汽车碰撞车体与乘员约束系统的参数设计方法(张君媛 著)思维导图
两车迎面碰撞的有限元法和碰撞接近速度模拟数值分析
2汽车碰撞的有限元分析方法汽车碰撞是汽车结构在极短的时间内通常在100ms以内在剧烈碰撞冲击载荷作用下发生的一种复杂的非线性动态响应过程汽车碰撞中各种非线性的问题都涉及到了既有结构发生大位移大转动所引起的几何非线性又有各种材料发生大应变时所表现的物理非线性材料非线性汽车碰撞过程的模拟分析实质上是要求解一个给定初始条件和初始边界条件的偏微分方程其中动态接触边界条件在问题求解之前是未知的即问题的求解涉及到典型的动态接触问题设接触系统在时刻t占据空间域作用在接触系统内的体积力边界力接触力及内应力分别为虚应变
在有限元方法中 ,方程 ( 11)又可表示为 [4 ] M A ( t) = P ( t) + C ( u,α) - F ( u,β) ( 12)
式中 ,M 为质量矩阵 ; t为时间变量 ; A 为加速度向量 ; P 为节点外力 ; C为节点接触与摩擦力 ; F 为对应于内应力的节点内力 ; u 表示物体 位移 ;α表示一组与接触表面特性有关的变量 ;β表示一组与材料本 构关系有关的交量 。对于方程 (12) ,实际中广泛应用显式的中心差 分法来求解 。显式解法无需建立与求解联立方程组 ,也不存在收敛 性问题 ,计算速度快 ,其稳定性准则能自动控制计算时间步长的大 小 ,保证时间积分的精度 。
2)在给定的碰撞过程中 ,碰撞减速度在 0 ～125 m s的时间内波 动 。碰撞的持续时间几乎不受接近速度的影响 。
3)一般情况大车的车身瞬时减速度低于中型车的减速度 ,但并 不总是低于中型车的减速度 ,两者的比值不断地变化 。
基于MADYMO的乘员正面碰撞侧约束系统模型的建立
第35卷第8期东 北 林 业 大 学 学 报Vol .35No .82007年8月JOURNAL OF NORT HE AST F ORESTRY UN I V ERSI TY Aug .2007基于MADY MO 的乘员正面碰撞侧约束系统模型的建立 曲洪亮 李德才 钱国强(东北林业大学,哈尔滨,150040) (锦州锦恒汽车安全系统有限公司) 摘 要 利用先进的汽车碰撞安全性模拟的软件MADY MO 建立正面碰撞模型(乘员侧)。
模型的响应与加速度滑台试验的结果基本一致,包括大腿力、腰带力、肩带力、颈部力(F X ,F Z )、颈部弯矩(M Y )、胸部位移,以及髋部、胸部、头部的加速度的响应。
介绍了利用MADY MO 软件建立正面碰撞侧约束模型的一般过程,以及仿真与实验结果的比较。
关键词 MADY MO;安全带;安全气囊;侧约束模型分类号 U491.61Est ablish m en t of A M odel of Crew M e m ber ’s S i de Restra i n t Syste m for Fron t a l Collisi on Ba sed on M ADYMO /Qu Hongliang,L iDecai (College of Traffic and Trans portati on,Northeast Forestry University,Harbin 150040,P .R.Chi 2na );Q ian Guoqiang (J inheng Aut omobile Safety Syste m Cor porati on L i m ited of J inzhou City )//Journal of Northeast Forest 2ry University .-2007,35(8).-85～87,89A collisi on model (me mber ’s side )was established by the advanced MADY MO si m ulati on s oft w are f or aut omobile collisi on security .The validity of the model was basically coincident with the sled test result in ter m s of fe mur axial f orce,lap belt f orce,shoulder belt force,neck force,neck moment,chest dis p lacement,as well as accelerati ons of pelvis,chest and head regi ons .The general p r ocess for establishing the side restraint model of fr ontal collisi on by MADY MO s oft w are was intr oduced,and the si m ulati on was p r oved by experi m ent .Key words MADY MO;Safety belts;A irbags;Side restraint models MADY MO 是一个完美融合多体(MB )动力学计算功能和显式动态有限元(FE )计算功能的软件,由荷兰国家应用科技研究院T NO 开发,广泛应用于车身结构设计、安全气囊、安全带、座椅、仪表板、方向盘转向柱等的开发,可以作为乘员约束系统分析的首选工程软件,利用MADY MO 可以对乘员约束系统的整合及优化设计和汽车碰撞安全性进行研究。
约束系统开发 正面碰撞
约束系统安全保护原理：正面乘员伤害
