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
Dc
ΔD Ds
Hybrid III from 1970s
EU THORAX Project
THOR 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AIS
AIS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. Viano
2. 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≤10kN
100%正面刚性碰撞
Hybrid III 50% Dummy
Full 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% Offset
Deformable Barrier
Hybrid III 50% Dummy
20% risk of injury ≥ AIS3Significant risk of injury 50% risk of injury ≥ AIS320% risk of injury ≥ AIS4
Cruciate 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 injury
Significant 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% Dummy
Femur 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% Dummy
100%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 Frontal
50kph FFB –18分 64kph ODB –18分
50kph
试验
64kph
C-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：
OEM
Vehicle Structure CAE
Virtual/CAE Systems Integration
Component Test
Sled/OOP Test
Barrier Test
Interior Supplier
Restraints Supplier
Seat Supplier
ACU/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 4
Concept
Design
100% Virtual
Virtual-DV
DV
PV
SOP
Virtual with Testing
Total: 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 development
Restraint models for system development
Component Tests for component validation
Sled Tests for system validation
Crash 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 4
2a
5
Concept
Design
Virtual-DV
DV
PV
Concept/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
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
Benchmarking：
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 Volume
DAB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 = 375J
Benchmarking：
DAB F-S
DAB 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 325mm
Base vehicle a[mm] 471 b[mm] 224 c[mm] 310 d[mm] 50 alpha[deg] 28.5
Total stroke space for head = a+column stroke Total stroke space for chest = b+column Vent locations
b alpha
Column 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 2
Base vehicle 282 609 157 435 218 60
a 200mm c d b
e tetha
a[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 Simulation
Peak value Peak time 97.9 99.2
WiFac 87.1
Overall 94.7
Peak value Peak time 98.7 94.5
WiFac 90.4
Overall 94.5
HIC36 601 HIC36 624
Peak value Peak time 95.0 91.2
WiFac 78.5
Overall 88.2
Peak value Peak time 88.0 90.3
WiFac 83.4
Overall 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 Simulation
Peak value Peak time 85.9 91.5
WiFac 55.1
Overall 77.5
Peak value Peak time 93.0 90.0
WiFac 72.4
Overall 85.1
Peak value Peak time 87.8 82.9
WiFac 78.4
Overall 83.0
Peak value Peak time 80.9 89.2
WiFac 81.6
Overall 83.9

。