（光学工程专业论文）汽车正面碰撞乘员约束系统模型建立及乘员保护分析.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特另t l d n 以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包括为获得武汉理工大学或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签锄一”吼型羔尘 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部内容， 可以采用复印、缩印或其他复制手段保存论文。 研究生签名：堑 聊签妒 日期：型坚：也 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 2 0 1 0 年1 至6 月份，全国共发生道路交通事故9 9 2 8 2 起，造成2 7 2 7 0 人死 亡、11 6 9 8 2 人受伤，直接财产损失4 1 亿元。随着人们生活水平的提高，汽车已 经大量进入寻常百姓家，“汽车时代 已悄然来临，而与此同时，因汽车造成的 交通事故也成了人们关注的焦点。根据实际行车的不同，汽车发生碰撞事故的类 型也有千差万别。目前，常见的分类方式是：恪汽车的碰撞事故分为前部正面碰撞、 侧面碰撞、成一定角度碰撞、追尾碰撞以及侧翻等。国外有研究机构对大量的汽 车碰撞事故进行统计，研究表明，前部正面碰撞足最为常见的碰撞类型，并且占 到所有碰撞类型的5 0 以上，而在这类碰撞事故中受伤或死亡的乘员也占绝大多 数。 为降低意外交通事故的伤害，需要正确使用汽车乘员约束系统，研究表明， 在各种类型的碰撞事故中，j 下确使用约束系统能够减缓碰撞对人体的伤害，给乘 员提供有效的保护。目前，人们已经意识到乘员约束系统的重要性，而越来越多 的国内的汽车厂商也开始着手汽车乘员约束系统的研究。国外的汽车公司对汽车 乘员约束的研究比我国起步早，并且开发出一些软件对乘员约束系统进行开发和 评价，而运用得较多的为t n o 公司的m a d y m o ，m a d y m o 作为- t 0 重要的 设计分析手段，可以设计出不同的乘员保护方案，并且对这些方案的保护效果进 行分析比较，该软件运用到乘员约束系统的开发中，可以减少试验次数、缩短开 发周期、降低开发成本。 汽车乘员约束系统包括安全带、座椅、安全气囊等方面，为提高约束系统对 乘员的保护性能，需要以整个安全系统为研究目标，对安全带、安全气囊进行协 调、匹配，以使其发挥最大的保护功效。本文以某轿车为例，利用m a d y m o 软件进行建模仿真，建立了汽车正面碰撞驾驶员约束系统模型，包括 h v b r i di i i5 0 t h 假人多刚体模型、汽车驾驶室和座椅的平面模型、安全带的有限 元模型、以及安全气囊模型，通过仿真计算，对仿真结果和假人的动力学响应进 行分析。同时分析约束系统中各参数对驾驶员的动力学响应的影响，并对各参数 进行灵敏度分析。这些参数包括：安全带的织带刚度和安装方式、安全气囊的 点火时刻、气流率、气囊直径和排气孔直径大小。对表现灵敏的参数利用正交 试验的方法设计试验，并应用极差分析的方法处理试验数据，得到参数的最优 组合，更改参数后的模型与原模型比较，约束系统安全性能提升明显。 关键词：汽车正面碰撞；约束系统；m a d y m o ；仿真 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t f r o mj a n u a r y2 0 1 0t oj u n e2 0 1 0 ，t h e r ew e r e9 9 ，2 8 2r o a dt r a f f i ca c c i d e n t s ，i n w h i c h2 7 ，2 7 0p e o p l e sw e r ek i l l e da n d116 ，9 8 2i n j u r e d ，t h ed i r e c t l yl o s so fc h i n a h a dr e a c h e d41m i l l i o ny u a n w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs o c i e t y , m o s to r d i n a r yp e o p l e c a nb u yt h ec a r , ，“a u t oe r a ”h a sq u i e t l yc o m e m e a n w h i l e ，t h et r a f f i ca c c i d e n th a s b e c o m et h ef o c u so fa t t e n t i o n a sw ea l lk n o w ，t h e r ea r es e v e r a lt