基于虚拟试验的汽车前碰撞安全气囊防护效率的研究

论文摘要

当今世界上每年因汽车交通事故造成了巨大的人员伤亡和社会经济损失，汽车安全性问题引起了各个国家的高度重视。实践表明安全气囊是乘员在汽车碰撞中重要、有效的保护设备，在欧美等工业化发达国家已经成为轿车必备的安全装置。在我国，近年的新车基本上都安装了安全气囊。然而，交通流行病学研究表明，前碰撞安全气囊在提供乘员保护的同时，也会给部分乘员，尤其是离位的矮个子女性乘员和儿童造成伤害，因此如何发挥安全气囊的最大保护效果，同时减小其不利作用是气囊约束系统研究需要解决的关键问题。为此，本文主要研究了汽车前碰撞安全气囊的设计和匹配；并针对气囊对离位乘员的致伤问题，研究了气囊折叠方式对气囊展开作用的影响、以及气囊展开对头颈部损伤的影响。 本文介绍了汽车前碰撞安全气囊研究的主要方法和基础理论，以仿真软件MADYMO和DYNA为主要研究工具，建立验证了驾驶员侧和乘员侧安全气囊有限元模型，以及动态模拟汽车驾驶室变形的多刚体模型，研究了气囊体积、排气孔尺寸、气体质量流速和起爆时间等主要参数对乘员损伤的影响，利用优化软件MADYMIZER进行了模型的优化分析，在多个参数中找到了合理的最优值，并通过试验验证了优化模型的有效性。 通过气囊展开力学过程的虚拟试验，分析了影响气囊展开压力变化的因素。在此基础上，提出了安全气囊的环向折叠方法，自行开发了基于初始矩阵法（IMM）算法的参考网格模型和映射网格模型自动生成程序。实现了基于气袋直径、折叠次数、折叠环间距和网格密度等参数的参数化设计，并通过算例对建模过程和映射算法进行了验证。建立了对称折叠、卷式折叠和环向折叠等折叠方式的气囊模型，并基于气囊静态起爆、碰块冲击和转向盘气囊总成等虚拟试验分析了各气囊折叠方式对应的气囊压力和相应的接触物体的动力学参数。利用5百分位和50百分位的Hybrid Ⅲ假人进行了胸部靠近气囊总成和头部靠近气囊总成布置形式的离位乘员虚拟实验。结果表明：自行开发的“自动生成程序”可以快速、准确地生成参考网格模型和映射网格模型。气囊展开过程经历了两个明显的阶段，即0～20 ms的初始展开阶段和20～100 ms完全展开工作阶段。与环向折叠气囊相关的损伤值基本都小于对称折叠气囊的对应值，两种实验布置形式中损伤值都随着假人和气囊总成的距离增加而减少，小体位的女性假人比大体位的男性假人更容易受损伤。 基于湖南大学建立的50百分位头颈部有限元模型（HBM-neck），采用实体单元对该模型进行了改建，并对改建的模型进行了验证和参数灵敏度分析。建立了Hybrid Ⅲ假人的模型，利用湖南大学进行的台车试验对该模型进行验证。以验证

论文目录

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• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 前碰撞研究的主要内容
• 1.1.1 交通伤流行病学
• 1.1.2 损伤生物力学
• 1.1.3 前碰撞汽车被动安全技术和设备的开发及应用
• 1.2 前碰撞研究的主要方法
• 1.3 本课题来源及研究重点
• 1.4 本章小结
• 第2章 安全气囊虚拟试验研究方法和理论基础
• 2.1 虚拟试验方法
• 2.1.1 虚拟试验概念
• 2.1.2 汽车被动安全虚拟试验
• 2.1.3 汽车被动安全虚拟试验的主要应用
• 2.2 安全气囊仿真研究的理论基础
• 2.2.1 有限元理论基础
• 2.2.2 多刚体理论
• 2.2.3 安全气囊热力学基础
• 2.3 本章小结
• 第3章 某新车型安全气囊匹配研究
• 3.1 概述
• 3.2 驾驶员侧安全气囊匹配
• 3.2.1 模型建立
• 3.2.2 模型验证
• 3.2.3 气囊模型参数分析
• 3.2.4 气囊模型最优化分析
• 3.3 乘员侧安全气囊匹配
• 3.3.1 模型建立
• 3.3.2 模型验证
• 3.3.3 气囊模型参数分析
• 3.3.4 气囊模型最优化分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 气囊折叠方式对离位乘员的防护研究
• 4.1 概述
• 4.2 环向折叠气囊的程序建立
• 4.2.1 气囊折叠方法
• 4.2.2 模型生成步骤
• 4.2.3 参数化设计的编程实现
• 4.2.4 算例验证
• 4.3 气囊折叠方式对展开作用力影响的仿真研究
• 4.3.1 虚拟试验方法
• 4.3.2 气囊模型建立及验证
• 4.3.3 虚拟试验结果
• 4.3.4 讨论
• 4.4 基于虚拟实验方法的气囊折叠方式对离位乘员损伤影响的研究
• 4.4.1 虚拟实验方法
• 4.4.2 模型建立
• 4.4.3 仿真结果
• 4.4.4 讨论
• 4.5 本章小结
• 第5章 气囊防护效率研究的乘员头颈部模型建立和验证
• 5.1 概述
• 5.2 HBM-neck模型改进、验证和参数灵敏度分析
• 5.2.1 颈部模型建立
• 5.2.2 模型验证
• 5.2.3 软组织参数分析
• 5.2.4 讨论
• 5.3 假人模型建立及验证
• 5.3.1 假人整体模型的引入
• th假人模型验证'>5.3.2 Hybrid III 50^th假人模型验证
• 5.3.3 颈部模型的引入
• 5.3.4 气囊和转向盘模型的建立
• 5.4 本章小结
• 第6章 前碰撞中气囊对乘员头颈部防护效率的研究
• 6.1 概述
• 6.2 基本模型的头颈部损伤分析
• 6.2.1 基本参考模型动力学响应
• 6.2.2 加入气囊模型的动力学响应
• 6.3 前碰撞中头颈部对气囊特性的响应
• 6.3.1 头颈部运动学响应
• 6.3.2 头颈部动力学响应
• 6.3.3 颈部软组织响应
• 6.3.4 颈部应力参数响应
• 6.3.5 起爆时间参数分析
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录 A 攻读学位期间发表的学术论文
• 附录 B 气囊匹配参数灵敏度数据分析
• 附录 C 气囊特性响应参数
• 附录 D 论文中用到的英文缩写索引
• 致谢