际交通事故的碰撞形式有一定的差异，但是 对于研究汽车的碰撞安全性还是有不错的效果。其中，那些高速的正面碰撞对人 身的威胁最为严重。为了减少交通事故对人们生命财产的威胁，我们应该重视汽 车正面碰撞的安全性的研究【4 】。 由于经济的发展，人们生活水平日益提高，驾驶已经不再是男性的专利。女 性驾驶员的数量不断增加，而且数量增加的速度不断地加快，从驾照考试中心就 能够观察出来。据有关部门统计，我国的女性驾驶员的数量已经超过了1 2 0 0 万。 截止至u 2 0 0 9 年1 2 月，北京市的驾驶员数量达到了5 6 5 5 万余名，其中女性驾驶员占 了3 5 。但是，由于女性驾驶员的数量不断增加以及女性驾驶员的心理及生理特 点，必不可免地导致了交通事故的增加和公民人身财产的威胁。所以研究汽车碰 撞安全的同时，女性驾驶员这个半边天是绝对不容忽视的。 表1 2 列出的数据是关于我国成年人的人体尺寸方面的。从表中我们可以很明 了地得出男性和女性之间的人体尺寸差异性。它所列出的包含1 6 岁到6 0 岁男性和 l8 岁n 5 5 岁的女性。他们的主要人体尺寸有身高、体重以及四肢长度。 2 硕士学位论文 身高( r a m ) 1 5 4 31 5 8 31 6 0 41 6 7 8 1 7 5 41 7 7 51 8 1 41 4 4 91 4 8 41 5 0 81 5 7 01 6 4 01 6 5 91 6 9 7 体重( k g ) 上臂长 ( m m ) 前臂长 ( m m ) 大腿长 ( m m ) 小腿长 ( m m ) 总体来看，成年男性身高比女性平均高1 0 厘米，臂长和腿长尺寸都大于女性。 在其他条件一样的情况下，由于个子矮小，许多女性开车上路座位调得离方向盘 要比男性近一些，身体几乎要接触到方向盘。这样，安全气囊还未完全展开的时 候就会与女性驾驶员的头胸部发生接触，从而会对驾驶员造成较大的损伤风险。 1 3 智能约束系统的发展动态 1 3 1 乘员约束系统带来的问题 安全气囊在保护乘员的同时，还有潜在的危害性，因为在安全气囊展开瞬间 时展开力比较大，当乘员坐姿离气囊组件非常近时将会造成很大的伤害。 1 9 7 2 年美国公路交通安全管理局开始汽车碰撞的专项调查( s c i ) ，1 9 9 1 年 s c i 证实了第一起涉及安全气囊的驾驶员死亡事故，1 9 9 3 年又证实了第一起涉及 安全气囊的儿童乘员死亡事故1 5 j 。 美国公路交通管理局得j o h nc k i n d e l b e r g e r 等【6 】统计了美国公路交通安全管 理局( n h t s a ) 在s c i 中2 0 0 3 年1 月的汽车碰撞数据，归纳得出：驾驶员受到的伤 害与安全气囊相对位置的直接影响，驾驶员的死亡有5 0 是因为胸腔伤害，4 3 是因为头颈部和脊椎的伤害，7 是因为这几项的综合原因；前排成年乘员主要死 亡原因是制动导致乘员过于靠近安全气囊，死因主要为头颈部和脊椎的伤害；前 排乘员受安全气囊的伤害与乘员的身材、体重、年龄等因素有关。在p r a s a d 等人 的研究中也有因安全气囊展开而导致乘员伤亡的结果【7 】【8 儿9 1 。 由此可见安全气囊的负面影响，为了减少这种危害，研究人员设计开发了智 汽车正面碰撞中智能约束系统的仿真分析 能乘员约束系统。 1 3 2 智能乘员约束系统的先进技术 智能乘员约束系统是指能够根据汽车的不同碰撞形式、不同的乘员类型以及 乘员乘坐的姿势，主动去采取相应的约束系统控制方法，从而是乘员保护达到最 佳效果的汽车乘员约束系统。所以智能乘员约束系统先要对汽车碰撞形态、乘员 的类型和乘员乘坐姿势进行判断，然后根据判断的结果来主动采取适当的措施。 其中，控制系统是整个智能乘员约束系统的核心，它相当于一个人的大脑，一切 改变由它决定。首先，控制系统判断输入的参量，然后根据这些参量的情况来确 定约束系统的约束值，从而达到一个最佳保护状态。 近年来，许多先进的约束系统技术应用在智能乘员约束系统中，其中的传感 器技术和智能安全气囊技术得到了飞速的发展。