y p e so fc o l l i s i o ni n d r i v i n g ，f r o n ti m p a c t ，s i d ei m p a c t ，a n g l e di m p a c t ，r e a r - e n di m p a c ta n d r o l le t c o v e r s e a ss t u d i e ss h o w e dt h a tf r o n ti m p a c ta c c o u n t e df o ro v e r5 0p e r c e n t ， a n dm o s t o c c u p a n tp e o p l eh a db e e ni n j u r e do rk i l l e di nt h i si m p a c t i no r d e rt or e d u c et h ea c c i d e n t a li n j u r i e s ，w en e e dt ou s eo c c u p a n tr e s t r a i n ts y s t e m p r o p e r l y s t u d i e sh a v es h o w nt h a tp r o p e ru s eo fc a ro c c u p a n tr e s t r a i n ts y s t e mc a n p r o v i d ee f f e c t i v ep r o t e c t i o n n o w a d a y s ，p e o p l eh a v er e a l i z e dt h ei m p o r t a n c eo ft h e s y s t e ma n db e g u nt od os o m er e s e a r c ha b o u ti t c o m p a r e dw i t hs o m ed o m e s t i ca u t o m a n u f a c t u r e r s ，t h er e s e a r c ha b o u tc a ro c c u p a n tr e s t r a i n ts y s t e mi nf o r e i g nc o m p a n i e s i n i t i a l e de a r l i e r t h e yh a v ed e v e l o p e ds o m es o f t w a r et o e v a l u a t ea n dd e v e l o p o c c u p a n tr e s t r a i n ts y s t e m a sas i g n i f i c a n td e s i g na n a l y s i sm e t h o du s e di nd e v e l o p i n g o c c u p a n tr e s t r a i n ts y s t e m s ， m a d y m oc a nr e m a r k a b l yr e d u c et h en u m b e ro fr e a l e x p e r i m e n t s ，c u tt h ec o s ta n ds h o r t e n t h ed e v e l o p m e n tp r o c e s s c a ro c c u p a n tr e s t r a i n ts y s t e mc o n s i s ta i r b a g ，s e a tb e l t ，s e a t ，e t c w et a k et h ew h o l e s y s t e ma sat a r g e t i n o r d e rt ow o r kb e s t ，w en e e dt oc o o r d i n a t e ，m a t c hs o m e p a r a m e t e r so f t h er e s t r a i n ts y s t e m t h ep a p e rt a k e sav e h i c l ea sa ne x a m p l ea n db u i l d s t h em o d e lo fd r i v e rr e s t r a i n ts y s t e m s ，w h i c hi n c l u d e sv e h i c l e ，s e a tb e l t ，a i rb a ga n d h y b r i di i id u m m y t h ep a p e ra n a l y z e st h ed y n a m i cr e s p o n s eo ft h ed r i v e ri nf r o n