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原文传递基于虚拟试验的汽车前碰撞安全气囊防护效率的研究

论文题名：	基于虚拟试验的汽车前碰撞安全气囊防护效率的研究
关键词：	汽车前碰撞;安全气囊;气囊匹配率;气囊损伤;计算机仿真;损伤生物力学;虚拟试验;防护效率
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HybridⅢ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0～20ms的初始展开阶段和20～100ms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HybridⅢ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。以验证的HBM-neck来置换HybridⅢ假人颈部模型，建立了具有人体颈部模型的HybridⅢ假人模型。根据气囊的实际开发试验布置了台车的转向盘和气囊模型，针对气囊起爆时间、质量流速和排气孔尺寸等三个设计参数进行了参数分析。研究的头颈部响应参数有：头颈部的转角、位移以及速度，颈部剪切力、轴向力和弯矩，韧带、椎间盘作用力，椎骨皮质骨、松质骨应力，头部HIC、颈部NIC、Nij、Nkm等。结果表明：改进的HBM-neck模型具有较高的生物逼真度，合理调整的气囊可以更好地保护人体头颈部。约束能力强的气囊可减小头部HIC值，约束能力不足的气囊将会造成头部直接碰撞转向盘，使HIC值和颈部剪切力等超过损伤阈值，颈部软组织参数和应力参数分析都可以得到同样的损伤结论。文章指出，相对NIC和Nkm等损伤评价标准，Nij可以较为合理地评估前碰撞颈部损伤。我国的汽车行业发展迅速，车辆保有量逐年激增。提高安全气囊的匹配率，同时合理设计气囊折叠形式以及气囊的主要参数来确保气囊的最大防护效率。这对我国的汽车工业发展将有着十分重大的现实意义。
作者：	万鑫铭
专业：	车辆工程
导师：	杨济匡
授予学位：	博士
授予学位单位：	湖南大学
学位年度：	2006
正文语种：	中文