面向C-NCAP的某车型正面100％重叠刚性壁障碰撞前排约束系统仿真优化与试验验证

摘要

随着汽车的普及，交通事故也越来越多，每年都有数以万计的人员死于交通事故，受伤者更是不计其数。汽车的碰撞安全性已越来越受到全国各界重视。　　汽车正面碰撞是汽车交通事故中最为常见的汽车碰撞形式之一。在碰撞发生过程中，车内的约束系统包括安全带、座椅、气囊、转向系统等安全部件将对车内乘员提供保护，能有效的减少乘员的伤害程度。乘员约束系统由多个子系统组成，每个子系统之间需要相互匹配才能达到最优的保护效果。目前行业内主要采用碰撞试验法和计算机仿真分析法两种方法对约束系统进行匹配。碰撞试验法是最接近实际的汽车碰撞，其结果更真实可靠，但是只通过试验法进行汽车安全性能开发周期长，样件样车成本高，试验费用昂贵。计算机仿真技术可以在产品开发前期介入，通过对数据模型进行仿真分析计算并进行优化改进，从而减少汽车试验开发的成本和缩短开发周期，但计算机仿真分析法不能完全模拟实际汽车碰撞工况。随着计算机仿真分析技术不断发展，工程技术人员越来越多的将计算机仿真技术和碰撞试验方法相结合的方式用于约束系统开发当中。　　本文以国内某自主紧凑型轿车满足2018版C-NCAP五星需求出发，对其在正面100%重叠刚性壁障碰撞测试中的前排约束系统进行优化改进和试验验证，以达到其在100%正面碰撞中的性能分解目标。文章首先对汽车被动安全的现状进行了介绍，阐述了 C-NCAP 实施以来，对中国道路安全的影响。其次对正面碰撞中乘员损伤机理和2018版C-NCAP100%重叠刚性壁障碰撞试验方法与评价方法进行了详细的介绍。然后通过LS-DYNA软件对前排乘员基础配置的约束系统在100%重叠刚性壁障碰撞试验工况进行仿真计算。接着通过试验设计的方法对前排约束系统的性能进行优化改进。再通过台车进行正面碰撞模拟试验对优化后的约束系统性能进行试验验证，并最终通过实车进行100%重叠刚性壁障碰撞试验，验证前排约束系统在2018版C-NCAP的正面100%重叠刚性壁障碰撞测试中满足性能分解目标。　　本文从工程设计角度出发，基于2018版CNCAP评价规程，仿真分析技术与试验手段相结合的方法完成 100%重叠刚性壁障碰撞工况下前排约束系统的开发，介绍了一种完整的系统的前排约束系统正向开发流程，为后续车型的约束系统开发工作提供了重要参考意义。

目录

1 绪 论

1.1 研究背景和意义

1.1.1 课题研究的背景

1.1.2 课题研究的意义

1.2 汽车被动安全研究现状

1.2.1 汽车被动安全研究的主要内容

1.2.2 汽车被动安全的研究方法

1.3 本课题研究内容

1.3.1 汽车被动安全开发流程的研究

1.3.2 正面碰撞过程中乘员损伤机理和试验评价方法研究

1.3.3 正面碰撞过程中前排约束系统各部件工作原理研究

1.3.4 基于LS-DYNA软件的建模和分析

1.3.5 试验验证

1.4 本章小结

2 汽车被动安全技术研究

2.1 正面碰撞前排乘员损伤机理研究

2.1.1 正面碰撞中乘员头部损伤机理

2.1.2 正面碰撞中乘员颈部损伤机理

2.1.3 正面碰撞中乘员胸部损伤机理

2.1.4 正面碰撞中乘员腹部损伤机理

2.1.5 正面碰撞中乘员骨盆及下肢损伤机理

2.2 2018版C-NCAP100%重叠刚性壁障碰撞试验方法与评价方法

2.2.1 正面100%重叠刚性壁障碰撞试验方法

2.2.2 正面100%重叠刚性壁障碰撞试验假人伤害评价指标

2.2.3 正面100%重叠刚性壁障碰撞试验假人伤害指标计算

2.3 本章小结

3 正面碰撞前排乘员约束系统研究与仿真分析

3.1 正面碰撞前排乘员约束系统研究

3.1.1 座椅作用及其主要结构形式

3.1.2 安全带作用及其主要结构形式

3.1.3 安全气囊作用于其主要结构形式

3.1.4 吸能式转向系统作用与结构形式

3.2 基于LS-DYNA的正面约束系统子系统建模

3.2.1 车体结构建模

3.2.2 基于LS-DYNA约束系统分析的安全带建模

3.2.3 基于LS-DYNA约束系统分析的安全气囊系统建模

3.2.4 转向管柱系统建模及对标分析

3.3 约束系统模型集成建立

3.3.1 模型建立

3.3.2 接触定义、加载约束和边界条件

3.4 边界条件

3.4.1 白车身约束加载

3.4.2 前壁板侵入加载

3.4.3 转向支撑及转向管柱下端的加载

3.4.4 初速度加载

3.4.5 重力场加载

3.5 本章小结

4 正面碰撞前排乘员约束系统优化设计

4.1 初始约束系统配置下的仿真结果

4.2 优化分析及实验设计

4.2.1 前排假人胸部失分分析及优化方案制定

4.2.2 实验设计验证与分析

4.3 本章小结

5 基于加速台车的正面约束系统试验验证及数据分析

5.1 加速台车正面碰撞模拟试验方法介绍

5.2 IST加速台车试验设备介绍

5.2.1 工作原理

5.3 基于IST加速台车正面碰撞模拟试验及数据分析

5.3.1 根据仿真输入，对台车试验方案进行设计

5.3.2 计算机仿真分析过程与台车正面碰撞模拟试验录像对比分析

5.3.3 计算机仿真与台车正面碰撞模拟试验假人伤害对比分析

5.4 本章小结

6 实车正面碰撞试验

6.1 实车正面碰撞试验介绍

6.2 实车正面碰撞试验主要设备介绍

6.2.1 牵引系统

6.2.2 灯光系统

6.2.3 高速摄像系统

6.2.4 假人系统

6.2.5 传感器及数据采集系统

6.3 实车试验验证

6.3.1 实车试验驾驶员侧和前排乘员侧碰撞过程截图

6.3.2 驾驶员侧假人和前排乘员侧假人伤害响应曲线

6.3.3 2018版C-NCAP正面碰撞试验得分

6.4 本章小结

7 全文总结与展望

7.1 全文总结

7.2 展望

参考文献

附录

A 作者在攻读学位期间发表的论文和专利目录

B 作者在攻读学位期间取得的科研成果目录

C 学位论文数据集

致谢