t i m p a c t a n dt h es e n s i t i v i t yo ft h ep a r a m e t e r so ft h er e s t r a i n ts y s t e m i no r d e rt o i m p r o v et h ep a r a m e t e r so f t h er e s t r a i n ts y s t e ma n dr e d u c et h ei n j u r yo ft h ed r i v e r ，t h e p a p e ru s et h et h e o r yo fo r t h o g o n a la n dr a f t e rc o o r d i n a t es o m ep a r a m e t e r s ，t h e p e r f o r m a n c eo fo c c u p a n tr e s t r a i n ts y s t e mh a ss i g n i f i c a n t l yi m p r o v e d k e yw o r d s ：f r o n ti m p a c t ，r e s t r a i n ts y s t e m ，m a d y m o ，v e h i c l e s a f e t y i i 武汉理1 = 人学硕士学位论文 - 、 日汞 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论1 1 1 课题研究背景及意义1 1 2 研究的目的、内容和方法1 1 2 1 研究目的l 1 2 2 主要研究内容1 1 2 3 研究方法及路线3 第2 章汽车正面碰撞技术法规及乘员伤害评价一4 2 1 乘员伤害评价4 2 2 汽车正面碰撞技术法规5 2 3 我国汽车正面碰撞技术法规试验研究6 2 3 1 试验要求6 2 3 2 试验方法7 2 4 本章小结9 第3 章汽车乘员约束系统的研究方法1 0 3 1 试验研究1 0 3 1 1 志愿者试验1 0 3 1 2 尸体试验1 0 3 1 3 动物试验1 1 3 1 4 假人试验11 3 2 碰撞仿真分析研究1 2 3 3 汽车碰撞的模拟理论基础1 3 3 3 1 多刚体动力学法”1 4 3 3 2 有限元方法的基本理论1 4 3 4 本章小结1 5 第4 章汽车正面碰撞模型的建立及乘员动力学响应的验证1 6 4 1 车体模型16 4 2 乘员模型1 7 4 3 安全带模型1 8 4 3 1 安全带的作用1 8 4 3 2 安全带的由来及发展1 8 4 3 3 安全带的建模2 0 4 4 气囊模型2 2 4 4 1 安全气囊的作用2 2 4 4 2 汽车安全气囊的发展2 2 4 4 3 气囊模型的建立2 3 4 5 接触定义2 5 4 6 仿真模型的验证2 6 4 7 本章小结2 9 i l i 武汉理1 二人学硕士学位论文 第5 章系统参数灵敏度分析及参数改进3 0 5 1 系统参数的灵敏度分析3 0 5 2 系统参数的改进3 4 5 2 1 试验优化设计3 4 5 2 2 正交试验的设计方法3 4 5 2 3 级差分析法3 6 5 2 4 系统参数的改进3 7 5 3 本章小结4 1 总结与展望4 2 参考文献4 3 攻读学位期间发表的论文4 6 致谢4 7 i v 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究背景及意义 随着人们生活水平的提高，汽车已经大量进入寻常百姓家，“汽车时代”已 悄然来临，而与此同时，汽车安全也成了人们关注的焦点。汽车安全分为主动安 全和被动安全，汽车主动安全是指防止、预防汽车发生交通事故的性能，如汽车 上的a b s 、e b d 、大灯等。汽车的被动安全是指当交通事故不可避免的发生时， 车辆本身具有保护乘员、行人不受伤亡或将伤亡降低到最小的性能，如汽车车身、 安全带、安全气囊。 从1 8 9 8 年2 月在英国伦敦到布里奇顿的路上，一位名叫亨利林德菲尔德的 人成为第一个驾车身亡的人开始，迄今为止，世界上已经有2 0 0 0 多万人死在路 上，而且每年这个数字都还在数十万计地累加。据统计，全世界每年有约1 2 0 万 人因道路交通事故死亡，有约5 0 0 0 万人因道路交通事故而终身残疾。世界卫生 组织( w h o ) 估计，每年因道路交通事故而造成的经济损失高达5 1 8 0 亿美元， 占全世界生产总值的1 - - - 2 。世界卫生组织还指出，到2 0 2 0 年，全世界每年 因交通事故致残和死亡人数还将增加6 5 以上山。囚道路交通事故所造成人员和 财产的损失，引起了各国的高度重视，汽车安全性问题也成了人们关注的焦点。 根据实际行车的不同，汽车发生碰撞事故的类型也有千差万别。目前，常见 的分类方式是将汽车的碰撞事故分为前部正面碰撞、侧面碰撞、成一定角度碰撞、 追尾碰撞以及侧翻等。