• 挑战/困难
1. 由于年龄、性别以及体重等差异很大, 人体 组织的力学行为宽泛
2. 伤害的级别较多
• 共识/结果
1. 中等身材 2. 无生命威胁的伤害极限
3. AIS (Abbreviated Injury Scale)
由急诊室医生和其他各科室的外科专家定义
生物力学响应
伤害部位：腿部： 多发生于偏置对碰中车体侵入较大，导致大腿、胫骨、膝关节 、脚踝受伤
参考文献:
正面碰撞安全约束系统开发
约束系统安全保护原理：正面乘员伤害
生物力学响应
目的：
• 法规制定 • 测量方法和设备的设计(假人) • 量化伤害与物理量之间的关系 • 物理量与伤害机理的直接关联性
正面碰撞安全约束系统开发
在发生碰撞事故后，乘员受到碰撞载荷作用后的损伤
伤害部位：胸部： 胸部器官的重要性决定了胸部伤害对生命的威胁很大，一般由 冲击载荷作用下导致肋骨/胸骨断裂、刺进胸腔伤及心脏或动脉 产生
参考文献:
正面碰撞安全约束系统开发
约束系统安全保护原理：正面乘员伤害
在发生碰撞事故后，乘员受到碰撞载荷作用后的损伤
伤害部位：胸部 肋骨断裂导致肺部受伤 www.thorax-project.eu
冲击力作用下尸体的脑部X光片
参考文献:
正面碰撞安全约束系统开发
约束系统安全保护原理：正面乘员伤害
在发生碰撞事故后，乘员受到碰撞载荷作用后的损伤
伤害部位：颈部 在胸部被安全系统约束情况下头部仍然前向运动所致，上颈椎 伤害一般会威胁生命，下颈椎伤害会导致瘫痪
参考文献:
正面碰撞安全约束系统开发
约束系统安全保护原理：正面乘员伤害
正面碰撞约束系统仿真和设计参数研究
正面碰撞约束系统仿真和设计参数研究王平;吴光强【摘要】提出基于安全气囊织物进行经纬向拉神试验和画框剪切试验,研究该材料的各向异性特性.建立包括安全气囊、可压溃转向柱、带可预紧和限力器的三点式安全带等的正面碰撞约束系统模型,并将仿真结果与实车试验结果对比和验证.分别从定性和定量分析两个角度,深入讨论约束系统设计参数对假人伤害评价指标的影响,以用于指导约束系统的碰撞安全性能设计.%A Vehicle frontal impact restraint system including airbag,energy absorbing steering column,three-point seatbelt with pretensioning and load limiting functions,was built and simulated based on nonlinear explicit finite element theory.The results including【期刊名称】《佳木斯大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2011(029)004【总页数】6页(P481-485,495)【关键词】材料各向异性;约束系统集成;碰撞安全;伤害评价指标【作者】王平;吴光强【作者单位】同济大学汽车学院,上海201804;同济大学汽车学院,上海201804【正文语种】中文【中图分类】U461.910 引言汽车乘员约束系统包括安全气囊、安全带、座椅、仪表板、方向盘、转向柱和搁脚板等对乘员运动姿态能造成约束的部件.良好的约束系统性能可对车内乘员提供有效的保护作用，在提高整车碰撞安全性及NCAP碰撞安全星级方面发挥着至关重要的作用[1－3].目前，对约束系统的研究主要集中在安全带和安全气囊的机械特性研究，安全座椅、吸能式转向器、安全仪表板的吸能材料等方面，而对气囊织物各向异性、可预紧安全带及约束设计参数定量分析等方面的研究较少[4－5].本文提出汽车正面碰撞约束系统集成与研究方法，将材料拉伸试验和实车碰撞试验与仿真分析相结合，来有效控制约束系统开发成本;并深入讨论诸多设计因素对约束系统安全性能的影响，从定性和定量分析角度来研究约束系统碰撞安全性能.1 正面碰撞约束系统建模与集成以某车型的正面碰撞约束系统为研究对象，提出该约束系统集成建模与设计研究方法，见图1.通过仿真分析和试验相结合的方法，有效控制设计与开发成本、缩短设计与开发时间.1.1 气囊织物各向正交异性研究及安全气囊建模安全气囊织物性能好坏直接关系着驾乘人员的安全.分别进行气袋织物的经向、纬向拉伸试验和画框剪切试验，实施方法如图1(a)所示.以气袋下片织物为例，给出其经纬向拉伸试验及剪切试验中力和位移的关系，见图2和图3.由图2可以看出，安全气囊织物材料具有较明显的各向异性特性.图1 正面碰撞约束系统集成与研究在有限元分析中，对于各向异性状态的单元体，考虑其具有三个相互垂直的对称平面的各向异性，这些对称平面的交线即各向异性主轴，并取其为直角坐标轴.采用Hill理论[6]，其屈服条件可表示为:式中，F，G，H，L，M，N 是材料瞬时各向异性状态的特征参量，分别定义为:图2 织物拉伸试验结果图3 织物剪切试验结果其中，R11，R22，R33，R23，R13和 R12 为各向异性主轴的拉伸和剪切屈服应力.采用平面直接折叠方法，建立如图1(c)所示的折叠气囊有限元模型，结合图1(b)气袋质量流动率，采用基于理想气体状态方程的控制体积(Control Volume，CV)方法研究气囊展开仿真.1.2 安全带系统模型安全带由织带、卷收器、肩带滑环、带扣、高度调节器和固结锚点等组成.建立如图1(d)所示的带可预紧和限力器的三点式安全带系统模型.