正面碰撞约束系统仿真和设计参数研究
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中图分 类号 ： Ｕ ６ ． ｌ ４ １ ９ 文献 标识 码 ： Ａ
０ 引 言
汽 车乘员 约 束 系 统包 括安 全 气 囊 、 全 带 、 安 座
的安全． 分别进行气袋织 物的经向、 纬向拉伸试验
和 画框 剪切试 验 ， 实施 方 法 如 图 １ ａ 所示 ． （） 以气袋 下 片织 物为 例 ， 出其 经 纬 向拉伸 试 验及剪 切试 验 给
定量分析等方面的研究较少－ ． ４
本文提出汽车正面碰撞约束系统集成与研究 方 法 ， 材料 拉伸 试验 和 实车碰 撞 试验 与仿 真分 析 将 相结合 ， 来有效控制约束 系统开发成本 ； 并深入讨 论 诸多设 计 因素对 约束 系统 安 全性 能 的影 响 ， 从定 性 和定量 分 析角度 来研 究 约束 系统 碰撞 安 全性 能．
匾 ～ ］’ ’ 雨 ］” ｊ ‘ ＿
０
（） ｅ 仪表 板
Ｉ
１ 正面碰撞约束 系统建模 与集成
以某车型的正面碰撞约束系统为研究对象 ， 提 出该约束系统集成建模 与设计研究方法 ， 图 １ 见 ． 通过仿真分析和试验相结合 的方法 ， 有效控制设计 与开 发成本 、 短设 计与 开发 时 间 ． 缩
第２ ９卷 第 ４期
２ １ 年 ０ 月 ０１ ７
佳 木 斯 大 学 学 报 （ 自 然 科 学 版 ） Ｊｕｎ ｌ ｆ ｉ ｓ Ｕ ｉ ｒｉ Ｎ ￣ｒ ｃ ｎｅＥ ｉｏ ） ｏ ｒａ ａ ｉ ｎｖ ｓｙ（ ａ Ｍ Ｓｉ ｃ ｄｔ ｎ ｏ Ｊ ｍｕ ｅ ｔ ｅ ｉ
Ｖ０ ． Ｎ０ ４ Ｉ２９ ．
示为 ：
安全气囊织物性能好坏直接关 系着驾乘人员
① 收 稿 日期 ：０ １— ６一 ９ ２１ ０ ｏ
基金项 目： 国家 ８３高科技资助项 目（０７ Ａ４ １２ ； ６ ２０ Ａ ０Ｚ３ ）国家 ９３ ７ 重点基础研究发展计划 （０ １Ｂ １２ １ ２ １Ｃ７ １０） 作者简介 ： 王平 （９０ ， ， １８ 一）女 山东青岛人 ， 同济大学博士生 ， 主要研究方 向： 汽车碰撞安全及 多学科优化
（） １
２ Ｌ １ ２
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之志 一） （ ４ ）
１
３
式 中 ， Ｇ， Ｌ Ｍ， 材 料 瞬 时 各 向异 性 状 态 的 Ｆ， Ｈ， ， Ｎ是
２Ｎ
＝
１
（） ５
、
Ｆ （＋ 一 （ ＝ 忐 ） ２ Ｇ １ － ／ － ）
Ｇ ＝
其中， ｌ Ｒ２Ｒ３Ｒ３Ｒ３ Ｒ： Ｒｌ ２ ３，２， 和 。为各 向异性 主轴 ’ ， 的拉伸 和剪 切屈 服应 力．
图 ２ 织物拉伸试验结果
图 ３ 织物剪切试验结果
采用平面直接折叠方法 ， 建立如图 １ ｃ 所示 （） 的折叠气囊有限元模 型， 结合 图 １ ｂ 气袋质量流 （） 动率 ， 用基 于 理 想气 体 状 态方 程 的控 制体 积 采 （ ｏｔｌ ｏ ｍ ， Ｖ 方法研究气囊展开仿真． Ｃｎ ｏ Ｖ ｌ ｅ Ｃ ） ｒ ｕ
特性． 建立包括安全气囊、 可压渍转向柱 、 带可预 紧和 限力器的三点式安 全带等 的正面碰撞约束
系统模 型 ， 并将 仿 真 结果 与 实车试验 结 果对 比和 验证 ． 别从 定性 和 定 量 分 析 两个 角度 ， 分 深入 讨 论 约束 系统设 计参 数对 假人 伤 害评 价指 标 的影响 ， 以用于指 导 约束 系统 的碰 撞安 全性 能设 计． 关键 词 ： 材料 各 向异 性 ； 约束 系统 集成 ； 碰撞 安全 ； 害评价 指标 伤
的作用 ＿ ］ 目前 ， 】 ． 对约束系统 的研究 主要集 中在
安全带 和安 全气 囊 的机 械 特 性 研 究 ， 全 座 椅 、 安 吸
能式转 向器、 安全仪表板 的吸能材料等方 面， 而对
函
：￣ｌ 度 仿真 曲缎 ｉＪ速 ）ｌ
［＝ ＝
气囊织物各向异性、 可预紧安全带及约束设计参数
． ．
４２ ８
佳 木 斯 大 学 学 报 （ 自 然 科 学 版 ）
日 １ １
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２ １ 年 ０１