国外有研究机构对大量的汽车碰撞事故进行统计，研究表 明，前部正面碰撞是最为常见的碰撞类型，并且占到所有碰撞类型的5 0 以上， 而在这类碰撞事故中受伤或死亡的乘员也占绝大多数。因此，对车辆的j 下面碰撞 进行研究分析，以此提出提高安全性能的方案就显得尤为重要。 1 2研究的目的、内容和方法 1 2 1 研究目的 本课题以某轿车为例，在m a d y m o 软件中建立汽车正面碰撞驾驶员约束 系统模型，对驾驶员模型在正面碰撞中的动力学响应进行分析，并将仿真结果与 采集的试验数据进行比较验证，通过此为以后约束系统的开发及改进提供有效的 工具，以减少实车试验，降低成本。 1 2 2 主要研究内容 1 武汉理工人学硕士学位论文 一般来说，汽车在遭遇碰撞时，会有三次碰撞发生，第一次碰撞即汽车撞上 障碍物；第二次碰撞由于车体的减速，而人的身体由于惯性会继续向前，这时， 人的身体会和汽车产生碰撞；第三次碰撞是体内的器官继续向前运动，撞上体腔 的内壁，如心脏在胸腔内壁上撞破，大脑在颅骨内撞碎。 按照汽车的碰撞过程，汽车的被动安全性的研究主要有车体结构抗撞性、乘 员的约束系统的研究及碰撞生物力学等方面团。 汽车在发生碰撞时，会产生巨大的能量，这时，就需要车身变形对碰撞能量 进行吸收，从而迅速衰减能量，使传递给车内乘员的能量降低，从而减少乘员的 伤害。但同时也要保证驾驶室的变形减少，以保证乘员的生存空间，并且车门能 自由打开，以保证乘员能顺利逃生。因此，车体结构抗撞性主要研究两个方面： 一是在碰撞过程中，保证车身对碰撞能量的吸收。二是在碰撞后，保证乘员的生 存空间。因而，在车体结构的设计上，车体的前部就需要车身充分的变形以吸收 碰撞能量，在与此同时，驾驶室的变形要减少到最低限度，以保证驾驶员的生存 空间。为达到车身结构的安全性设计，一些高端车开始采用可变刚度的车身，即 通过改变固定在保险横杠的两条纵梁内壁的钢板的厚度来实现，越靠近车体的前 端越薄，越靠近驾驶舱越厚。 碰撞生物力学也称为损伤生物力学( i m p a c ti n j u r yb i o m e c h a n i c s ) ，它主要研究 的是人体组织或器官在冲击过程中的损伤机理及其防护。我们也可以称碰撞生物 力学是一l - j 损伤防止与控制的科学，它主要研究的是通过环境的改善，从而使人 体损伤的程度和可能性降至最低。在碰撞事故中，人体处于机械冲击载荷的环境， 因此，研究人体的损伤理论、损伤类型、身体各部位的损伤机理和耐受限度等方 面，对汽车被动安全的研究具有重要的意义。故该学科对车体碰撞中人体的损伤 和保护具有重要的指导作用。 汽车乘员约束系统是汽车被动安全性领域内的主要研究内容之一。汽车乘员 约束系统主要包括安全带、安全气囊、座椅、仪表板、方向盘及转向柱等。如果 没有汽车乘员约束系统，在汽车遭遇碰撞事故时，车内乘员极有可能在巨大的惯 性作用下产生二次碰撞，甚至有被甩出车外的危险。因而，目前约束系统的研究 主要几种在安全气囊、座椅、安全带上，并对其进行协调和匹配，达到最优的约 束性能，以更好的保护乘员，达到降低乘员伤害的目的。 本文主要研究乘员正面碰撞中的乘员约束系统。主要的研究内容： 在m a d y m o 软件平台上，建立了某轿车正面碰撞驾驶员动力学分析 的多刚体模型，包括h y b r i di i i5 0 t h 假人多刚体模型、汽车驾驶室和座椅的 平面模型、安全带的有限元模型、以及安全气囊模型； 分析在正碰情况下，驾驶员的动力学响应。模型输出参数包括驾驶员 头部、胸部和髋部加速度，下肢的受力及头部、胸部、腿部伤害值； 2 武汉理工大学硕+ 学位论文 对比试验数据，对仿真模型进行有效性验证； 分析约束系统中各参数对驾驶员的动力学响应的影响，对模型进行参 数的灵敏度分析； 对反映灵敏的各约束系统参数进行改进，从而将驾驶员的伤害值降至 最低。 1 2 3 研究方法及路线 采用计算机仿真结合试验验证的方法，在m a d y m o 软件平台上，建立了 汽车证面碰撞驾驶员动力学分析的多刚体仿真模型，运用该模型在m a d y m o 中进行仿真分析和各约束参数改进，具体研究路线图如1 1 所示。 图卜1 研究路线图 3 武汉理工火学硕士学位论文 第2 章汽车正面碰撞技术法规及 乘员伤害评价 为了提高汽车产品的安全性，很多国家都制定了实车碰撞试验法规，所有的新 车在上市前都要进行相应的试验，这些汽车碰撞安全法规中比较有代表性的是美国 的t 陕- y g 机动车安全法规( f m v s s ) 和i 欧洲法规( e c e 和e e c ) 脚，其他的一些国家大多是 参照这两个法规体系制定的，法规检验中的核心内容是关于乘员保护指标的规定。 2 1 乘员伤害评价 乘员在碰撞过程中所受到的伤害程度，已经成为评定汽车安全性的标准。