安全带织物宽为46mm，厚度为1.2mm，织物纬向强度接近经向强度的一半，具有明显的各向异性特性，并在安全带材料特性模块中设置其各向异性参数.1.3 可压溃式转向柱建模对可压溃安全转向柱建模时，采用弹簧－阻尼器和BEAM梁模型，在Ls－dyna中用材料MAT29(MAT_FORCE_LIMITED)描述梁单元轴向上的压溃特性和两端节点三个方向上的非线性弯扭特性，并设置其加载和变形曲线，来实现转向柱的压溃和吸能特性.1.4 正碰约束系统模型集成及边界条件设置按照车内总布置要求，进行约束系统模型集成，并正确安放假人模型.根据该商务车在法规FMVSS 208正面碰撞试验中测得的碰撞波形、车身俯仰和横摆角速度等，来设置约束系统的边界条件.安全带织带要尽可能地与人体躯干表面贴合，避免穿透或间隙过大等情况的发生.定义脚部与前地板、搁脚板的接触，人体与座椅、仪表板、安全带和方向盘的接触，及头部、胸部与气囊的接触等[7].2 正碰约束系统仿真结果及其分析基于非线性显式有限元方法进行计算，可得到如图4所示的碰撞过程中的乘员响应情况.由图4可知，该约束系统较好地发挥了安全带和气囊的协调保护作用.图4 正面碰撞后驾驶员响应将约束系统仿真结果与实车正面碰撞试验结果对比.图5(a)是驾驶员头部x方向加速度ahx的试验和仿真曲线对比，仿真的加速度峰值比试验值要低7%，峰值发生时刻提前约12ms.图5 (a) 驾驶员x方向头部加速度图5 (b) 驾驶员y方向头部加速度图5 (c) 驾驶员z方向头部加速度图5 (d) 驾驶员头部合成加速度图5(b)是驾驶员头部y方向加速度ahy，仿真的加速度峰值和试验结果相比基本吻合，但是峰值发生时刻提前6ms.图5(c)是驾驶员头部z方向加速度ahz，仿真的加速度时间历程曲线与试验相比，峰值相差不多但峰值发生时刻提前8ms.图5(d)是驾驶员头部合成加速度时间历程的对比，仿真得到的加速度峰值比试验值低7%，峰值发生时刻提前约12ms.由图5可知，较实车试验结果而言，导致仿真得到的驾驶员头部加速度峰值偏低和峰值时刻提前的主要原因是约束系统的简化建模、部分模型参数和边界条件设置，以及假人模型的精度等.图6是驾驶员胸部x方向加速度时间历程的对比，仿真得到的加速度峰值大小比实验略有降低，峰值发生时刻约为80ms.图6 驾驶员胸部x方向加速度图7是驾驶员胸部变形量时间历程的对比，仿真得到的变形量比实验值高约6%，但峰值发生时刻基本一致.仿真和实验的误差主要由假人模型以及约束系统特别是安全带参数等因素导致的.图7 驾驶员胸部变形量3 正面碰撞约束系统设计参数研究正碰乘员约束系统中，假人伤害指标与众多因素有关，主要影响因素可见图8. 3.1 正碰约束系统参数对乘员头部加速度的影响3.1.1 安全气囊设计参数讨论为提高安全气囊对乘员的保护效果，合理设计气囊参数显得尤为重要.图9给出了气囊排气孔面积变化时，乘员头部加速度ah的时间历程.其中，Original代表原设计，Case1代表气囊排气孔面积减小8%，Case2代表气囊排气孔面积增大8%.由此图可知，气囊排气孔面积减小使ah峰值变大且峰值发生时刻后移;而增大排气孔面积会使ah峰值变小且峰值发生时刻后移.图8 正面碰撞约束系统影响因素图9 气囊排气孔面积对ah的影响图10 肩带滑环定位点对ah的影响3.1.2 安全带设计参数讨论安全带织物是典型的各向异性材料，直接影响安全带对乘员的保护功效.图10给出了安全带织物材料变化时的ah时间历程对比.其中，Case1代表安全带织物材料刚度变小10%，ah峰值随之变大;Case2代表安全带织物刚度变大10%，假人头部ah峰值变小，此时安全带起到了较好的保护功能.3.1.3 转向系统定位参数讨论图11是转向系统定位参数在不同水平下得到的ah曲线.其中，Case1代表转向系统沿x方向向前移动20mm，ah峰值略微变大，峰值发生时刻后移;Case2代表转向系统沿x方向向后移动20mm，ah峰值明显降低，乘员头部的伤害减少.图11 转向系统定位参数对ah的影响3.1.4 转向柱设计参数讨论图12为转向柱刚度变化时，乘员头部合成加速度ah的对比曲线.Case1代表转向柱刚度变大5%，Case2代表转向柱刚度减小5%.由此图可知，转向柱刚度变大使ah峰值减小;而当转向柱刚度变小ah峰值略有增大，这使得转向系统对乘员的伤害增大.图12 转向柱刚度对ah的影响3.2 正碰约束系统参数对假人伤害指标的影响将不同工况下，正碰约束系统主要的设计参数与假人伤害指标之间的定量关系进行归纳，见表1.综合评价指标WIC[8]是计算方法如下:式中，HIC36为头部损伤指标;C3ms为胸部3ms加速度值;D为胸部压缩量;FFCl 为左大腿轴向压力;FFCr为右大腿轴向压力.表1 正碰约束系统假人伤害指标822.2 33.1 48.0 4.62 5.08 0.74气袋阻尼 Case 1 912.9 30.6 54.8 3.00 3.95 0.80 Case 2 616.4 36.2 41.9 5.05 3.90 0.60安温度 Case 1 816.7 36.2 46.4 4.14 7.67 0.74全Case2 840.1 35.7 47.2 4.70 6.36 0.76气排气孔 Case1 957.8 34.0 52.0 4.16 3.24 0.83囊Case2 710.1 32.8 49.1 5.47 4.55 0.67起爆时间 Case1 971.1 34.6 52.4 4.33 3.16 0.84 Case2 862.3 40.1 56.6 3.86 2.85 0.80滑环定位 Case1 911.7 34.1 49.4 4.91 5.69 0.80安Case2 811.2 34.0 47.4 5.81 7.29 0.74全材料本构 Case1 877.7 39.9 47.5 5.10 4.80 