智能乘员约束系统的先进技术主 要包括【1 0 - 1 2 】： ( 1 ) 预紧器 预紧器的目的主要在于消除碰撞初始阶段由于乘员衣服松弛、织带的卷轴效 应以及卷收器的锁止距离等因素而产生的织带与乘员之间的相对松弛量，通过减 小乘员与车体之间的相对运动空间，从而提高对乘员胸腹部的保护效果。相关试 验结果表明：头部h i c 值和胸部3 m s 合成加速度与安全带的松弛量线性相关，因为 较大的松弛量会严重地增加乘员的二次碰撞强度，降低安全带的保护效果。 ( 2 ) 载荷限制器 载荷限制器可以根据碰撞情况来调整安全带的拉力，该装置通过拉力阙值来 触发信号，从而更好地保护乘员的胸部损伤。过大的胸部压力会对胸腔乃至心脏 和肺都造成致命的伤害。对于h y b r i di i i5 t h 百分位这种小身材女性乘员来说，由于 她们胸部载荷的生物力学极限比较低，会对胸部压力更加敏感【l3 1 。 ( 3 ) 智能充气式安全带 智能充气式安全带能够在汽车发生碰撞和翻滚时提前充气。 ( 4 ) 气体发生器技术 气体发生器技术为了降低因气囊展开造成乘员伤害的可能性。多级气体发生 器便是其中一种智能型安全模块。当根据控制系统根据输入参量激活一定级别， 多级气体发生器便接受到指令，在某一个级别下进行工作。当碰撞情况比较严重 的时候，它还可以在一次碰撞过程中两次激活，两次激活过程中有一定的时间差。 通过这样的设置，来满足不同碰撞条件对气囊的不同需求。 烟火控制的排气系统【1 4 l 是另一种智能安全模块，它通过一个烟火装置来控 入气囊内气体的质量，进而达到控制气囊充气速度的目的。它的原理是控制 排气孔的开关，当碰撞情况比较严重时，便关闭气囊排气孔，如果碰撞状况 4 硕士学位论文 比较轻，便开启气囊排气孔。 两者虽然手段不一样，但目的是一样的，都是为了更好地保护乘员。 ( 5 ) 座椅技术 座椅调节装置【”1 的原理是当预碰撞传感器判断得出碰撞不能避免的时候，将 座椅调节到最后的位置，从而使小个子乘员离安全气囊组件远一些，降低安全气 囊对小个子乘员的冲击，避免造成严重的伤害。目前，这方面的研究开展的时间 还很短，有待进一步研究。 ( 6 ) 传感技术 智能安全气囊能为乘员提供更全面的保护，它不仅能降低离位乘员的伤害风 险，还能让乘员在剧烈碰撞中避免严重伤害甚至死里逃生。在智能安全气囊的开 发过程中，有一个重要的组成部分便是传感器技术，它是控制系统的眼睛。只有 它正确地发现状况，控制系统才能准确地做出判断和决策。 预碰撞传感器主要采用雷达和可视成像技术，能够提供预警，提早点爆气囊。 碰撞严重程度传感器能够根据碰撞的加速度等其他参数测量出每一次碰撞的 严重程度，从而确定该使用哪一级别的约束系统参数。 安全带使用情况传感器能够测出乘员是否佩戴了安全带。如果乘员没有佩戴 安全带，那么当碰撞发生时，乘员的身体没有得到约束，便会加速冲向气囊组件， 这时，安全气囊的气体发生器应该在一个比较低的工作阙值处展开。避免由于相 对速度过大而导致乘员面部严重挫伤。 模式传感器能够判断出某个座位上是否有乘员，以及通过坐垫上的信息来判 断乘员的乘坐位置。它还能检测出是否有特殊的物体存在，比如儿童座椅。从而 决定安全气囊张开的能量级别。 座椅位置传感器能够检测出座椅在其轨道上上的位置。在碰撞发生时，如果 座椅位置比较靠前，安全气囊气体发生器的触发级别要相对低一些。当驾驶员身 高较矮时，为了更好地踩踏踏板，自然座位要靠前些，身高较高的驾驶员，座位 就要靠后些，可见研究座椅位置不同时的约束系统对于不同身材乘员的保护很有 意义。 乘员重量传感器能够测量出乘员的重量，根据乘员的重量来选择约束系统参 数合适的水平。 在此基础上发展起来的传感器有：压重传感器、电容传感器、电阻式称重传 感器、座位位置电位计、成像等传感技术。 1 3 3 智能乘员约束系统的控制过程 智能约束系统的开发是一个非常复杂的过程，在这个过程中需要大量的碰撞 试验和计算机仿真计算。控制系统是智能约束系统开发的关键，它通过压重传感 汽车正面碰撞中智能约束系统的仿真分析 器、电容传感器、电阻式称重传感器、座位位置电位计、成像等传感技术来选择 约束系统参数的水平。 目前的智能控制系统有很多种，有一种控制系统【l6 】是将碰撞的剧烈程度、乘 员是否使用安全带、座椅的位置等输入参数分成不同的等级，然后用试验和模拟 的方法来得到在不同碰撞条件下约束系统参数的约束水平。