而在 目前的汽车碰撞试验中，我们只能获得力、位移、速度和加速度等参数，而通过建 立基于这些参数上的伤害准则，有助于对汽车的安全性能进行评价，以下关于头部、 胸部、腿部的伤害指标分别以加速度、位移、力描述凹： 1 、头部伤害指标( h i c - - h e a di n j u r yc r i t e r i o n ) 厂1 - 1 2 5 h i c = 佻m 怄a 哪xe l 击i t 2 r ( t ) mi ( t 2 - t 1 ) ( 2 - 1 ) 式中jr ( t ) - - t o _ t _ t e 期间，头部质心处的合成线性加速度( g ) ； 一碰撞起始时间； 珏一碰撞终止时间； t ，z 广使h i c 达到最大值的时间段的起始和终止时间。 h i c 已经成为国际上通用的用来评价头部伤害的指标，从式( 2 1 ) 可知，h i c 受时间间隔阮t ，) 的影响，一般将化一t ，) 的最大值定位3 6 m s ，基于该时间间隔对h i c 的巨大影响，最近，这个时问问隔被建议进一步减少至1 6 m s 。 2 、胸部3 毫秒准则( 3 m s ) 指人体胸部受伤的最大程度，指在3 m s 或更长的时间内，作用在人体胸部重心 处的线性加速度不大于6 0 9 。 3 、胸部压缩量( t h p c t h o r a xp e r f o r m a n c ec r i t e r i a ) 它表明了胸部骨折的情况，胸部压缩量对躯干和肋骨的最大压缩量进行了定义。 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 ) 通过作用于大腿骨上的轴向力来进行评价，大腿骨准则用于评价碰撞对大腿骨 4 武汉理工人学硕士学位论文 的伤害程度 5 、完全伤害评价 完全伤害评价是从约束系统的整体性能出发，充分考虑上述各伤害值对人体的 影响，完全伤害评价的提出是在1 9 9 0 年由美国通用公司的v i a n o 和a r e p a l l y 引入的， 采用了加权的方法将各项伤害指标进行融合，从而得出一个全面的评价乘员伤害的 参数。w i c 的计算公式如下： 眦一o6(需)+035(等+-ccomp，20+005(一stfemur+frf。em000 00 7 6 2 1 脚o i 1 6 0 一叫 口 7 ( 2 2 ) 式中：h i c 3 r 头部伤害准则的数值； c 3 m s - 胸部3 m s 准则的数值，单位为g ； c c o m p 一胸部压缩量，单位为m ； 磅”一左大腿骨最大轴向力，单位为k n ； 磁”一右大腿骨最大轴向力，单位为k n 。 该公式中的权系数是通过对大量的事故进行统计分析而得到的，而权系数的大 小则反映了这种伤害类型的重要程度。 2 2 汽车正面碰撞技术法规 为了提高汽车的安全性，各个政府部门都会制定相应的汽车法规，而这些法规 正是进行汽车产品开发和设计的依据。目前，各个国家的汽车碰撞法规很多方面是 通过由假人测得的伤害指标来体现的，所以解读这些数据，对汽车产品的开发，特 别是约束系统的开发具有很重要的意义。 目前，汽车碰撞安全法规中比较有代表性的是美国的联邦机动车安全法规 ( f m v s s ) * 口欧洲法规( e c e 和e e c ) 盥，基于美国和欧洲的汽车法规起步早，并且已经 发展得比较完善，其它大多数国家均参照这两个法规体系制定相应的汽车碰撞安全 法规。而对于汽车正面碰撞技术法规，美国f m v s s2 0 8 实施得最早，欧洲虽进行实 车碰撞试验研究较早，但直到1 9 9 5 年才强制实施正面碰撞法规e c er 9 4 。我国于 19 9 9 年1o 月2 8 日正式颁布了c m v d r2 9 4 ( c h i n am o t o rv e h i c l ed e s i g nr u l e ) 标准 脚阻。并于2 0 0 3 年制定了乘用车j 下面碰撞的乘员保护( g b t 11 5 5 1 2 0 0 3 ) 代替 f g b t 1 1 5 5 1 1 9 8 9 ) 。各国的汽车j 下面碰撞技术法规都对法规的试验方法和评价指标 进行了明确的说明，不仅包括碰撞速度、车辆质量状态、乘坐假人的数量、假人的 质量，对固定障碍壁的几何形状及质量，以及被试车辆与固定障碍壁的位置关系都 有详细明确的规定。 5 武汉理工大学硕士学位论文 表1 1 、各国汽车正面碰撞法规试验方法及评价指标 法规号f m v s s 2 0 8 ( 美国)e c er 9 4 0 1 ( 欧洲)c m v d r 2 9 4 ( 中国) 适用车辆轿车轿车 轿车 碰撞形式j 下面或成3 0 度可变形吸能壁障4 0 偏置 j 下面 碰撞车速 4 8 3 k m h5 6 k m h 4 8 5 0 k m h 车辆质景空车+ 行李+ 假人空车+ 假人( 3 个) + 测试空车+ 假人( 3 个) ( 2 个) 系统( 3 6 k g ) 损头部h i c 1 0 0 0 ( 3 6 m sh i c 1 0 0 0 ( 1 5 m s 间隔以h i c 1 0 0 0 ( 3 6 m s 间 伤 间隔以内)内)隔以内 评胸部 a 3 m s 6 0 9 a 3 m s 6 0 9a 3 m s 6 0 9 价 7 6 2 m m配备自动安全带的车辆 7 5 m m 指_ 5 0 m m ；气囊加普通安全 标带的车辆 6 5 m m 腿部s 1 0 k n 9 k n 茎1 0 k n 2 3 我国汽车正面碰撞技术法规试验研究 我国自1 9 9 9 年出台汽车正面碰撞法规后，相关法规一直在不断完善中，于2 0 0 3 年制定了乘用车正面碰撞的乘员保护( g b t 1 1 5 5 1 2 0 0 3 ) 代替( g b t 1 1 5 5 1 1 9 8 9 ) 。