0.79带Case2 769.9 35.1 47.9 4.51 6.91 0.72转向系统定位参数 Case1881.3 42.6 43.1 5.10 4.80 0.79 Case2 823.4 45.6 41.7 4.51 4.66 0.75转轴向压溃 Case1 964.6 33.8 47.6 5.50 4.44 0.83向Case2 816.2 36.0 40.4 6.61 4.67 0.73柱刚度 Case1 780.5 32.5 59.3 5.83 4.41 0.75 WIC初始设计项目内容HIC36(g) RDC(mm) C3ms(g) FFCl(kN) FFCr(kN)Case2 844.2 33.4 43.5 5.09 3.29 0.74由此表可知，在原设计中，满足HIC36≤1000、RDC≤76mm、C3ms≤60g、FFCl≤10kN和FFCr≤10kN，这说明该约束系统下，假人伤害评价指标均满足FMVSS 208法规要求.亦可定量地看出约束系统中任意参数的变化，都会影响到乘员的伤害程度，其中，乘员腿部响应量最敏感，头部加速度次之.假人综合伤害评价指标WIC的值越小，说明该设计参数越合理，对假人的综合保护作用越好.4 结论通过正碰约束系统集成仿真与设计参数研究，可得出如下结论:(1)进行了安全气囊织物材料经、纬向拉伸试验和画框剪切试验，发现该材料具有明显的各向异性特性.(2)对正碰约束系统进行建模与集成仿真，并将其结果与实车试验结果对比，而从验证了该模型及其仿真的有效性.(3)从定性和定量分析的角度，探讨了约束系统参数对乘员损伤的影响，可用于指导约束系统的进一步设计和优化，从而保证乘员获得较好的保护.参考文献:[1]葛如海，刘志强，陈晓东.汽车安全工程[M]，北京:化学工业出版社，2005.9.[2]张维刚，刘晖，廖兴涛.基于代理模型的汽车乘员约束系统仿真设计[J].江苏大学学报(自然科学版)，2008，29，4:293－296.[3]肖凡，王宏雁.正面碰撞中乘员及约束系统运动响应的计算[J].同济大学学报(自然科学版)，2004，(32)9:1220－1224.[4]Isheng Yeh，Brian Kachnowski，Thiag Subbian.An Expert System for Vehicle Restraint System Design[C].SAE Paper，2005－01－1304.[5]李铁柱，李光耀，陈涛.基于Kriging近似模型的汽车乘员约束系统稳健性设计[J].机械工程学报，2011，(46)22:123－129.[6]Hill R.The Mathematical Theory of Plasticity[M].London:Oxford University Press，1950.[7]张学荣，刘学军，陈晓东，等.正面碰撞安全带约束系统开发与试验验证[J].汽车工程，2007，(29)12:1055－1058.[8]Viano D C et al.Assessing the Safety Performance of Occupant Restraint System[C].SAE Paper，No 9902328.。
正面碰撞中乘员约束系统模型的建立及参数优化研究
图1 乘员室内环境模型
—挡风玻璃；2—制动踏板和加速踏板；
地板；4—座椅；5—转向系；6—仪表台
乘员室内环境模型的各个刚体的形状和位置关系以及各缸体之间的约束是根据丰田 Yaris
实车数据确定的。
挡风玻璃主要是由一个平板模型以及一个模拟柱的拉长椭球模型组成；制动踏板和
图3 安全带模型示意图
实线表示传统多刚体安全带，虚线表示有限元
图4 Yaris车体有限元模型 图5 处理后Yaris车体有限元模型
将处理后的模型导入MADYMO工程软件，便MADYMO格式，由于生成后的模型与
MADYMO 车体模型是相互独立的，需要先调节仪表盘、地板、座椅、假人等模型的位置，然后进行替换，将原先的地板、挡风玻璃、座椅等删除，导入并复制处理后的各模型，并定义相应的属性。
最后建立好的驾驶员侧约束系统仿真模型如图6所示。
面向C—NCAP的正面乘员约束系统优化设计
面向C—NCAP的正面乘员约束系统优化设计为了提高汽车行驶中乘员的安全性和舒适性，在C-NCAP测试中，正面乘员约束系统是至关重要的一项测试指标。
针对当前市场上正面乘员约束系统存在的问题，本文提出了几项优化设计方案。
首先，可以采用先进的安全气囊技术。
传统的安全气囊仅起到缓冲的作用，无法对乘员的头部和颈部进行有效的保护。
而采用先进的安全气囊技术，如多级气囊系统和预充气式气囊系统，可以根据不同碰撞情况提供更加精细的保护，特别是针对乘员的头部和颈部提供更加完善的保护。
其次，可以加强车身结构的刚性和安全性。
强化车身结构的刚性和安全性，可以最大程度地减少碰撞时乘员的受伤风险。
采用高强度钢材制造车身，增加横梁和纵梁的数量和截面积，以及加强车门和座椅的固定装置等设计，都可以有效地提高车身结构的刚性和安全性。
第三，可以采用智能安全系统。
智能安全系统是当今智能科技不断发展下的产物。
通过传感器、控制器、通信网络等组件的整合，智能安全系统可以实时监控车辆的运行状况、驾驶员的状态等信息，并在发现安全隐患时及时发出警报，并及时启动约束系统来保护乘员的安全。
最后，应考虑优化座椅设计。
座椅是乘员的最直接的接触点，是约束系统的重点部位。
本文建议，可以从以下几个方面来优化座椅设计：一是通过调节座椅的高度和倾斜角度，使乘员在坐下时能够接触到约束系统，从而提高其约束效果；二是加装相应的耳朵支撑和头枕，以避免发生头颈扭曲等意外伤害。