Ｆ（－ ； ｏ ｙ一 ） ＋Ｃ ｏ （－ ：一Ｏ ） ＋／（－ ＂ ／ｏ ｘ 一Ｏ ） ＇ ｙ
＋ ２ ２￣ ＋ Ｍ≥＝１ ２ ＋Ｍ２ ２
特征参量 ， 分别定义为：
１２ 安全 带 系统 模 型 ．
地板 、 搁脚板的接触 ， 人体与座椅 、 仪表板 、 安全带 和方 向 盘 的 接 触 ， 头 部、 部 与 气 囊 的接 触 及 胸
丝
寸
［】 ７
・
２ 正碰约束 系统仿真 结果及 其分析
基于非线性显式有 限元方法进行计算 ， 可得到 如图 ４ 所示的碰撞过程 中的乘员 响应情况． 由图 ４
Ｊ ｌ ｕｙ
２ １ ０ １
文 章 编 号 ：０ ８—１０ （ ０ １ ０ ４ ８ ０ １０ ４ ２ ２ １ ） ４—０ １— ５
正 面 碰 撞 约束 系统 仿 真 和 设 计 参数 研 究①
王 平 ， 吴 光 强
（ 同济大学汽车学院 。 上海 ２ １０ ） ０ ８４
摘
要 ： 提 出基 于安全 气 囊织 物进行 经 纬 向拉 神 试验和 画框 剪切 试验 ， 究该材料 的各 向异性 研
１１ 气 囊 织物 各 向正交 异性 研 究及 安全气 囊建 模 ．
图 １ 正面碰撞约束系统集成与研究
在有 限 元 分 ห้องสมุดไป่ตู้ 中 ， 于 各 向异 性 状 态 的 单 元 对
体， 考虑其具有三个相互垂直的对称平面的各向异 性， 这些对称平面的交线 即各 向异性主轴， 并取其
为直角坐标轴． 采用 Ｈ ｌ理论 其屈服条件可表 ｉ ｌ 引，
椅、 仪表板、 向盘 、 方 转向柱和搁脚板等对乘员运动 姿态能造成约束的部件． 良好的约束系统性能可对 车内乘员提供有效的保护作用 ， 在提高整车碰撞安
全性 及 Ｎ Ａ Ｃ Ｐ碰 撞 安全 星 级方 面发 挥 着 至关 重 要
中力和位移的关系， 见图 ２ 和图３ 由图 ２ ． 可以看出， 安全气囊织物材料具有较明显的各 向异性特性．
０ 引 言
汽 车乘员 约 束 系 统包 括安 全 气 囊 、 全 带 、 安 座
的安全． 分别进行气袋织 物的经向、 纬向拉伸试验
和 画框 剪切试 验 ， 实施 方 法 如 图 １ ａ 所示 ． （） 以气袋 下 片织 物为 例 ， 出其 经 纬 向拉伸 试 验及剪 切试 验 给
定量分析等方面的研究较少－ ． ４
本文提出汽车正面碰撞约束系统集成与研究 方 法 ， 材料 拉伸 试验 和 实车碰 撞 试验 与仿 真分 析 将 相结合 ， 来有效控制约束 系统开发成本 ； 并深入讨 论 诸多设 计 因素对 约束 系统 安 全性 能 的影 响 ， 从定 性 和定量 分 析角度 来研 究 约束 系统 碰撞 安 全性 能．
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（） ｅ 仪表 板
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１ 正面碰撞约束 系统建模 与集成
以某车型的正面碰撞约束系统为研究对象 ， 提 出该约束系统集成建模 与设计研究方法 ， 图 １ 见 ． 通过仿真分析和试验相结合 的方法 ， 有效控制设计 与开 发成本 、 短设 计与 开发 时 间 ． 缩
第２ ９卷 第 ４期
２ １ 年 ０ 月 ０１ ７
佳 木 斯 大 学 学 报 （ 自 然 科 学 版 ） Ｊｕｎ ｌ ｆ ｉ ｓ Ｕ ｉ ｒｉ Ｎ ￣ｒ ｃ ｎｅＥ ｉｏ ） ｏ ｒａ ａ ｉ ｎｖ ｓｙ（ ａ Ｍ Ｓｉ ｃ ｄｔ ｎ ｏ Ｊ ｍｕ ｅ ｔ ｅ ｉ
Ｖ０ ． Ｎ０ ４ Ｉ２９ ．
示为 ：
安全气囊织物性能好坏直接关 系着驾乘人员
① 收 稿 日期 ：０ １— ６一 ９ ２１ ０ ｏ
基金项 目： 国家 ８３高科技资助项 目（０７ Ａ４ １２ ； ６ ２０ Ａ ０Ｚ３ ）国家 ９３ ７ 重点基础研究发展计划 （０ １Ｂ １２ １ ２ １Ｃ７ １０） 作者简介 ： 王平 （９０ ， ， １８ 一）女 山东青岛人 ， 同济大学博士生 ， 主要研究方 向： 汽车碰撞安全及 多学科优化
（） １
２ Ｌ １ ２
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之志 一） （ ４ ）
１
３