该标 准规定了车辆正面碰撞时前排外侧座椅乘员保护方面的技术要求和试验方法。 2 3 1 试验要求 在该标准中需使用三维“h ”点装置，该装置被称之为( 3 d h 装置) t h r e e d i m e n s i o n a l h p o i n tm a c h i n e ，该标准规定每个座椅的”h ”点应按照所规定的程序进行确定。前排 乘坐位置的安全带应满足g b l 4 1 6 6 的要求，而安全带的固定点需符合g b l 4 1 6 7 。 该标准对于处于前排外测的座位的假人的伤害指标进行了详细的规定，该规定 主要包括头部、胸部、大腿的一些性能指标，采用国际通用的评价方式，即头部性 能指标( h p c ) 应小于或等于1 0 0 0 。胸部性能指标( t h p c ) 应小于或等于7 5 m m 。 大腿性能指标( f p c ) 应小于或等于1 0 k n 。 同时，该标准对碰撞中和碰撞结束后，车辆的状态也进行了详细的规定。要求 在碰撞过程中，为防止乘员受到外部物体的侵袭和乘员被抛出车外，车门不得开启。 碰撞结束后，为方便乘员逃生，应能保证乘员的约束系统能被打开，如果乘员的约 束系统发生了锁止，应保证施加在松脱位置上的力不超过6 0 n ，并保证约束系统最 终能被打开，对于座位边的车门，应至少能保证有一个门能够打开。 燃油系统的泄漏量也是碰撞法规关注的，该标准对碰撞过程中和碰撞结束后燃 油系统的泄漏进行了明确的说明，在碰撞过程中，不允许发生燃油供给系统泄漏的 现象。碰撞结束后，如果燃油供给系统存在液体连续泄漏，则要求在碰撞后前5 m i n 6 武汉理工大学硕士学位论文 平均泄漏的速率不得超过3 0 9 m i n ，如果在碰撞结束后，除了燃油供给系统，发现其 他系统的液体也发生了泄漏，并且在不容易分辨不同液体的情况下，应该所收集的 全部液体记录在内。 2 3 2 试验方法 该标准对汽车碰撞的试验设施的要求及车辆准备状态进行了详细的说明。汽车 碰撞试验场应包括跑道、壁障以及一些必需的技术设施。同时，对壁障的技术要求 也进行了详细的规定，壁障的几何尺寸大于3 m 1 5 m ，壁障的质量大于7 x 1 0 4 k g ， 对壁障的宽度和高度进行了几何尺寸的规定，即前部宽度不小于3 m ，高度不小于 1 5 m ，而壁障的厚度是通过质量来要求的。应保证壁障前表面铅垂，车辆直线行驶 方向与壁障的法线成o o 夹角。可以使用辅助定位装置将壁障固定在地面上，以保障 壁障的法线与车辆直线行驶方向完全垂直，且壁障表面应覆以2 c m 厚且状态良好的 胶合板( 见图2 2 ) 。 对于车辆的准备状态规定如下：试验车辆应安装所有的必备装置，能反映试验 车辆的产品特征。在不影响测量结果的前提下，可以用一些质量代替物替代一些零 部件，如对于制动、冷却系统的液体应排空，并以相应的质量补偿其排出的液体， 而对于一些需要装配在车上的测量工具而引起的车辆质量增加，可以通过减少汽车 的一些对测量结果无明显影响附件的质量进行补偿。 对于车辆上可调节的部位规定如下：如果生产厂家对转向盘的位置有规定的， 转向盘应按要求调节到厂家所规定的位置。如无此规定，应调节到可调范围的中间 位置。对于试验车上可活动的玻璃，均应处于关闭状态，如为方便试验测量，需放 下活动玻璃的，须经生产厂家同意，但须确保操纵手柄的位置相当于玻璃关闭时所 处的位置。所有的踏板应均处于放松位置。变速杆应处于空档位置。车门应关闭但 不锁止。对于那些具备可拆式车顶或安装有活动车顶的试验车辆，应保证该车顶关 闭并处于应在的位置状态，如为方便试验测量，需打开活动车顶的，须经生产厂家 同意。试验车辆的内后视镜应处于可正常使用的位置。遮阳板应处于收起位置。同 时，该规定对座椅的调节也进行了说明，如果前后座椅扶手可移动，则应处于放下 位置，但受到车内假人的限制的除外。如座椅采用的是高度可调节的头枕，头枕应 处于最高位置。 该标准对前排座椅位置的调节进行了详尽的说明，对于纵向可调节的座椅，应 使其“h ”点位于行程的中间位置或者最接近于中间位置的锁止位置，同时对于高度可 调的座椅，试验时座椅的高度应处于厂家所规矩的高度。对于某些试验车辆后排所 使用的长条座椅，应以驾驶员位置的”h ”点为基准。