新型安全气囊在前碰撞乘员防护技术中的理论和方法研究

摘要

从1987年起,我国道路交通事故死亡人数一直位于世界首位,造成了巨大的人员伤亡和社会经济损失,汽车安全问题必须引起高度的重视。汽车安全气囊乘员约束系统作为一种有效的被动安全保护设备,它可有效地降低乘员在碰撞中所承受的减速冲击和二次碰撞力,是乘员在汽车碰撞中重要、有效的保护措施。目前我国安全气囊市场正处于普及应用的成长期,汽车安全气囊市场需求容量持续上升,但汽车安全气囊是一种技术含量很高的安全装置,安全气囊技术仍处于发展和提高之中,正确认识安全气囊在实际交通事故中对驾乘员的保护效能,最大限度地发挥安全气囊的保护作用,提高气囊对离位乘员及小个子乘员的保护性能,并进一步减少其副作用、降低成本等问题仍是理论上和工程中需要不断探索的重要课题。
　　 本文运用Logistic回归理论,在排除性别、年龄、乘坐位置、约束系统的使用状况以及车速等因素的影响下,正确评估安全气囊在交通事故中降低驾乘人员受到致命性伤害方面所发挥的作用；通过对安全气囊在交通事故中直接导致驾乘人员致命性伤害的事故进行分析研究,探讨安全气囊产生负面影响的各种影响因素及其造成严重的头部、颈部、胸部损伤的损伤机理,并采用卡方检验分析了安全带使用状况以及事故车辆撞前急刹车与安全气囊造成驾驶员、成年乘员、儿童乘员致命性头部、颈部、胸部损伤之间的关联性。在气囊交通伤流行病学研究的基础上,为了提高汽车安全气囊的技术性能,提高气囊对离位乘员的保护,本文对一种新型复合管式安全气囊进行了研究。以仿真软件MADYMO和DYNA为主要研究工具,建立了新型复合管式安全气囊有限元模型以及可动态模拟汽车驾驶室变形的多刚体车体模型,并通过气囊静态展开试验和台车刚性墙碰撞试验验证了有限元模型的有效性。在管式安全气囊参数研究中,通过假人头、颈、胸部损伤响应值的分析,研究了拉带布置形式、拉带长度、排气孔大小、排气孔位置、气体发生器质量流量、气体发生器压力坡度等主要设计参数对管式气囊防护性能的影响。利用5百分位女性和50百分位男性HybridⅢ假人进行三种乘坐姿势下的虚拟试验,对比使用新型复合管式安全气囊、普通气囊和无气囊情况下假人的损伤状况,以评价复合管式安全气囊的防护效能。最后在参数分析的基础上,针对新车型类菱形车,进行了复合管式安全气囊前碰撞驾驶员侧的匹配研究。
　　 安全气囊相关的交通伤流行病学研究结果表明,有气囊保护时驾乘人员在交通事故中受到致命性伤害的概率为没有气囊保护时的0.486倍,即安全气囊对降低驾乘人员致命性伤害具有积极的作用;在交通事故中,“＞60岁”年龄组受到气囊致命性伤害的概率最大,是“0-14岁”年龄组的4.219倍,是“15-29岁”年龄组4.878倍,是“30-60岁”年龄组的2.841倍:前排乘员受到气囊致命性伤害的概率是驾驶员的0.832倍;正确使用约束系统可降低在交通事故中受到致命性伤害的概率,没有使用约束系统的驾乘人员受到气囊致命伤害的概率是非正确使用约束系统的1.458倍,而非正确约束系统受到致命伤害的概率又是正确使用约束系统的4.831倍。
　　 新型复合管式安全气囊的展开特性研究表明,管式气囊Z方向展开速度的最大值比普通气囊降低了35％,并且展开过程更为平稳;管式气囊的内部压力呈渐进上升再缓慢下降的趋势,其先展开后膨胀的展开方式避免了传统气囊起爆初期压力突然增大形成压力凸峰以及后期压力不足的情况,具有优于普通安全气囊的展开特性,将更好的发挥碰撞过程中对乘员的保护作用。
　　 新型复合管式安全气囊的参数研究表明,设计变量“排气孔周向布置”,“气体发生器质量流速”,“气体发生器压力斜率”,“触发时间”以及“排气孔面积”对新型复合管式安全气囊的头部、颈部、胸部防护性能的影响较为显著,并确定了这些敏感设计变量的最佳取值范围。
　　 新型复合管式安全气囊的防护效率研究表明,5百分位女性假人处于正常坐姿、头部靠近气囊、胸部靠近气囊时,使用新型复合管式安全气囊其头部加速度峰值比使用普通气囊分别降低了7.5％,15.7％,43.6％;胸部加速度峰值分别降低了32.7％,28.6％,40.5％;胸部位移峰值降低了66.7％,80％,81.7％;颈部剪切力峰值分别降低了2％,45％,78.9％;颈部拉伸力峰值分别降低了30％,20％,63.6％。50百分位男性假人处于正常坐姿、头部靠近气囊、胸部靠近气囊时,使用新型复合管式安全气囊其头部加速度峰值比使用普通气囊分别降低了28.6％,34.7％,52.4％;胸部加速度峰值分别降低了0％,79％,64.3％;胸部位移峰值降低了25％,57.1％,73.7％;颈部剪切力峰值分别降低了33.3％,75％,76％;颈部拉伸力峰值分别降低了40％,40％,46.7％。管式安全气囊在满足正常位置乘员的保护的基础上,可提高对离位乘员特别是小个子离位乘员的保护效果。
　　 复合管式安全气囊在类菱形车前碰撞驾驶员侧的匹配研究,确定了新型安全气囊应用在类菱形车时,各敏感设计变量的最优值。
　　 本文基于交通伤流行病学正确评估安全气囊在真实交通事故中的防护效率以及产生负面影响的原因、特征;对新型复合管式安全气囊的开发研究、参数设计和防护效率分析以及新车匹配研究,提高了安全气囊的防护性能,特别是对离位乘员以及小个子乘员的防护性能,这对我国汽车安全技术的发展将具有现实意义。