汽车正面碰撞乘员约束系统仿真研究
摘要
乘员约束系统可以有效地降低交通事故对乘员的人身伤害，因此正确地使用约束系统显得尤为重要。研究表明，在汽车碰撞事故中，用于不同乘员约束系统对乘员的人身伤害有不同的影响，在使用乘员约束系统的实验中，可以轻易地得到约束系统可以降低碰撞事故对乘员的伤害，因此，越来越多的汽车厂商加强了对乘员约束系统的研究，我国汽车产业起步较晚，许多研究还未深入进行，对乘员保护系统认识不清晰，所以深入研究乘员约束系统是很有必要的。
本文首先交代了汽车碰撞法规，乘员伤害评价，乘员约束系统的组成，然后分析了安全带、安全气囊之间的参数变化对乘员约束系统的影响，最后得到了约束系统的变化对乘员安全是有影响的。
关键字:汽车正面碰撞乘员约束系统人身伤害
目 录
1. 绪 论 1
1.1 研究的背景及意义 1
1.1.1 研究背景 1
1.1.2 研究意义 2
1.2研究的目的与内容 2
1.2.1 研究的目的 2
1.2.2 研究的内容 2
1.3 研究的方法 3
2. 汽车正面碰撞法规与乘员伤害评价 4
2.1汽车正面碰撞法规 4
2.2乘员伤害评价 5
2.3 本章小结 6
3. 汽车正面碰撞乘员约束系统组成 7
3.1 车体模型 7
3.2 乘员模型 7
3.2.1 假人模型 8
3.2.2 志愿者模型 8
3.2.3 尸体模型 9
3.2.4 动物模型 9
3.3 安全带模型 9
3.3.1 安全带的作用 9
3.3.2 安全带的发展状况 10
3.3.3 安全带的种类 10
3.4 安全气囊模型 12
3.4.1 安全气囊的作用及组成部分 13
3.4.2 安全气囊的工作原理 14
3.4.3 安全气囊的种类 14
3.5 座椅与头枕 14
4. 乘员约束系统仿真研究 16
4.1乘员约束系统仿真模型的建立 16
4.2 汽车正面碰撞模型的验证 16
4.3 安全气囊对乘员伤害仿真研究 19
4.4 本章小结 21
5. 总结与展望 22
5.1 总结 22
5.2 展望 22
致谢 24
参考文献 25
1. 绪 论
1.1 研究的背景及意义
1.1.1 研究背景
随着经济的发展，汽车产量增加迅猛，据调查，全球每年约有120万人死于交通事故，2000万终身伤残，平均下来每天有3287人死亡，55000人受伤，道路交通事故伤亡人数已占据伤亡人数的很大部分，引起了广泛地关注。究其原因，应急救援机制不健全是我国汽车事故致死率居高不下的主要原因之一，事故发生后受伤者不能得到及时有效的治疗，导致其死亡，还有法律法规的不健全，致使行车不安全。
表1.1 2006-2012全国道路交通事故分析
年份 事故数（万起） 死亡数（万人） 受伤数（万人） 经济损失（亿元）
2006 37.9 8.9 43.1 14.9
2007 32.7 8.2 38.0 12.0
2008 26.5 7.4 30.5 10.1
2009 23.8 6.8 27.5 9.1
2010 22.4 6.5 25.4 9.3
2011 21.1 6.2 23.5 9.0
2012 19.8 5.8 22.1 8.8
经过研究发现，在我国道路交通事故伤亡人员的年龄构成中，青壮年人群所占比例最大，他们担当家庭的支柱，不论在经济问题还是家庭问题上，他们的死伤会对其家庭造成难以估计的打击，严重时会导致家庭的崩溃，这些情况会造成严重的社会问题。在马路行走，老年人与年轻人相比，动作迟缓，视力听力下降，导致老年人被车撞到的几率远远大于青年人，而且我国即将进入人口老年化社会阶段，老年人出行遭遇交通事故伤害的问题相关部门应该给予高度的重视，减少不必要的伤害。
交通事故类型有多种，大致分为正面碰撞，侧面碰撞，尾随碰撞，剐擦，剐撞行人，撞固定物，撞静止车辆等，在汽车碰撞事故中，正面、侧面和尾随碰撞所占比例最大，其中正面碰撞事故中死亡人数最多，随后就是侧面碰撞，深入研究汽车乘员约束系统，可有效地减少汽车交通事故引发的伤残人数。
1.1.2 研究意义
随着车辆制造工艺的发展，车辆总数急剧增加，交通事故越发频繁，所以交通安全是全世界密切关注的话题。至2013年，中国已经成为世界第二大汽车制造国，主要的消费国，同时也是交通事故最多的国家。在过去三年里，交通事故亡人数平均每年约6.5万人。在2009年，共发生67,759道路交通事故; 2010年，因交通事故死亡人数为65,225人; 2011年，人数约减到62,387人。但是财产直接损失难以估计，道路安全问题引起了社会广泛关注。