在实际碰撞中，智能 约束系统的控制系统根据碰撞剧烈程度、座椅位置等输入参数的等级来确定气囊 充气时间、气体质量流率、安全气囊排气孔直径、安全带限力器的限力水平以及 安全带预紧器的预紧量等参数的约束水平。这些参数彼此之间是相互影响的，所 不能通过改变其中某一个参数的水平来分析这个参数对这个约束系统的影响。那 么就需要通过控制算法来综合分析这些参数，从而得到最合适的约束系统参数的 综合匹配。这种系统的控制流程是：先通过传感器得出碰撞是否发生，来确定是 否启动安全带的预紧器，然后根据碰撞强度传感器的测量，确定安全带限力器的 限力水平以及是否应该点燃安全气囊的气体发生器。并通过这些输入参数的级别 采用插值来修正这个约束系统。还有一种控制系统【1 7 】是将系统的保护范围分成3 个部分。第一个部分提高对h y b r i di i i5 0 m 百分位乘员的保护，第二个部分提高对 h y b r i di i i5 t h 百分位乘员和h y b r i di i i9 5 m 百分位乘员的保护，第三个部分提高在极 限碰撞的情况下对乘员的保护。该系统的原理就是把整个约束系统当作一个外界 激励，通过调整它来起到调整系统响应，也就是乘员受到的载荷。通过改变激励， 即安全带和安全气囊的参数值，来最大限度减低乘员载荷，最好地保护乘员。 1 3 4 智能约束系统研究现状 美国国家公路管理局得r o np a c k 等【l8 】预碰撞传感器技术主要包含行人保护技 术、座椅调节技术、安全带预紧技术以及辅助紧急制动技术，其中安全带的预紧 已经得到了广泛的使用，但是座椅调节技术还并没得到使用。 美国公路交通安全管理局的a l o k ek p r a s a d 等【1 9 】采用3 岁、6 岁和1 0 岁的儿童 假人、h y b r i di i i5 t h 百分位假人，h y b r i di i i5 0 m 百分位假人和h y b r i di i i9 5 恤百分位 假人进行实验，分析了几种车型中儿童假人以及h y b r i d i i i5 t h 百分位假人非正常坐 姿的情况下气囊在不同时间展开时对乘员头颈部以及胸部的伤害的影响。 美国安全系统公司的h y u n s o kp a n g 等 2 0 】用m a d y m o 软件建立了仿真分析模 型，研究了正面碰撞传感器根据碰撞速度等因素确定二级指令( 适用于双级气体 发生器) 的控制策略。 戴姆勒克莱斯勒公司和宝马公司等【2 1 】【2 2 1 提出了在汽车碰撞发生之前通过调 硕士学位论文 戴姆勒克莱斯勒公司的罗兰巴赫曼研制出了“预安全系统 ，当驾驶员进行 紧急制动操作或者汽车侧向移动不正常的情况下，系统会自动采取措施来降低汽 车碰撞时乘员所受到的伤害【2 3 1 。 。 一 丰田公司的s t o k o r o 等【2 4 。2 5 】介绍了丰田公司的碰撞安全预紧系统( p c s ) ，该 系统装有安全带预张紧装置和辅助紧急制造装置。该系统是采用毫米雷达波来进 行探测，从而确定是否会发生碰撞。 我国天海电器集团公司的魏培敏等人研制出了新型的安全带提醒装置【2 6 1 。根 据中国汽车技术研究中心吴德旭等【2 7 1 的研究，装有安全带提醒装置一年可以降低 1 0 0 0 的死亡人数。 华中科技大学的汪学方等【2 8 1 通过利用单片机设计出了汽车安全气囊的智能控 制系统。 1 4 本文研究目的和主要内容 1 4 1 本文的研究目的 中国正面碰撞法规c m v d r2 9 4 关于正面碰撞乘员保护的设计规则自2 0 0 0 年4 月1 日起对新生产的m 1 类车( 总质量小于或者等于2 5 0 0 k g 的车辆) 实施，自2 0 0 2 年7 月1 日起，对所有m 1 类车实施。此法规主要是参照欧洲e c e r 9 4 法规起草的。 法规规定了碰撞速度为5 0 k m h ，碰撞形式为1 0 0 重叠的正面碰撞，碰撞角度为 9 0 度，即车辆运动方向与固定壁障垂直，试验中采用的假人是h y b r i di i i5 0 恤百分 位假人【2 引。 中国用c m v d r2 9 4