基于碰撞力学的汽车被动安全系统概念设计方法研究

Vehicle collision is a complex,transient and high non-linear mechanical process. The conceptual design methodology of vehicle passive safety system is the core technology of vehicle passive safety independent development and top-down design. Based on the fundamentals of crash dynamics on vehicle and occupants,launching a research on the dynamics characteristics and conceptual design method of vehicle and occupant restraint system,then discussing the energy management of vehicle,occupant restraint system and the confirmation and decomposition method of impact pulse in conceptual design.Furthermore,the coupling relationship of crash characteristics and restraint system will be studied，then the ideal match and guarantee measures between the vehicle characteristics and occupant response will be proposed.Through researches on the critical issues about conceptual design of vehicle passive safety system which have been mentioned above,the aim to reveal the mechanical interactions and mathematical expression among vehicle,occupant and restraint system,and to get the essential basis and design methodology for the conceptual design of vehicle passive safety system can be reached.Finally, this project will apply the conceptual design method to the development of vehicle passive safety system of a homemade car, and the detailed computer simulation model of the vehicle crash dynamic model (including auto-body structures,dummies and restraint system) using commercial software will also be built to get the response of vehicle and occupant in vehicle crash,then the validity of concept design method will be verified.

汽车碰撞是一个瞬态、非线性、大变形的复杂力学过程，汽车碰撞安全系统的概念设计方法是实现整车被动安全性正向设计和自主开发的核心技术。 本项目依据车体与乘员的碰撞力学原理，开展整车和乘员约束系统碰撞动力学特性和概念设计方法研究，探讨概念设计阶段车体和乘员约束系统碰撞能量管理、碰撞波形目标的确定与波形目标的分解方法；研究乘员约束系统和整车碰撞特性的耦合关系，提出车体和乘员响应特性的理想匹配关系及其保证措施，同时给出概念设计阶段乘员约束系统理想非线性特性曲线的设计方法。通过对上述汽车碰撞安全系统概念设计关键问题的研究，寻求汽车碰撞系统中各子系统与乘员响应之间的力学联系及数学表达，提出汽车碰撞安全系统概念设计的基本依据和具体方法。项目拟将概念设计方法应用于某国产开发车型的整车碰撞安全系统开发，并建立整车碰撞安全系统的详细计算机仿真模型，计算车体与乘员伤害响应，验证概念设计的有效性。

汽车碰撞是一个瞬态、非线性、大变形的复杂力学过程，汽车碰撞安全系统的概念设计方法是实现整车被动安全性正向设计和自主开发的核心技术。本项目从碰撞力学基本原理出发，以“车体-乘员”单自由度解析模型为基础，通过车体、乘员和乘员约束系统之间的力学关系建立起乘员响应与整车（包括车体结构和约束系统）设计参数之间的快速求解，研究乘员约束系统和整车碰撞特性的耦合关系，最终实现概念设计阶段的整车抗撞性的目标制定和目标分解。.项目推导了“车体-乘员”单自由度模型任意正矢波输入下的乘员响应表达式，分析了约束系统刚度在较大范围内（极限）变化时对乘员响应及Ride-down效率的影响，从而确定约束刚度的最佳设计区间和曲线形状，为约束系统的性能设计提供参考。.利用单自由度模型迭代算法，项目以双梯形波作为输入，以三线性约束刚度作为系统特性，实现了乘员加速度响应的求解，建立了响应面。在此基础上，建立了整车设计参数和乘员加速度峰值的回归方程，提出两个刚度值及其耦合关系的评价方法，并最终与碰撞星级联系起来。该耦合评价方法可以确定车体和约束系统特性的理想匹配关系及其保证措施，同时给出概念设计阶段乘员约束系统理想特性曲线的设计方法。.项目提出一种概念设计阶段双台阶波的设计方法，进一步将双台阶波再细化为双梯形波以体现目标波形与结构参数的关联。在此基础上，以某车型为实例进行能量分解，以获得主要吸能子结构的抗撞性目标，再以各子结构的变形方式为依据，根据吸能量与压溃子结构的压溃力以及弯曲子结构的弯曲力矩之间的关系，将子结构的吸能量目标转化为压溃力及弯曲力矩目标。.项目还分别研究了碰撞波形分别为矩形和双台阶波形时梯形约束刚度的设计方法，并采用图解法进一步将约束刚度分解为约束子系统的性能设计目标，最终对应到约束系统的主要参数设计中。项目提出的概念设计方法可以在抗撞性设计初期，还没有详细3D数模的情况下，对车体前端结构吸能量和乘员约束系统特性进行合理预估，实现对前端子结构吸能设计和约束系统零部件设计的指导。