如果出现如下情况，需对座椅进 7 武汉理t 入学硕士学位论文 行调节，即假人不能够正确的安放在试验车辆内，并且驾驶员座椅或前排乘客座椅 的设计“h ，点( x l ，z 1 ) 符合下式( 即该点落在图2 3 直线a 的左侧区域内) ，这时， 需对座椅进行调节，直到假人可以正确的安放，使该设计“h ”点位于图2 3 中平面坐 标系直线a 的右侧且尽可能地接近直线a 。 x ( 1 6 7 0 - z ) 1 9 4 ( 2 3 ) 式中： x _ 一通过加速踏板表面设计中心，并且垂直于车辆纵向中央平而的水平直线 与设计”h ”点问在前后方向上的水平距离，单位为毫米( m m ) 。 z _ 一通过加速踏板表面设计中心，并且垂直于车辆纵向中央平面的水平直线与 设计”h ”点问在上下方向上的垂直距离，单位为毫米( m m ) 。 勃谴膪 袭懈中 图2 3 座椅调节判断图 如试验座椅靠背可调，应对座椅靠背进行调节，如厂家对靠背倾角有规定的， 应使坐在座椅上假人的躯干倾角尽量接近厂家所规定的正常使用角度，如厂商没有 相关规定的，应调节到从铅垂面向后倾斜2 5 角的位置。对于后排座椅的靠背的调节， 如后排座椅或长条座椅可调，应将该座椅调节到处于最后的位置。 该标准对假人的安放也进行了明确。在前排外侧座椅上均需要安放假人，假人 需符合h y b r i d l i i 技术要求，并要求将假人按照相关要求进行调整，并且需对假人安 放测量设备及装置。对于某些试验车辆，可在在驾驶员座椅之后的那个后排座椅上， 安放一个假人，该假人需符合h y b n di i 技术要求的，但不必安放测量设备及装置， 也不用对假人坐姿进行调整。如果有些试验车辆的后排两侧座椅装备了三点式安全 带，且该安全带符合g b l 4 1 6 6 标准，安全带的固定点符合g b l 4 1 6 7 标准，则无需在 驾驶员之后的那个后排座椅上不必安放假人。 同时，对试验车速，及车辆的驱动也进行了说明，由于试验车辆的油箱所注入 的是水，并且为了安全试验，要求车辆不得依靠自身的动力驱动，为保证试验的真 实有效性，在碰撞瞬间，应不再有任何驱动装置施加在车辆上，以保证试验结果不 受影响，规定所要求的最低试验车速是4 8 k m h ，如在高于此车速下进行试验，并且 试验结果符合要求，也认为试验合格。 由于该规定对假人的伤害标准进行了规定，该标准试验数据的记录与处理也进 8 武汉理下大学硕+ 学位论文 行了确定。不同的参数应通过具备下列c f c ( 通道的频率等级) 的独立数据通道来 记录。重心处的加速度( a ) 由加速度的三维分量计算得出。加速度分量测量时，c f c 为1 0 0 0 。胸部变形测量时，c f c 为1 8 0 。轴向压缩力测量时，c f c 为6 0 0 。车身减 速度的时间历程应以车辆驾驶员侧“b f i 柱下端的纵向加速度传感器的读数为基础确 定，采用c f c 为18 0 的数据通道。 2 4 本章小结 本章介绍了评价乘员伤害的主要指标，如头部、胸部、腿部以及完全伤害评估值 w i c 。并对汽车证面碰撞技术法规进行了简要的介绍，同时，对我国汽车j 下面碰撞 的技术法规中的试验要求及试验方法进行了阐述。 9 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章汽车乘员约束系统的研究方法 目前，以提高汽车乘员约束系统的整体性能为目标，而根据其研究顺序的不同， 把对汽车乘员约束系统研究的方法分为两类，第一种研究方法称为正问题，它的研 究顺序是从部分到整体，即从约束系统的每个参数到整个汽车乘员约束系统，从研 究每个参数对系统性能的影响入手，通过修改相关参数使之达到预期的系统性能指 标。第二种研究方法称为逆问题，它的研究顺序是从整体到部分，从整个系统性能 到系统中的每一个参数，即为了达到汽车的安全性能，先对约束系统的性能指标进 行确定，然后对系统的每个参数进行选择确定。随着汽车市场的蓬勃发展，人们对 汽车安全性能的关注程度也越来越高，“购买更加安全的车”几乎是所有消费者的共 识，为满足消费者者对安全越来越高的要求，并且提高开发速度，抢占先机，很多 生产厂商开始采用“逆问题”的研究方法开展汽车乘员约束系统的研究工作。 3 1试验研究 试验指已知某种事物的时候，为了了解它的性能或者结果而进行的试用操作。 试验法是一种验证方法，它具有最直接、最客观的特点，是最早采用并且应用时间 最长的一种研究方法，其直接、客观的特点，是其它方法所无法取代的，对于汽车 安全性能的研究，今后也将会一直采用试验法。汽车碰撞试验的目的是通过再现实 际道路上的车辆碰撞事故，以对其安全性能进行研究和评估，从中找出设计中存在 的不足或缺陷，以此来确定需要改进的目标或方向。因此，试验法对于汽车约束系 统的设计与改进，是一种非常有效的方法。 