根据实际行车的不同，汽车发生碰撞事故的类型千差万别。为了降低意外交通事故对乘员的人身伤害，需要正确使用汽车乘员约束系统，通过研究，在各种类型的碰撞事故中，正确使用约束系统能够减缓碰撞对人体的伤害，给乘员安全提供有效的保障。通过碰撞实验得到的数据改进汽车的结构，减少碰撞事故对乘员的伤害。
1.2研究的目的与内容
社会的发展，汽车使用范围越来越广，在汽车给人们带来便利的同时，也给了人们痛苦，由于事故经常性发生，为了保障人身安全，简易约束系统出现了，为了更好地保护乘员安全，汽车厂家进行了乘员约束系统的研究。
1.2.1 研究的目的
随着计算机软硬件的高速研发以及现代计算机的快速发展，计算机辅助功能工程（CAE）的出现及发展，可以建立汽车碰撞仿真实验室，通过仿真模型，在产品的设计阶段就可以发现问题并且得以解决，有效的缩短开发周期，降低研究经费；因为不同车型，车辆的每个零件之间都有细微的差别，在实拟实验中，会对实验结果造成影响，在计算机仿真模型上不会出现此类问题，而且由于汽车内部复杂无比的结构构造，在实验中很难精确地观察汽车关键部位的受力变形情况，仿真模拟可以轻易的得到变化情况，对汽车碰撞的研究有很大的帮助。
1.2.2 研究的内容
一般情况下，在汽车发生碰撞事故时，会有三次碰撞发生，第一次碰撞是汽车车身碰撞障碍物，由于惯性的作用人体继续向前运动，导致人体与车体的碰撞，即第二次碰撞，同样的道理，在惯性的作用下，人体体内的器官继续向前运动，与人体器官壁发生碰撞，即第三次碰撞。三次碰撞都会对乘员造成人身伤害，通过实验研究，降低碰撞对乘员的伤害程度是研究的主要内容之一。
汽车安全性对乘员至关重要，包含两个方面，汽车主动性是指汽车内电子稳定系统、警示系统、ABS等在汽车发生事故前提醒乘员，尽可能地避免受伤；汽车被动安全性主要指在发生汽车碰撞事故时，安全带、安全气囊、车身钢架结构等可以减少乘员伤害。通过下列的设计方案可以有效地提高汽车被动安全性。第一，在设计车身与车架时，使其可以吸收大量的碰撞能量，降低汽车减速度形成的冲击力，同时还要确保乘员的生存空间；第二，通过安全带，安全气囊等对乘员加以保护，减少乘员多次碰撞受到的伤害。
目前国外已大致完成了对乘员约束系统进行了系统性研究，现在已经向智能化自动化发展，相比较而言，国内传统型约束系统研究发展较好，相关的汽车生产商已经制造出了各种各样的安全带安全气囊等保护设备，但在智能化方面研究技术落后，需要不断地研究才能追上国外的脚步，填补了我国在乘员约束系统中的空白。根据保护乘员的严谨性，要乘员约束系统达到最大化，不同车型，同车型中不同车辆对乘员约束系统的要求各不相同，参数匹配要合理化，不恰当的匹配可能不会起到应有的作用，而且还会对乘员造成更大的伤害。
此次研究的是汽车正面碰撞部分乘员约束系统，在理想情况下，研究顺序内容有：
（1） 建立汽车正面碰撞仿真模型；
（2） 在正面碰撞情况下，分析驾驶员的所受伤害的原因，及其程度，记录数据；
（3） 各组数据进行比较，差异范围太大，应再次进行仿真模拟实验；
（4） 分析乘员约束系统部分参数，加以改进优化，达到降低碰撞对乘员的伤害的效果。
1.3 研究的方法
使用计算机仿真模拟与实验相结合的方法。分析约束系统的参数，加以改进，线路如下：
建立仿真模型→验证仿真模型可行性→乘员约束系统仿真研究
在理想情况下，应当建立模型，在实验室中，做汽车碰撞试验，但是由于条件不足，汽车实体碰撞试验难以实现，我着重于以下几点，安全带模型、安全气囊模型、座椅头枕的实验，得到数据，进而得出预期的效果。
2. 汽车正面碰撞法规与乘员伤害评价
汽车安全性能的高低直接关系到汽车产品在大众心中的印象，为了提高其安全性能，各个国家都制定了相关的技术法规，其中，美国与欧洲国家的法规十分具有代表性，在国家制定法规的框架下，汽车制造商进行了汽车碰撞试验，检验汽车的安全性能，有效地保障了乘员的人身安全。
2.1汽车正面碰撞法规
1885年，第一辆汽车问世，随着汽车的量产化，世界汽车保有量急剧增加，道路交通事故也随之增加，为了提高汽车出行安全性，世界各国都对汽车行驶做出了一系列的规定，这就是汽车碰撞安全法规的前身，1966年，美国制定出《国家交通与汽车安全法》，随后增加了几条，这些规定就是后来的FMVSS,目前，在所有国家的汽车法规方面，美国的FMVSS与德国的EEC和ECE相对完整，所以日本、加拿大等国家的汽车碰撞类法规都是参考美国和德国的法规得来的，我国汽车发展起步较晚，在1999年10月28日颁布了第一个汽车技术法规CMVDR 294（China motor vehicle design rule）-《关于正面碰撞乘员保护的设计原则》，到现在为止，已经颁布了40项CMVDR，各国的碰撞技术法规各不相同，但对法规中的实验方法与评价指标做出了明确的注解，内容包括碰撞速度、车辆质量、安全带佩戴与否、车内假人的质量与数量，固定障碍壁的几何形状与质量等。
