主动式安全气囊研究PPT

硕士毕业论文答辩校车连体型主动式安全气囊研究与优化目录CONTENTS1研究背景、意义2课题主要研究内容3课题研究过程4课题展望5相关专利论文01PARTONE研究背景、意义根据国家统计局2015年度发布的统计信息可知2015年全国小学生有11109.5万人，全国初中有5832.4万人，共计1.69亿人，从6-15岁学龄人口估算校车需求量，2015年校车潜在需求量在21.2万辆至84.9万辆之间,均值约为50.05万辆，我国校车产业有很大的发展前景。据不完全统计，2010年至2014年这五年内，全国共发生校车事故43起，其中八成有致死伤害，死亡人数达到153人。由于儿童的自我保护能力和安全意识比较差，身材与成年人相比也有很大差异，大部分校车配备的两点式安全带对儿童的保护远远不够，配备三点式安全带有助于降低乘员伤害，但如果肩带上固定点高度的不匹配会增加儿童颈部损伤风险。因此在带有两点式安全带的某款校车基础上设计了一种主动式安全气囊，该气囊不同于常规的碰撞时点爆充气的气囊，而是常开式的，校车搭载乘员起动后，气囊充气展开，并在行驶过程中保持常开式状态，实现碰撞和紧急制动工况下对儿童乘员的保护。研究背景01研究背景、意义研究意义主动式选择主动式常开型气囊，减免了通常气囊在点爆时产生的巨大冲击力对儿童身体造成二次伤害。并且学生儿童在乘坐过程中也无需使用手机或进行其他活动，所以常开型气囊并不会对其造成太大阻碍。0102校车随着城市化建设步伐加快，有越来越多的学童乘坐校车上学。但现在校车大多只是配备两点式安全带，若发生正面碰撞时儿童会与前排座椅发生二次碰撞。0304连体型在现有的基础上，由于考虑到儿童偏位的情况，每个座位的气囊不一定能正确保护到偏位儿童，所以提出连体式，即连着的双排座位使用一个连体的气囊。这样即使儿童坐到了两个座位的中间，气囊也能起到很好的保护。偏位由于儿童活泼好动，极为可能出现未正确佩戴安全带，或是坐姿多样化，出现偏位、离位现象，所以连体式主动式气囊具有很好的保护效果。01研究背景、意义02PARTTWO课题主要研究内容双排座椅连体型主动式气囊，分析在儿童中置偏位，单人乘坐，双人乘坐各工况的保护效果。连体型主动式双人乘坐偏位单人乘坐02课题主要研究内容02课题主要研究内容主要内容了解正面碰撞安全研究的内容与意义、国内外研究现状、研究方法、了解各正面碰撞法规及其内容，进行比较，并介绍正面碰撞乘员损伤评价标准和正面碰撞仿真所需软件1车体仿真模型建立、假人定位2气囊模块设计3仿真后气囊保护效果对比4筛选相应的设计参数，进行正交试验，做气囊参数匹配优化5总结与分析6研究过程参数定位对标软件仿真实验实验数据分析模型参数优化约束系统建立气囊模型建立02课题主要研究内容03PARTTHREE课题研究过程乘员伤害评价：03课题研究过程HIC15头部伤害评价指标：美国的FMVSS208、我国GB/T24550《汽车对行人的碰撞保护》和GB24406-2012法规中均采用了HIC15头部伤害指标。

Nij颈部伤害指标：颈部伤害评价指标Nij是四组由轴向力Fz和弯矩My组合造成的损伤预测的总称。T3ms胸部伤害评价指标：胸部3毫秒准则T3ms指在3ms及以上时间内，作用在人体胸部重心处的最大线性加速度，用来表示人体胸部受伤的最大程度。FFC大腿骨准则：利用大腿骨上的轴向力评价人体大腿受力骨折极限，评价碰撞对大腿骨的伤害程度，FFCL和FFCR分别指左右大腿承受的轴向压缩力。WIC完全伤害评价指标：除了单一的评价身体各部位，还需要综合考虑头部、颈部、胸部和腿部等部位对人体的影响，反映约束系统整体性能。建立校车正面碰撞乘员约束系统模型在CATIA中根据校车厂商提供的图纸建立座椅的三围模型，再导入HYPERMASH中采用三角形和四边形壳单元对座椅进行有限元网格划分。