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应用MADYMO进行新型约束系统部件的开发 |
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作者：吉林大学汽车工程学院 黄柏 张君媛 |
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摘要
为了减少安全气囊触发后对前排离位乘员可能造成的伤害，以及提高现有约束系统对前排乘员头、胸部的保护，本文提出一种新型的约束装置。即在现有约束系统的基础上，在安全带带体上加装一种可折叠的小型充气气垫，当发生正面碰撞时，这个气垫会在人体与安全气囊之间形成额外的缓冲吸能作用。可使安全气囊对人体的保护作用在碰撞发生的最短时间内产生。又可降低安全气囊的触发速度和能量，减少可能对离位乘员造成的伤害。本文运用MADYMO 软件进行了乘员约束系统的动力学仿真计算，展示了加装这种装置前后的对乘员碰撞保护的效果。
简介
安全带和安全气囊在乘用车上的广泛普及，极大的减小了交通事故中乘员的伤亡，降低了乘员的伤害指数。然而，在离位（OOP）状况下，安全气囊的展开往往可能对乘员，特别是儿童和小身材女性造成伤害。安全带由于其带体较窄，与人体的接触面积较小，在没有限力装置的情况下，极易造成人体体表淤伤甚至胸骨骨折。本文提出了一种可充气式气垫，经折叠后可缝制在安全带肩带上，当碰撞发生后，这个气垫充气并展开，在安全气囊与安全带之间形成额外的保护：1、由于气垫充气后具有一定的厚度，因此在碰撞发生后早期即可与展开的安全气囊发生接触，直接对乘员身体起到缓冲吸能的作用。2、气垫展开后几乎可以覆盖乘员的整个上躯体，使原来安全带带体对乘员的局部载荷分散到乘员的整个上躯体上。3、可以降低安全气囊的触发能量，减小对离位乘员的伤害。本文研究了某微型客车和轿车两种情况，其中该微型客车未安装安全气囊，轿车安装了安全气囊，两种车的乘员约束系统动力学仿真模型都是应用MADYMO 软件建立的，并且都经过了试车碰撞试验验证，本文在此基础上，分别讨论了在以上两款车上新型约束装置的保护作用。
1.仿真模型的建立
1.1 新型约束部件结构描述
安全带织带材料为涤纶长丝，宽度为50mm 左右，厚度为1.1～1.2mm。气垫是由两片边长为340mm的正方形织物缝合起来，并与安全带腰带缝合。正方形织物的四角需导圆，避免展开时划伤人体。缝制时，正方形气垫的对角线与安全带长边方向重合，充气气垫不设泄气孔，不设拉带。
1.2 新型约束部件模型建立
根据原型设计，并参考两种车型的安全带几何数据建立起此部件的CAD 模型，而后在有限元软件中进行网格划分。安全带带体与气垫为一体化模型，全部采用三角形单元划分，共有1208 个节点，3212 个三角形单元。（参见图1）
图1
有限元网格建好后对气垫进行折叠，然后将单元的节点坐标和单元组成以MADYMO 文件的格式输入，并使用一个预模拟程序来确定安全带及折叠好的气垫的节点在前碰乘员约束系统中的坐标。将计算出来的最后时刻的有限元模型各节点坐标代回原有的模型中进行计算，观察有限元网格在计算中是否稳定。若不稳定，则要选取其它时刻安全带有限元模型各节点坐标，再代入计算，直到网格稳定为止。图2左侧为经过校正的某微型客车乘员约束系统模型，右侧为加装新型约束系统部件的模型。紫色部分即为经过折叠的可充气气垫。
图2
使用相同的方法，在某轿车乘员约束系统模型中也加入了该充气气垫，图3 为该气垫展开后的情形（70ms 时刻），为观察方便，图中隐藏了已经展开的安全气囊。
图3
2.约束效能的改进
2.1 微型客车约束系统的仿真结果对比
微型客车由于制造和使用成本低而成为一种目前特别适合我国国情的汽车产品。但由于车体结构及成本的原因，其对乘员的保护十分有限。一般的经济型微型客车很少匹配安全气囊，又由于转向系的安装角度较大，车身前部吸能结构较少，一旦发生碰撞，驾驶员头部、胸部很可能直接与转向盘盘缘、盘毂，车身内饰件发生二次碰撞，造成致命的伤害。
本文所用的基础模型为某微型客车48km/h 正面碰撞乘员约束系统模型， 所用假人模型是从MADYMO 假人库中提取的第５０百分位男性假人。在此基础上，加装了可充气气垫，对比两个模型的头、胸部合成加速度曲线及伤害指标如下：（图4、图5、及表1）
由于该微型客车并未安装安全气囊，碰撞时假人胸部与转向盘盘缘发生接触，头部打在转向盘盘毂上，造成头、胸部加速度曲线峰值过大。而加装气垫的模型显然避免了上述问题的发生，极大的保护了乘员的安全。
2.2 轿车约束系统的仿真结果对比
该轿车约束系统模型装有安全气囊，与安全带配合，对假人提供了较好的保护。在此模型基础上，加装了充气气垫，并将安全气囊质量流动率曲线数值降低到原来的８０％后，两个模型的头、胸部合成加速度曲线及伤害指标对比如下（图6、图7、及表2）
通过假人胸部合成加速度曲线的比较可以看出，由于充气气垫的作用，假人在大约２０ms 左右起受到额外的约束载荷作用，所以合成加速度要比原模型结果高，从吸收能量的角度，早期对能量的吸收可使后期出现的加速度峰值减小，且由于气垫与乘员身体的接触面积远大于安全带，这样的情况并不会使乘员身体由于受到较大局部载荷而受伤。
目前，国外已经有关于飞机用可充气式安全带腰带的报导，只要传感器测到超过9G 的减速度，就对可充气式腰带进行充气。本文所述充气气垫可以采用和安全气囊相同的碰撞传感器，并在ECU 判断出发生碰撞后的最早时刻点火。气体发生器可安放在B 柱中，用柔软的尼龙织物导管与气垫相连。
3.结论
从仿真计算结果来看，这种充气气垫能够对乘员提供额外的保护，并可以通过安装此部件来降低安全气囊的触发能量，以达到保护离位乘员的目的。对未安装安全气囊的微型客车，更能极大的保护乘员的安全。但仿真结果中也发现了此部件的一些问题，即与原仿真模型相比，假人胸部压缩量指标并没有显著的提高，这可能与气垫对胸部的加载时间有关。利用MADYMO 软件和仿真方法，下一步可以继续探讨不同充气气垫形状、不同织物泄气率对乘员伤害指标的影响。研究可充气气垫对不同百分位假人及女性假人的影响。研究该装置是否可以扩展到前排乘员及后排乘员。
参考文献
1. “Airbags for Aviation” Instrument Pilot，May 2004
2. “MADYMO THEORY MANUAL” Version 6.1.
联络方式
黄柏 Email:ourdelphi@sina.com
张君媛 Email:zjy9087@sina.com(end)
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(10/10/2006) |
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