正面碰撞时后排乘员约束系统的设计研究与参数匹配

摘要

随着汽车保有量的不断增长，道路交通事故频发，伤亡人数一直高居不下财产损失更是不计其数。汽车安全一直是汽车行业的研究热点，尤其交通事故不可避免时，汽车的被动安全性能显得尤为重要。随着汽车被动安全技术研究的不断深入，汽车前排乘员约束系统有了较大的发展，受到严重伤害的风险明显降低，相比较前排，后排乘员约束系统未得到相应的发展，受到严重伤害的风险要高于前排乘员。而正面碰撞是交通事故的主要类型，且后排座椅的使用率较高，提出构建较为完善的后排乘员约束系统，探索新型的后排安全技术在正面碰撞中对乘员保护具有重要研究价值。 本文以汽车后排女性假人为研究对象，通过试验与仿真相结合的方法，研究后排安全气囊及坐垫翻转系统等新型的后排乘员约束系统对乘员的保护性能，构建了较为完善的后排乘员约束系统，通过参数匹配找出为后排乘员提供最佳保护效果的匹配方案，主要研究内容包括： 对非线性有限元软件LS-DYNA的功能及优势进行了分析；对汽车碰撞中非线性有限元理论及常用的有限元方法进行了介绍；并对气囊的发展及未来的发展方向进行概括分析。 实车碰撞试验按照中国新车评价规程（China-New Car Assessment Program， C-NCAP）试验程序展开，车辆以 50km/h 完全正面撞击刚性壁障采集车身加速度信号及后排女性假人头部、颈部及胸部关键部位伤害指标。同时进行正面40%重叠可变形壁障碰撞试验、左30°倾角碰撞及台车高速碰撞试验，采集了碰撞过程中的x、y轴的碰撞加速度信号。 通过LS-DYNA软件建立了后排乘员约束系统有限元模型，将正面100%重叠刚性壁障碰撞试验中采集的加速度信号作为加速度场输入模型中，将试验中采集的后排女性假人的伤害指标与仿真结果进行对比分析，结果表明仿真模型中假人的各项关键伤害指标与试验具有较好的一致性，可以作为后续研究的基础。 提出通过改进车辆前排座椅靠背内部结构安装后排气囊，从正面展开保护乘员。通过对椅靠背内部结构进行设计，使得在调节前排座椅靠背角度的同时，自行完成气囊展开角度的调节，气囊的展开方向始终正对着后排乘员，为假人提供最佳的保护效果。并通过仿真研究分析在正面碰撞中气囊对后排假人的保护效果，结果发现在有后排气囊的保护下，假人的各项伤害指标与试验结果相比均有所下降，但在碰撞后期假人的颈部伤害有上升的趋势。同时研究分析了气囊的关键参数及安全带限力等级对假人伤害影响。 提出构建较为完善的后排乘员约束系统。通过在模型中添加可翻转座椅坐垫来降低碰撞后期假人颈部伤害，建立安全带——坐垫翻转——安全气囊为一体的后排乘员约束系统模型，为后排乘员提供最佳的保护。并以假人胸部压缩量为优化目标，对气囊的点火时刻、安全带的限力等级及坐垫翻转起始时刻进行参数匹配。结果发现安全带的限力等级为 2.7kN、气囊的点火时刻为 23ms、坐垫翻转时刻为16ms时，对假人的保护效果达到了最佳。通过在高速碰撞及正面不同碰撞类型下验证该匹配方案对假人的保护效果，结果表明高速碰撞下的保护效果要优于低速碰撞，对偏置碰撞及倾角碰撞也有一定的保护效果。

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