建立校车车体模型，包括地板，导入前后排座椅，定义铰坐标系。选用HybridIII型6岁儿童假人，可比P型6岁假人输出更多伤害指标信息。03课题研究过程调入HybridIII型6岁儿童假人，依据试验参数进行假人定位，使用安全带定义工具为假人佩戴两点式安全带，定义接触，将台车试验相关数据输入校车模型完成假人定位。03课题研究过程校车正面碰撞乘员约束系统模型对标验证将台车正碰试验的加速度曲线加载到配备两点式安全带的校车儿童乘员约束模型中碰撞加速度曲线作用于x轴方向，重力加速度场作用于Z轴方向。校车正面碰撞车体模型的台车实验与仿真对比，假人运动姿态基本一致。03课题研究过程部分伤害输出曲线基本吻合，各损伤指标误差也在10%以内，模型有效性得到验证。03课题研究过程伤害指标试验结果仿真结果误差HIC15159.0157.4-1.01%T3ms/(g)25.526.33.14%Nij1.4151.386-2.05%FFCL/N876824-5.94%FFCR/N851810-4.82%连体型主动式安全气囊模型的建立参照此前研究的针对6岁儿童优化的单体型气囊结构，扩展气囊长度，使其达到满足两个座位的连体型气囊的要求。在Hypermesh中进行安全气囊的网格划分，采用三角形膜单元，网格划分后检查雅格比、翘曲、单元尺寸等，保证网格的质量。再对各种气囊参数进行定义。03课题研究过程各种参数进行定义，各参数都使用针对6岁儿童优化的单体型气囊参数，作为连体型气囊研究的初始值。03课题研究过程上部拉带长度中部拉带长度下部拉带长度排气孔直径气囊中心距座椅上表面位置排气孔位置24029032030350两侧中部MADYMO中导入模型并仿真计算在MADYMO中将建立好的约束系统、假人、气囊模型导入定位。并进行各种工况的仿真实验，儿童中置偏位、双人乘坐、单人乘坐。得到各工况下的实验数据，并计算WIC值。03课题研究过程儿童中置偏位、双人乘坐、单人乘坐。03课题研究过程对得到的双人乘坐、单人乘坐、中置偏位各工况下的仿真实验结果进行分析，检验，对比。03课题研究过程单体型气囊HIC15T3ms/(g)NijFFCL/NFFCR/NWICS单人乘坐77.716.260.41111809560.2945中置偏位278.625.10.612258438920.6349连体型气囊单人乘坐92.318.870.503137813090.3452双人乘坐79.818.130.487126210970.3237中置偏位139.124.90.353162831340.4492单人乘坐时由于乘员只撞在连体型气囊的一侧，导致气囊两侧承受压力不均，无法达到气囊最理想的保护位置，如图所示，在同一时刻的头部侵入量相较单体型气囊有所增加，头部更加贴近前排座椅靠背，各评价指标伤害值上升，WICs值升高了18.57%03课题研究过程仿真实验单因素分析针对连体型主动式安全气囊在乘员单人乘坐和双人乘坐两种工况下保护效果的降低，选取上部拉带、中部拉带、下部拉带各尺寸，排气孔直径，气体质量流率缩放系数，气囊安装位置和排气孔开启压力这七个参数，研究这些参数在双人乘坐和单人乘坐这两种工况下变化对乘员损伤评价指标所造成的影响变化，控制变量进行单因素分析。03课题研究过程以加权伤害评价指标WICs的变化作为参考，对两种工况下乘员保护效果影响较大的相同参数有排气孔直径、气体质量流率缩放系数、气囊的安装位置和排气孔开启压力，但是排气孔直径和排气孔开启压力对两种工况的影响趋势相反。单人乘坐时中部拉带长度的影响也比较高，双人乘坐时下部拉带长度的影响变化幅度也比较明显。这为后期气囊参数的优化提供了理论数据基础。03课题研究过程仿真实验数据分析及模型优化假人各部位的伤害值都在法规限值内，提高试验效率所以以WICs作为最终优化目标，则各不同参数对目标响应值的灵敏程度即为WICs变化率的大小。