综上所述，针对当前市场上正面乘员约束系统存在的问题，本文提出了几项优化设计方案，包括先进的安全气囊技术的应用、加强车身结构的刚性和安全性、采用智能安全系统和优化座椅设计等方面。
相信这些优化设计方案可以有效提高汽车行驶中乘员的安全性和舒适性，也能有效地帮助汽车厂商通过C-NCAP测试。
除了上述优化设计方案，还可以从以下几个方面来进一步完善正面乘员约束系统。
一是加强对儿童安全的保护。
儿童因为身体结构的特殊性，对于汽车的安全要求有所不同。
基于方法的汽车侧面安全气囊系统的参数设计
罔９晦部下“肋骨盘形量曲线
３
侧面头胸一体式气囊模型的建立
本文为该目标车型匹配了头胸体式侧面气囊，气袋模型在ＣＡＴＩＡ软件中建立（图
１０），在有限元软件（如Ｈｙｐｅｒｍｅｓｈ）ｃ｝・进行网格划分，在ＭＡＤＹＭ０３Ｄ中设定参数。采 用＝甘点膜单元来模拟气囊的表面，气囊织物材料定义为线弹性的各向同性的材料。为节省
训算时间气袋未折叠。
声／髓、
窝
】０
２０
４０
６０
８０
ｌ∞
ｌ∞
’。目目缸）
图１０头胸一体式侧面气囊模型 圈１ｌ安全气囊气件质量流动率
安全气囊的充气展开过程上要是由气体压力随时问变化来控制的。为减少计算时问气体 发生器采用均匀压山模型，通过试验提供的压力一时间曲线来获得质量流动率曲线（图１１ 为本模型质最流动车曲线）。气囊容１Ｉ｝：为４０Ｌ，在头部保护区域和胸部保护区域之问定义了 有限元拉带，拉带上面两个气孔直径为０４０ｍｍ，在材料特性中设置了材料的泄气率．没有 定义泄气孔模块。在模型一ｐ引＾了喷射模型（ＪＥＴ）可以模拟出气体芨生器出气口的气流对
表２最优水平试验结果
对于胸部ＶＣ值，本文只考虑气囊本身参数的优化，而未和汽车侧面结构的特性结合起 来优化约束系统的参数，作者认为这个原因导致其伤害值增加；并且原车模型中胸部粘性伤
．４２．
２００６中国汽车安全技术国际研讨会
害就远远低于法规规定值，而且此值为中部肋骨ＶＣ值，小于实车试验中假人的伤害值。
ｖｃ
：胸部粘性指标，单位为ｍ／ｓ
ＡＰＦ：腹部受力，单位为ｋＮ ＰＳＰＦ：骨盆耻骨受力，简称骨盆力，单位为ｌ【Ｎ 各项伤害指标的权系数表明了该类型伤害的重要程度，针对本文侧面碰撞胸腹部伤害的 特点以及有关资料表明：在侧面碰撞中导致死亡或人体严重损伤的主要部位依次是头部、胸 部、颈部、脊椎、腹部、骨盆和下肢【４】，得到了以上表达式中的各个权系数。 将伤害评价值Ｉ设定为优化目标值，进行４因素３水平正交试验，故选择正交试验表 Ｌ９（３４），进行９次试验则可反映出３４＝８１次试验全部信息。通过极差分析的方法，寻求到约 束系统各个参数的优水平组合为：气袋尺寸增大２０％，Ｚ向安装位置下降０．１３ｍ，点火时间 提前４ｒｍ，气袋泄气率增加Ｏ．０５。 由于该组合不在正交试验内，将它分别代入原车模型中进行模拟计算，得到了如表２ 所示的结果，最优水平组合的结果显示，除了胸部ＶＣ值比未加侧面安全气囊增加以外，其 余伤害值都有了不同程度的减少，而且整体伤害评价值Ｉ也有了一定的改善。
约束系统开发(正面碰撞)
汽车安全约束系统开发与集成-正面碰撞陈国强2015年9月目录Content正面碰撞安全约束系统开发： 正面碰撞安全约束系统简介正面碰撞安全约束系统开发正面碰撞安全约束系统试验正面碰撞安全约束系统仿真及优化正面碰撞安全约束系统开发 正面碰撞安全约束系统简介安全系统设计的目的：减少或避免碰撞事故中的伤害风险正面碰撞安全约束系统开发正面碰撞安全约束系统简介约束系统概念设计用于将乘员约束在座位上并帮助降低碰撞事故中的伤害风险的安全装备；二次碰撞过程第一次碰撞：碰撞事故中汽车撞上障碍物第二次碰撞：车内乘员撞上内饰或作用于约束系统正面碰撞安全约束系统开发Benz汽油三轮车 正面碰撞安全约束系统简介第一辆汽油汽车1885年，德国奔驰发明8年后美国人福特制造了世界上第一辆汽车伴随着汽车的产生和投入运行接踵而至的是交通事故的出现： 1899年在美国发生世界上第一起汽车交通事故美国纽约报告了世界第一起因交通事故死亡的事件：-1900年全世界交通事故死亡人数-总死亡人数超过3000万-当前每年都超过100万福特T型车正面碰撞安全约束系统开发正面碰撞安全约束系统简介汽车安全发展的三个时期：1935年以前，认识、起步、发展初期-汽车会发生碰撞，如果碰撞载荷很大、车辆变形，可能发生乘员伤亡-主要研究：①减少爆胎，导致汽车失控②降低发动机振动导致的伤害③安装前大灯，提供夜间照明，防止夜间事故④安装多层前风挡玻璃，减少脸部受伤⑤采用全钢制车身，保护乘员⑥1930’s ，第一次整车碰撞试验正面碰撞安全约束系统开发正面碰撞安全约束系统简介汽车安全发展的三个时期：1936 –1965年，汽车安全发展中期-主要发展：①汽车事故预防装置-转向信号灯、风挡雨刮器、改进的前大灯-改进的前风挡、头部碰撞IP试验②1934年，GM 进行了第一次整车正面碰撞刚性墙试验（现代碰撞试验的雏形）-无电信号测量装置-无假人-通过观察汽车变形去评估车体结构性能③最重大乘员被动安全发展：-1956年，将安全带作为安全考虑的可选配置正面碰撞安全约束系统开发正面碰撞安全约束系统简介汽车安全发展的三个时期：1966 年之后，汽车安全发展后期－安全法规-主要事件：1.美国国家高速公路安全管理局成立National Highway Traffic Safety Administration(NHTSA)2.美国联邦汽车安全法规实施(FMVSS)-汽车安全关注点：1.汽车碰撞主动预防技术-ABS、ESC、LDW、EBD、ACC等等2.汽车结构耐撞技术-刚性乘员舱技术-吸能结构设计3.