式 中 ， Ｇ， Ｌ Ｍ， 材 料 瞬 时 各 向异 性 状 态 的 Ｆ， Ｈ， ， Ｎ是
２Ｎ
＝
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（） ５
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Ｆ （＋ 一 （ ＝ 忐 ） ２ Ｇ １ － ／ － ）
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其中， ｌ Ｒ２Ｒ３Ｒ３Ｒ３ Ｒ： Ｒｌ ２ ３，２， 和 。为各 向异性 主轴 ’ ， 的拉伸 和剪 切屈 服应 力．
图 ２ 织物拉伸试验结果
图 ３ 织物剪切试验结果
采用平面直接折叠方法 ， 建立如图 １ ｃ 所示 （） 的折叠气囊有限元模 型， 结合 图 １ ｂ 气袋质量流 （） 动率 ， 用基 于 理 想气 体 状 态方 程 的控 制体 积 采 （ ｏｔｌ ｏ ｍ ， Ｖ 方法研究气囊展开仿真． Ｃｎ ｏ Ｖ ｌ ｅ Ｃ ） ｒ ｕ
特性． 建立包括安全气囊、 可压渍转向柱 、 带可预 紧和 限力器的三点式安 全带等 的正面碰撞约束
系统模 型 ， 并将 仿 真 结果 与 实车试验 结 果对 比和 验证 ． 别从 定性 和 定 量 分 析 两个 角度 ， 分 深入 讨 论 约束 系统设 计参 数对 假人 伤 害评 价指 标 的影响 ， 以用于指 导 约束 系统 的碰 撞安 全性 能设 计． 关键 词 ： 材料 各 向异 性 ； 约束 系统 集成 ； 碰撞 安全 ； 害评价 指标 伤
的作用 ＿ ］ 目前 ， 】 ． 对约束系统 的研究 主要集 中在
安全带 和安 全气 囊 的机 械 特 性 研 究 ， 全 座 椅 、 安 吸
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：￣ｌ 度 仿真 曲缎 ｉＪ速 ）ｌ
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气囊织物各向异性、 可预紧安全带及约束设计参数
． ．
４２ ８
佳 木 斯 大 学 学 报 （ 自 然 科 学 版 ）
日 １ １
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２ １ 年 ０１
Ｆ（－ ； ｏ ｙ一 ） ＋Ｃ ｏ （－ ：一Ｏ ） ＋／（－ ＂ ／ｏ ｘ 一Ｏ ） ＇ ｙ
＋ ２ ２￣ ＋ Ｍ≥＝１ ２ ＋Ｍ２ ２
特征参量 ， 分别定义为：
１２ 安全 带 系统 模 型 ．
地板 、 搁脚板的接触 ， 人体与座椅 、 仪表板 、 安全带 和方 向 盘 的 接 触 ， 头 部、 部 与 气 囊 的接 触 及 胸
丝
寸
［】 ７
・
２ 正碰约束 系统仿真 结果及 其分析
基于非线性显式有 限元方法进行计算 ， 可得到 如图 ４ 所示的碰撞过程 中的乘员 响应情况． 由图 ４
Ｊ ｌ ｕｙ
２ １ ０ １
文 章 编 号 ：０ ８—１０ （ ０ １ ０ ４ ８ ０ １０ ４ ２ ２ １ ） ４—０ １— ５
正 面 碰 撞 约束 系统 仿 真 和 设 计 参数 研 究①
王 平 ， 吴 光 强
（ 同济大学汽车学院 。 上海 ２ １０ ） ０ ８４
摘
要 ： 提 出基 于安全 气 囊织 物进行 经 纬 向拉 神 试验和 画框 剪切 试验 ， 究该材料 的各 向异性 研
１１ 气 囊 织物 各 向正交 异性 研 究及 安全气 囊建 模 ．
图 １ 正面碰撞约束系统集成与研究
在有 限 元 分 ห้องสมุดไป่ตู้ 中 ， 于 各 向异 性 状 态 的 单 元 对
体， 考虑其具有三个相互垂直的对称平面的各向异 性， 这些对称平面的交线 即各 向异性主轴， 并取其
为直角坐标轴． 采用 Ｈ ｌ理论 其屈服条件可表 ｉ ｌ 引，
椅、 仪表板、 向盘 、 方 转向柱和搁脚板等对乘员运动 姿态能造成约束的部件． 良好的约束系统性能可对 车内乘员提供有效的保护作用 ， 在提高整车碰撞安
全性 及 Ｎ Ａ Ｃ Ｐ碰 撞 安全 星 级方 面发 挥 着 至关 重 要
中力和位移的关系， 见图 ２ 和图３ 由图 ２ ． 可以看出， 安全气囊织物材料具有较明显的各 向异性特性．