表2.1 正面碰撞法规实验方法及评价指标
法规号 FMVSS208(美国) GB11551-2003(中国) ECE R 94.01(欧洲)
项目名称 汽车碰撞乘员保护 乘用车正面碰撞保护 正面碰撞乘员保护
车型 轿车 轿车 轿车
碰撞形式 1.正面撞击障碍壁 2.左右侧分别与障碍物成30度角碰撞 1.正面撞击障碍壁 2.撞击角度为0 与可变形吸能障碍壁成偏置碰撞，偏置系数为40%
碰撞速度 56.3km/h(系安全带) 40.2km/h(不系安全带) 50km/h 56km/h
头部HIC HIC≦700 HIC≦1000 HIC≦100
大腿轴向合力 ≦10000N ≦10000N 低于极限载荷
颈部伤害指标 F≦8.5N 没有 M≦57N·m
我国的汽车标准包括国家标准、行业标准和企业标准，国家标准是最高准则，行业标准与企业标准是以国家标准为基线，因为国家标准是为了保障乘员的人身安全。根据实车碰撞类型的不同，实车碰撞可以分为正面碰撞、追尾碰撞以及角度碰撞。从交通事故统计中得出正面碰撞、追尾碰撞发生率是最高的，所以我们主要以正面碰撞、追尾碰撞为研究目标。我国为了与国际接轨，在1998年签订了ECE WP29 1998协议，使得汽车车型多型化。
到现在为止，美国、日本以及中国的碰撞法规规定，汽车碰撞实验时车速应在48~50km/h 。随着时代的进步，汽车碰撞法规也应随着改变，目前，欧洲碰撞法规还制定了相关行人碰撞安全性保护，今后还要加入儿童乘员保护法规等。
2.2乘员伤害评价
汽车碰撞会导致人员的伤亡，根据碰撞事故分析得到乘员在事故中受到的伤害程度，我们将其称为乘员伤害评价指标。在汽车碰撞实验中，根据碰撞形式、速度、车辆质量、假人数量等不同的影响因素，得到相关的数据，从而对汽车的安全性能做出评价，下列是表示乘员伤害程度的指标：
1. 乘员头部伤害指标HIC
HIC= （1）
式（1）中：a为头部质心合成加速度，单位为g(重力加速度)，t 为实验中任意时刻。
HIC已经成为国际头部伤害的通用指标，在碰撞事故中，头部与胸部对人体的伤害最大，从上式中得出时间对结果有重大影响。另外，头部伤害评价可用头部响应指标HPC（head performance criterion）与头部伤害指标HIC（Head injury criterion）表达，两者形式不同，但表达的意义相同。
2. 胸部损害指标
美国侧碰实验认为胸部损害是对人体伤害最大的，然后就是骨盆。在长期实验中得到胸部3毫秒准则（3ms），其意思就是在3ms或更长的时间内，人体胸部重心处所受到的线性加速度小于等于60g。
3. 胸部压缩量
胸部压缩量表示在汽车碰撞中碰撞物对人体胸部的挤压撞击的程度，规定了对人体躯干的最大压缩量。
4. 盆骨峰值力
用于评价碰撞对盆骨的伤害程度。
5. 完全伤害评价
完全伤害评价是从汽车碰撞各类数据中综合分析得到的，充分考虑了碰撞对人体的伤害影响，分析得到最合适的约束参数，使碰撞事故对人体的伤害降至最低。
（2）
式（2）中：HIC－头部伤害的程度
－胸部3毫秒伤害程度
－胸部压缩量
－左大腿骨所受到的最大轴向力
－右大腿骨所受到的最大轴向力
上式公式中根据大量实验分析得到的各项伤害指标，使得综合伤害指标数据达到最低程度。
2.3 本章小结
本章主要讲述了汽车正面碰撞法规以及乘员伤害指标，国外起步远高于国内，相关法规也较为全面，普及的范围十分广泛，人们对法规的执行一丝不苟，对违反法规的驾驶员，有不同的处理办法，最终目的是要驾驶员牢记法规，不能违反规定，以及违反规定造成的后果。但在国内，人们遵守法规意识淡薄，并且执法部门对交通事故的评判，趋向于弱势人群，无意间助长了此类不良行为风气，要做到有错必罚，有法必依，近来国外增加了儿童乘员的保护法规，更能体现出人性化的一面，部分乘员伤害评价国内还没有具体的数据，因此要加强相关研究，得到全面的数据，一方面可以为伤者提供方便，另外可以给乘员提供警示，约束系统的作用在一定范围内有效果，速度过大，乘员人身伤害不能得到有效的保障。
原文链接：http://www.jxszl.com/jxgc/qcgc/899.html