乘员安全保护装置（约束系统）-三点式安全带-正面/侧面安全气囊-压溃式管柱等-座椅头枕正面碰撞安全约束系统开发正面碰撞安全约束系统简介事故调查：•发生原因？•解决方案？事故分析:-乘员受到什么伤害？-乘员伤害部位？-乘员伤害程度？-乘员伤害的原因？-怎么控制/评价伤害？事故试验检测方法和工具生物力学损伤研究标准/法规或评价体系消费者–星级评价正面碰撞安全约束系统开发约束系统安全保护原理碰撞减速度车体减速度(a vehicle)乘员减速度(a occupant)56kph FRB Crash Test正面碰撞安全约束系统开发约束系统安全保护原理乘员减速度响应 在受约束的情况下，人体在减速度场内的运动反应(志愿者试 验和仿真)正面减速度下的人体响应与模型响应比较正面碰撞安全约束系统开发约束系统安全保护原理：正面乘员伤害在发生碰撞事故后，乘员受到碰撞载荷作用后的损伤主要由二次碰撞引起 乘员与车体内乘员空间的相互作用 伤害部位主要有： 头部 颈部 胸部 下肢正面碰撞安全约束系统开发约束系统安全保护原理：正面乘员伤害在发生碰撞事故后，乘员受到碰撞载荷作用后的损伤伤害部位：头部 主要是在冲击力作用下导致损伤冲击力作用下尸体的脑部X光片参考文献:正面碰撞安全约束系统开发约束系统安全保护原理：正面乘员伤害在发生碰撞事故后，乘员受到碰撞载荷作用后的损伤伤害部位：颈部 在胸部被安全系统约束情况下头部仍然前向运动所致，上颈椎 伤害一般会威胁生命，下颈椎伤害会导致瘫痪参考文献:正面碰撞安全约束系统开发约束系统安全保护原理：正面乘员伤害在发生碰撞事故后，乘员受到碰撞载荷作用后的损伤伤害部位：胸部： 胸部器官的重要性决定了胸部伤害对生命的威胁很大，一般由 冲击载荷作用下导致肋骨/胸骨断裂、刺进胸腔伤及心脏或动脉 产生参考文献:正面碰撞安全约束系统开发约束系统安全保护原理：正面乘员伤害在发生碰撞事故后，乘员受到碰撞载荷作用后的损伤伤害部位：胸部 肋骨断裂导致肺部受伤 www.thorax-project.eu正面碰撞安全约束系统开发约束系统安全保护原理：正面乘员伤害在发生碰撞事故后，乘员受到碰撞载荷作用后的损伤伤害部位：胸部： 胸部冲击力学响应基于尸体试验数据 用于Hybrid III假人开发7.2m/s 4.9m/s尸体试验 参考文献:混III假人胸部摆锤试验正面碰撞安全约束系统开发约束系统安全保护原理：正面乘员伤害在发生碰撞事故后，乘员受到碰撞载荷作用后的损伤伤害部位：胸部： 引领新的假人技术开发DcΔD DsHybrid III from 1970sEU THORAX ProjectTHOR from 1990s正面碰撞安全约束系统开发约束系统安全保护原理：正面乘员伤害在发生碰撞事故后，乘员受到碰撞载荷作用后的损伤伤害部位：腿部： 多发生于偏置对碰中车体侵入较大，导致大腿、胫骨、膝关节 、脚踝受伤参考文献:正面碰撞安全约束系统开发约束系统安全保护原理：正面乘员伤害目的： 生物力学响应• • • • 法规制定 测量方法和设备的设计(假人) 量化伤害与物理量之间的关系 物理量与伤害机理的直接关联性正面碰撞安全约束系统开发约束系统安全保护原理：正面乘员伤害•挑战/困难1.由于年龄、性别以及体重等差异很大, 人体组织的力学行为宽泛2.伤害的级别较多•共识/结果1.中等身材生物力学响应2.无生命威胁的伤害极限3.AIS (Abbreviated Injury Scale)由急诊室医生和其他各科室的外科专家定义用于量化人体各部位伤害的程度伤害的程度是相对死亡危险，不是相对致残的风险正面碰撞安全约束系统开发约束系统安全保护原理：正面乘员伤害头部伤害限值：基于尸体头骨破裂试验数据、动物头生物力学响应部冲击数据以及志愿者的台车试验数据 Head Injury Criterion (HIC) HIC36 (T2-T1 = 36ms) HIC15 (T2-T1 = 15ms)参考文献：正面碰撞安全约束系统开发约束系统安全保护原理：正面乘员伤害颈部伤害限值复杂的结构和多种的载荷形式导致了的颈部伤害标准定义的生物力学响应复杂性，一直以来也没有获得广泛共识正面碰撞颈部伤害情况较少，除非冲击减速度很高(车体碰撞g 大)但是，在低速的追尾碰撞却会导致长期的颈部不适，由于较长周期的载荷作用于颈部 早期法规定义困难伸张伤害限值：57Nm正面碰撞安全约束系统开发约束系统安全保护原理：正面乘员伤害胸部伤害限值胸部压缩量与AISAIS为表明肋骨断裂的数量将生物力学响应4足以导致胸腔坍塌，伤及内脏，从而造成严重伤害*Estimated by Neathery et al法规要求正面碰撞安全约束系统开发约束系统安全保护原理：正面乘员伤害胸部伤害限值Viscous Criterion (V*C)胸部速度和压缩量的乘积生物力学响应非常适合于评价软组织损伤-肝脏/肺等器官伤害对挤压变形量和挤压变形率的敏感性V*C 为1.3时AIS 达到4的概率为50%正面碰撞安全约束系统开发约束系统安全保护原理：正面乘员伤害下肢伤害限值–大腿伤害限值计算生物力学响应1. Viano2. Lowne参考文献：正面碰撞安全约束系统开发约束系统安全保护原理：正面乘员伤害测量设备:伤害限值的研究正面碰撞使用的Hybrid III 50%tile假人评价方法：•试验(法规)•评判标准(法规)正面碰撞安全约束系统开发法规要求–legal requirement中国GB11551-2003《乘用车正面碰撞的乘员保护》 试验：FFB速度：48-50kph要求：前排司机和乘员-头部HIC36≤1000-胸部压缩量≤75mm-大腿力≤10kN100%正面刚性碰撞Hybrid III 50% DummyFull