3 1 1 志愿者试验 用人类志愿者做碰撞试验是最真实、最客观的一种试验方法，但需确保志愿者 的安全，志愿者在模拟碰撞中不得发生任何损伤，故利用志愿者进行碰撞试验受到 很多条件的制约，需要遵守严格的试验制度和规范，在确保志愿者没有发生损伤的 前提下，通过志愿者试验，可以积累很多试验数据，该数据对假人的丌发和人体数 学模型具有很重要的作用。同时，由于志愿者不能在产生损伤的情况下做试验，故 对于试验的开展又具备一定的局限性。另外，由于开展试验的样本为人类本身，此 类试验难以开展。 3 1 2 尸体试验 人类尸体试验的保真性仅次于志愿者试验，人类尸体试验义称p m h s t ( p a s t 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 m o r t a lh u m a ns u b j e c tt e s 0 ，尸体试验主要用于人体损伤力学的研究，也属于碰撞试 验研究的一种，数据对假人和人体数学模型的开发和验证具有很重要的作用。最初 替代人体进行损伤生物力学研究的就是人类尸体。美国最大的汽车生产商通用 汽车公司也曾公开承认，为了保证汽车碰撞检测试验的最大逼真性，在汽车碰撞试 验过程中使用死人尸体。从人类学的角度来说，p m h s t 的材料与活人是完全相同的， 但死亡间隔时间以及对p m h s t 试样的制作准备技术会影响试验结果，一般的尸体 碰撞试验，都会在样本的肺部充气并靠注射维持血压，虽p m h s t 试验对是否产生 损伤无任何要求，但是试验样本毕竟还是存在一定的差异。而且样品的存储与运输 存在一定的限制，故尸体试验仍存在一定的局限性。 3 1 3 动物试验 除了志愿者和尸体试验之外，也有些采用动物试验，即用动物代替人体进行试 验，动物主要是猪和灵长类动物，这些试验多用于进行损伤研究，从而获得一些脑 组织、脊柱等特殊部位的数据。但利用动物进行试验，也存在很大的不足，动物和 人体在结构、尺寸、形状上差别很大，故所得到的试验数据仅具有借鉴性，但并不 能客观地反映人体的真实损伤机理，再则，由于各类动物保护组织的兴起，利用动 物进行碰撞试验也受到了限制。 3 1 4 假人试验 、 进行汽车碰撞试验的目的是为了检测在碰撞过程中汽车对乘员的保护能力，而 由于前面所介绍的各类试验的不足，在大量的志愿者试验、尸体试验、动物试验所 的试验数据的基础上开发出了试验假人。碰撞实验用假人模型也称为机械假人模型 或拟人试验装置( a t d s a n t h r o p o m o r p h i ct e s td e v i c e s ) 。 人类利用假人进行试验已有6 0 多年的历史，1 9 4 8 年美国空军首次使用人模做 飞机座椅弹出试验，1 9 5 0 年汽车制造商开始为碰撞试验丌发假人，1 9 7 3 年通用汽车 公司研制了更好的假人h y b r i di i ，上世纪9 0 年代，又开发出了h y b r i d l l i ，侧碰 e u r o s i d 和u s s i d ，追尾b i o r i d 等各种假人。 目前，目前世界各国汽车安全性评价主要依赖于假人模型，各大汽车厂商也加 大了对假人的研究和开发，沃尔沃汽车公司碰撞测试的一组假人家族就有1 9 名主要 成员构成，其中有8 名“成人”和1 1 名“儿童”，最小的一名“婴儿”仅有3 公斤重。而 根据配置和用途的不同以及把各种撞车场景、各个年龄段和各种体型的人群都考虑 在内，沃尔沃汽车公司一共开发了1 0 0 多个碰撞假人。 假人的造价非常昂贵，一个假人就价值3 0 多万人民币。如果加上装在假人的头、 颈、胸、腿等地方的加速、位移、力等2 0 0 多个大大小小的传感器价值就达到了1 0 0 多万。而在对车辆的安全保护装置进行设计和匹配中，需要进行许多的碰撞试验， 武汉理_ t 大学硕十学位论文 故假人的可修复性就显得尤其重要，一般来说，但经过修复，每个假人都可以经历 几百次试验。 由于试验法直观客观性，具有其它方法无法比拟的优点，从一款车型的开发到 最终上市，需要进行很多的试验。在很多试验中，由于是破坏性试验，很多产品只 能使用一次，这无疑增加了试验成本，而且试验法需要人员、设备、场地各方面的 协调与准备，因此试验法的周期比较长。 随着计算机技术的发展，为削减成本、缩短周期、尽快的开发出更安全的车型 抢占市场，“仿真法”应运而生，即利用计算机软件进行仿真模拟，仿真法可以不受 人员、设备、场地的限制，只需要儿台计算机及其软件，并且可以反复多次进行试 验，大大降低了成本，缩短了试验周期。虽然仿真模拟没有试验法直观、客观，存 在一些“失真”，但由于其鲜明的优点，可以作为试验法的补充。 3 2 碰撞仿真分析研究 仿真法需要运用一些计算机软件，这些软件会有一些仿真模型库，而这些模型 库也是由无数次试验数据为基础的，所以，从某种意义上说，仿真法也是以试验法 为根基和依据的。我们通常所说的仿真法，即通过在计算机中建立仿真模型进行试 验分析的方法。比起试验法，仿真法的有效性及可靠性取决于多方面的因素；首先 是仿真模型建立的有效性，其次是软件中仿真模型库数据的准确性，再次分析研究