根据上文对双人乘坐工况下的连体型气囊不同参数的单因素分析，比较各参数变化后的WICs值与初始参数下的WICs值，计算出双人乘坐工况下各气囊参数的WICs变化率影响03课题研究过程两种工况的参数灵敏度分析结果，变化率图表直观分析，双人乘坐和单人乘坐两种工况的灵敏因素基本相同，值得注意的是在排气孔直径和排气孔开启压力上两工况的WIC变化趋势出现差异。03课题研究过程最终确定以：下部拉带长度、排气孔直径、气囊安装位置、排气孔开启压力、气体质量流率这五个因素，设计五因素四水平正交优化试验。以WIC变化率做参考，设计水平的倾向和不同水平的差值。03课题研究过程水平因素A下部拉带长度B排气孔直径C气体质量流率D气囊安装位置E排气孔开启压力1310250.83301.2123203013501.233330351.23701.254340401.43901.27双人乘坐优化以加权伤害评价WICs作为优化目标，在极差分析法下。通过不同因素各水平的均值K‘分析出最优的参数组合，对比正交试验表中没有此组合。将此参数组合再进行一次仿真计算，得到的WICs为0.3104，再与正交试验表中的组合进行对比，发现第10组试验的伤害值更低，仅为0.3031，所以选择此参数组合作为优化结果。此时下部拉带330，排气孔直径30，气体质量流率1.4，安装位置370，开启压力1.2103课题研究过程最终确定以：中部拉带长度、排气孔直径、气囊安装位置、排气孔开启压力、气体质量流率这五个因素，设计五因素四水平正交优化试验。以WIC变化率做参考，设计水平的倾向和不同水平的差值。03课题研究过程水平因素A中部拉带长度B排气孔直径C气体质量流率D气囊安装位置E排气孔开启压力1280200.83301.2322902513501.253300301.23701.274310351.43901.29单人乘坐优化在极差分析法下。通过不同因素各水平的均值K‘分析出最优的参数组合，对比正交试验表中没有此组合。将此参数组合再进行一次仿真计算，得到的WICs为0.3015，发现此组试验即为最优，所以选择此参数组合作为优化结果。此时下部拉带310，排气孔直径20，气体质量流率1.2，安装位置390，开启压力1.2903课题研究过程在双人乘坐和单人乘坐两种工况下，各自的最优气囊参数组合。但是在实际应用中，即无法做到实时调节主动式安全气囊各参数来应对不同的乘员乘坐工况，也不可能为不同工况单独开发气囊大大浪费资源。所以针对双人乘坐和单人乘坐两工况同时能达到理想的乘员保护效果，还需要进行多目标优化设计，并且以多目标优化结果作为连体型气囊的最终优化结果，这样更符合实际意义03课题研究过程多目标优化两种工况中有四个灵敏参数相同，而双人乘坐的下部拉带长度参数和单人乘坐的中部拉带长度参数，在另一种工况中都不算灵敏。所以最终选择排气孔直径、气体质量流率缩放系数、气囊的安装位置和排气孔开启压力这四个相同的灵敏参数作为优化设计变量，其余参数均采用各自工况下的最优参数，即上部拉带尺寸240mm，中部拉带尺寸310mm，下部拉带尺寸330mm。优化参数选择为了能够尽可能准确地建立出连体型气囊的四个优化参数与双人乘坐和单人乘坐下加权伤害评价指标WICs2和WICs1之间的函数定量关系，需要进行更多的仿真试验数据采样。由于同时考虑两工况的因素影响，需要涵盖更多水平的数据样本，所以使用了拉丁超立方抽样试验设计。