Front Rigid Barrier正面碰撞安全约束系统开发法规要求–legal requirement欧洲ECE R94试验：40% Offset Deformable Barrier Test 速度：56kph 要求：前排司机和乘员-头部HIC36≤1000-颈部弯矩≤57Nm-胸部压缩量≤50mm-胸部V*C ≤ 1.0m/s-大腿滑移量≤15mm -小腿轴向压缩力≤8kN -小腿伤害指标TI ≤1.3-累计损伤要求-颈部受力-大腿力40%正面可变形碰撞40% OffsetDeformable BarrierHybrid III 50% Dummy20% risk of injury ≥ AIS3Significant risk of injury 50% risk of injury ≥ AIS320% risk of injury ≥ AIS4Cruciate ligament failure limit 10% risk of fracture正面碰撞安全约束系统开发法规要求–legal requirement欧洲ECE R94要求：前排司机和乘员-颈部累积损伤Hybrid III 50% Dummy颈部轴向拉力颈部剪切力Significant risk of injurySignificant risk of injury正面碰撞安全约束系统开发法规要求 – legal requirement欧洲ECE R94要求：前排司机和乘员大腿累积损伤Hybrid III 50% DummyFemur fracture limit正面碰撞安全约束系统开发法规要求 – legal requirement美国 FMVSS208试验：FFB 速度：40和48kph 要求：Hybrid III 50% & 5% Dummy100%正面刚性碰撞 Full Front Rigid Barrier正面碰撞安全约束系统开发法规- 强制性要求 - 无差异性消费者 – 星级评价正面碰撞安全约束系统开发C-NCAP碰撞试验：正面 Frontal50kph FFB –18分 64kph ODB –18分50kph试验64kphC-NCAP评价假人测量单项计分方法高性能值，如HIC为650 -> 5% risk of injury ≥ AIS3 低性能值，如HIC为1000 -> 20% risk of injury ≥ AIS3 伤害小于高性能值，得满分 伤害大于低性能值，得0分 中间值采用线性插值计算得分正面碰撞安全约束系统开发约束系统安全保护原理：正面碰撞约束系统相关 系统或部件Structure 车体 （乘员空间） Seat Belt 安全带 Driver Airbag （DAB）/Passenger Airbag （PAB）/Knee Airbag(KAB) Seat 座椅 Steering Wheel/Column 方向盘/管柱 Pedals 踏板 IP /Foot Rest/Carpet 等内饰 FIS & ACU 侧碰传感器和气囊控制器正面碰撞安全约束系统开发约束系统安全保护原理：正面乘员伤害控制在车体发生碰撞、结构变形工况下，通过约束系统控制乘员的减 速运动，以最小化对乘员的伤害正面碰撞安全约束系统开发约束系统开发核心工具和方法：OEMVehicle Structure CAEVirtual/CAE Systems IntegrationComponent TestSled/OOP TestBarrier TestInterior SupplierRestraints SupplierSeat SupplierACU/Sensor Supplier正面碰撞安全约束系统开发约束系统开发核心工具和方法：整车开发典型的整车开发方法都基于高预测的仿真技术，即： 虚拟仿真技术 – 在最少试验支持的情况下由虚拟仿真引 领开发 试验 – 用于确认仿真结果及零部件或系统性能1 2a 2b 3 4ConceptDesign100% VirtualVirtual-DVDVPVSOPVirtual with TestingTotal: 24-36 months正面碰撞安全约束系统开发约束系统开发核心工具和方法：仿真+试验Component Model for component developmentRestraint models for system developmentComponent Tests for component validationSled Tests for system validationCrash Tests for verification & certification正面碰撞安全约束系统开发约束系统开发核心工具和方法：整车开发乘员约束系统设计和优化可采用PSM子系统法 Occupant restraint systems can be designed and optimised with Prescribed Structural Motion (PSM) 节点运动（车体运动）由整车结构仿真结果提取 输入到约束系统模型作为结构运动，如： - 车体运动 - 踏板侵入 - 仪表板侵入 - 防火墙侵入等 当然，PSM方法特别适用于侧碰的系统设计和优化正面碰撞安全约束系统开发1约束系统开发核心工具和方法： 2b 3 42a5ConceptDesignVirtual-DVDVPVConcept/Base Modeling Component FEA modeling (PSM Modeling) Component & Sled Testing Crash