基于离位儿童工况下的顶置式安全气囊的仿真与优化

摘要

目前，汽车上使用的约束系统多数都是基于正常体位的成年人开发运用的，而忽略了其对较小体位的儿童所造成的伤害，安全气囊在高速展开过程中会造成离位儿童头骨、颈椎、胸骨等处的伤害。由于离位乘员位姿的随机性和复杂性，在离位乘员的保护研究中需要进行大量的试验，为了降低研究成本、提高研究效率，需要通过仿真与试验相结合的方法进行研究。但由于离位仿真研究需要建立精确的气囊模型来模拟气囊的真实展开形态，因而需要对气囊模型进行正确的折叠来获得准确的参考网格、准确地模拟气囊的整个展开过程，这些都是目前离位仿真研究中的技术难点。
　　文章对国内外离位儿童的研究方法进行阐述，通过美国与欧洲不同安全法规体系的对比，选用美国FMVSS208法规作为研究乘员侧3岁儿童头部、胸部靠近安全气囊离位位置的儿童离位仿真的依据。通过对MADYMO软件的多刚体系统与有限元模型的介绍，采用MADYMO的Folder模块对气囊进行折叠，并用初始举证法建立基于计算流体力学算法的气囊模型。在此基础上，建立了3岁儿童假人的OOP(Out of Position)模型，并通过气囊罩盖撕裂过程的分析，将静态仿真试验与静态气囊起爆试验进行对比，验证了该多刚体-有限元混合模型的准确性。其次，通过分析实车对标情况，给出假人伤害指数，为参数优化后的气囊对乘员保护效果提供了依据。
　　选取对气囊体积缩放系数S、气囊织布泄气性系数C、气囊织布密度ρ、气囊起爆角度θ四个参数进行优化，采用仿真数据的正交试验设计的方法确定最终优化参数值。结果表明:通过增大气囊X、Y向的缩放比例系数、增大织布泄气性系数都能对3岁儿童胸部靠近仪表板、头部靠近仪表板两个状态的假人降低头部、胸部、颈部伤害;但对于胸部靠近仪表板的儿童假人，减小起爆角有利于降低伤害，而对于头部靠近仪表板的儿童假人，增加气囊起爆角反而更有利于降低伤害。
　　对于3岁儿童胸部靠近仪表板的位置状态，优化后的损伤标准I3值比优化前提高了21.1％;对于3岁儿童头部靠近仪表板的位置状态，优化后的损伤标准I3值比优化前提高了25.7％。基于对儿童假人头部、颈部、胸部的损伤分析，其头部伤害指标HIC15、颈部轴向拉升力Fz、胸部压缩量D及胸部累积3ms合成加速度a3ms均在FMVSS208法规上限之内，由此可见，优化后的安全气囊，可以有效减少对3岁儿童的损伤，充分发挥对离位儿童的保护作用。通过对比改进前、后气囊对正常位姿的成人乘员伤害，可以看出，改进后的安全气囊不仅对离位儿童起到了保护作用，而且有效降低了成人正常位姿的颈部、胸部伤害，对离位研究有开发应用价值。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 汽车安全性概述

1．1．1 汽车被动安全的研究意义

1．1．2 汽车安全气囊的发展

1．2 乘员侧安全气囊国内外研究现状

1．2．1 国外乘员侧安全气囊研究现状

1．2．2 国内乘员侧安全气囊研究现状

1．3 本文研究的主要研究内容及意义

1．4 本章小结

第二章 汽车碰撞儿童乘员安全法规及损伤机理

2．1 离位乘员安全法规概述

2．2 美国与欧洲正碰法规要求

2．2．1 美国正碰法规要求

2．2．2 美国FMVSS 208试验要求

2．3 儿童乘员损伤评价标准

2．3．1 简明损伤定级法

2．3．2 美国FMVSS 208法规评价准则

2．4 本章小结

第三章 基于MADYMO的整车仿真模型的建立

3．1 MADYMO软件介绍

3．1．1 多刚体系统

3．1．2 有限元模型

3．2 乘员侧安全气囊模型的建立

3．2．1 气囊模型的建立

3．2．2 气囊模型的对标验证

3．3 整车模型的建立

3．3．1 仪表台的建立

3．3．2 假人模型的确定

3．4 本章小结

第四章 OOP整车模型的验证

4．1 气囊罩盖撕裂过程分析

4．2 3岁儿童假人模型的验证

4．2．1 3岁儿童胸部靠近仪表板的模型验证

4．2．2 3岁儿童头部靠近仪表板的模型验证

4．3 整车模型的对标

4．4 本章小结

第五章 气囊参数选择及DOE优化

5．1 优化试验方法

5．1．1 优化参数选择

5．1．2 正交试验方案设置

5．2 目标函数与设计变量的选取

5．2．1 目标函数的选择

5．2．2 3岁离位儿童试验设计数据采集

5．3 3岁离位儿童的约束系统优化与分析

5．4 假人不同位置伤害对比分析

5．5 优化后气囊对正常位姿成人乘员保护效果分析

5．6 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 创新之处

6．3 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文

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