03课题研究过程构造代理模型利用SPSSStatistics软件进行非线性回归分析构造二次多项式响应面模型，建立两个数学代理模型，最终拟合出的代理模型数学函数如下：03课题研究过程WICs2=2.3157803+0.0276032x1+0.8785292x2+0.0070098x3-6.8955777x4-0.0000026x1^2+0.0001859x1x2+0.0000064x1x3-0.0253751x1x4+0.0118268x2^2-0.0010352x2x3-0.4435532x2x4-0.0000041x3^2-0.0024884x3x4+3.7389149x4^2WICs1=2.6392924-0.0029659x1+0.6646293x2+0.0013669x3-4.0810069x4-0.0000435x1^2+0.0003261x1x2-0.0000128x1x3+0.0089493x1x4-0.1427296x2^2+0.0000857x2x3-0.3459875x2x4-0.0000006x3^2-0.0006093x3x4+1.5789812x4^2式中：x1为排气孔直径，x2为气体质量流率，x3为气囊安装位置，x4为排气孔开启压力。上述两个二次多项式响应面模型的检测指标R2分别为0.982和0.961，R2的值越接近1，表示所拟合的数学模型精度越高03课题研究过程为了针对同时在两种工况下校车连体型气囊约束系统对乘员的保护优化，以加权伤害评价指标WICs2和WICs1作为优化目标，构造出两种工况下的两个目标函数，优化计算的数学表达式和约束条件如下：minWICs2(x)=f(x1,x2,x3,x4)minWICs1(x)=f(x1,x2,x3,x4)20≤x1≤400.9≤x2≤1.3330≤x3≤4101.21≤x4≤1.29式中：WICs2和WICs1为两个目标函数，x1、x2、x3和x4为设计变量。多目标优化的问题的解通常是一系列的解，称为非支配解或Pareto解。多目标遗传算法具有在单次优化过程中寻找到多个Pareto最优解的能力，可以处理各种函数和约束。在MATLAB中调用遗传算法工具箱，使用gamultiobj函数遗传算法对目标函数在给出的约束下进行求解，得到的最优解集由18组优化解组成03课题研究过程03课题研究过程在这个多目标优化过程中，目标必然是希望加权伤害评价指标WICs2和WICs1都能够优化到足够小。可由图6.3所示的Pareto前沿曲线可知，这两个优化目标有所矛盾。优化的解集显示，当设计变量满足WICs2足够小时，WICs1就会有所升高，反之亦然。由于设计变量中有两个因素的变化所引起WICs2和WICs1的变化趋势相反，所以在寻优过程中两个目标有所矛盾，此结果也确实印证了上文单因素分析的结果。在实际应用中，自然应该优先考虑两种工况的一致性，减少工况之间的差异，不能够在一种工况下保护效果极优但在另一种工况下保护效果极差。所以选择的优化解为WICs2和WICs1这两个值最接近时的解，此时设计点x1=32.263，x2=1.299，x3=403.606,x4=1.286,WICs2=0.3070,WICs1=0.3049。03课题研究过程在这个多目标优化过程中，目标必然是希望加权伤害评价指标WICs2和WICs1都能够优化到足够小。可由图6.3所示的Pareto前沿曲线可知，这两个优化目标有所矛盾。优化的解集显示，当设计变量满足WICs2足够小时，WICs1就会有所升高，反之亦然。由于设计变量中有两个因素的变化所引起WICs2和WICs1的变化趋势相反，所以在寻优过程中两个目标有所矛盾，此结果也确实印证了上文单因素分析的结果。在实际应用中，自然应该优先考虑两种工况的一致性，减少工况之间的差异，不能够在一种工况下保护效果极优但在另一种工况下保护效果极差。所以选择的优化解为WICs2和WICs1这两个值最接近时的解，此时设计点x1=32.263，x2=1.299，x3=403.606,x4=1.286,WICs2=0.3070,WICs1=0.3049。03课题研究过程最后再将完成七个参数优化后的连体型气囊