Testing正面碰撞安全约束系统开发各开发阶段的主要工作：概念设计 Input: Predecessor data and Geometry Sketches Process: Conceptual analysis (Simulations) Output: Guidelines for design: packaging, styling and stiffness 详细设计 Input: Concept guidelines Process: Generation of detailed design Output: Generation of FEA models (Virtual Prototypes) 设计验证 Input: “Virtual” Prototypes available Process: Virtual design analysis (Simulations) Output: Virtual prototype performance confirmation Output: Injury performance prediction, detailed design recommendations 产品验证 Input: “Virtual” and hardware Prototypes available Process: Component and System testing Process: Virtual design analysis (Simulations) Output: Prototype performance confirmation Output: Validated detailed models, detailed design recommendations正面碰撞安全约束系统开发概念设计和可行性分析Benchmarking原型车或者参考车型数据Benchmarking：DAB modular and bag cushion气袋尺寸1. 2. 1. 2. 上下两层 直径：660mm 数量：2 尺寸：50×10mm排气孔 vent hole正面碰撞安全约束系统开发概念设计和可行性分析Benchmarking原型车或者参考车型数据12345678910111213Benchmarking：DAB folding正面碰撞安全约束系统开发概念设计和可行性分析Benchmarking原型车或者参考车型数据Benchmarking：DAB VolumeDAB展开结果1. 气囊体积：约45L正面碰撞安全约束系统开发概念设计和可行性分析Benchmarking原型车或者参考车型数据Impact mass v = 3.5m/s force = 2.5kN stroke = 130mm Energy = 180J v = 5m/s force = 3.3kN stroke = 150mm Energy = 375JBenchmarking：DAB F-SDAB F-S Characteristic正面碰撞安全约束系统开发概念设计和可行性分析Benchmarking原型车或者参考车型数据a d c 325mmBase vehicle a[mm] 471 b[mm] 224 c[mm] 310 d[mm] 50 alpha[deg] 28.5Total stroke space for head = a+column stroke Total stroke space for chest = b+column Vent locationsb alphaColumn stroke - ## mm Vent Hole - Location & Size ?Benchmarking：DAB and Driver layout正面碰撞安全约束系统开发概念设计和可行性分析Benchmarking原型车或者参考车型数据1 5 9 2 6 1 0 3 7 1 1 4 8 1 2Base vehicle 282 609 157 435 218 60a 200mm c d be tethaa[mm] b[mm] c[mm] d[mm] e[mm] tetha[deg]Benchmarking：PAB and Passenger layout正面碰撞安全约束系统开发概念设计和可行性分析Benchmarking原型车或者参考车型数据系统模型建模和标定Test SimulationPeak value Peak time 97.9 99.2WiFac 87.1Overall 94.7Peak value Peak time 98.7 94.5WiFac 90.4Overall 94.5HIC36 601 HIC36 624Peak value Peak time 95.0 91.2WiFac 78.5Overall 88.2Peak value Peak time 88.0 90.3WiFac 83.4Overall 87.2正面碰撞安全约束系统开发概念设计和可行性分析Benchmarking原型车或者参考车型数据系统模型建模和标定Test SimulationPeak value Peak time 85.9 91.5WiFac 55.1Overall 77.5Peak value Peak time 93.0 90.0WiFac 72.4Overall 85.1Peak value Peak time 87.8 82.9WiFac 78.4Overall 83.0Peak value Peak time 80.9 89.2WiFac 81.6Overall 83.9。