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1、第10讲：乘员头碰撞保护1.乘员头部碰撞问题的背景2.力学建模及其依据3.研究结果如何指导乘员头部碰撞保护设计背景 头部损伤是汽车碰撞事故中乘员重伤和死亡的主要原因 美国每年约有5000例与头部损伤有关的事故，2/3为乘员重伤，1/3为乘员死亡 发生头部损伤的事故类型：正面碰撞、侧面碰撞、滚翻 NHTSA 1995年修订 FMVSS 201 法规中汽车内饰与乘员头碰撞的要求 目标：减少二次碰撞导致的头部严重损伤 可能与乘员头部发生二次碰撞的部件：A柱、B柱、C柱、D柱、车顶侧纵梁、车顶前后横梁、车顶板、.Page Page 3头部撞击测试位置和测试方法A柱连接点风挡横梁遮阳板天窗框顶板后窗横梁
2、C柱低位C柱连接点车顶横梁B柱连接点B柱高位B柱中位B柱低位车顶侧纵梁A柱低位A柱中位说明：上述冲击位置由NHTSA测试标准制定，在某些情形下也可以根据工程需要选取车身结构上比较坚硬的部分 普通的 Hybrid III 头部模块，质量为 4.5 kg 自由飞行模式，撞击速度为 6.7 m/s（引起头部严重损伤的平均速度）撞击目标位置范围：汽车所有内饰上部部件 A柱、B柱、C柱、D柱、车顶侧纵梁、车顶前后横梁和车顶板 硬点：安全带锚固点、上方把手、衣帽钩和天窗框 指定头模块前额区域为碰撞接触区域 测量头部模块重心的加速度响应 头部损伤准则 HIC(d)1晚峰值:1这两个参数代表了总体接触刚度特性
3、，包含目标物结构、衬垫结构、头模块橡胶头皮头部撞击加速度脉冲，单位是重力加速度g时间(ms)Page 16接触刚度特性的影响给定 24.1 km/h(15 mph)速度和 30 mm 吸能距离，和 值，计算HIC(d)值 弹性 黏性 =0=0.5=1 峰值偏晚=0.5 1602 957 880 =0.9 2034 864 775 峰值偏早=1.5 2623 774 686 偏好值早峰值，小回弹设计方向新型衬垫结构概念 塑料内饰件+肋板+填充聚合物泡沫 目标：早峰值，小回弹 与供应商合作开发的衬垫结构概念 可实现有效保护的最小化的衬垫 塑料肋板：早峰值 填充塑料泡沫：小回弹Page 17接触刚度
4、特性的影响 通过分析大量头部撞击试验和有限元模拟发现：的范围：0.6-1.1 的范围：0.2-0.9 理论模型发现：理想的衬垫应满足 有较早的峰值力(接近 1.5)的波形和 有较强的黏性(接近 1)由 和 表征的接触刚度特性，是所有变形部件的属性的总和(衬垫,金属板材,头模块表皮)Page 18Page 19控制方程5.15.2407163.0TSgVHIC 对于 =0.5 和 =0.9 的典型衬垫属性可作为内部衬垫的设计工具4.1665404.0)(5.15.240TSgVdHIC对于分离式头部模块冲击器Page 20接触力、位移和速度-101234567012345678051015202
5、53035速度(m/s)接触力(kN)位移(mm)力速度V=6.705 m/s(15 mph)Peak Acc.=150.9 gHIC(d)=800等效接触刚度前期软接触，力逐渐上升小回弹Page 21衬垫设计空间050010001500200025003000010203040506070HIC(d)停止距离(mm)V=22.5 km/h(14 mph)V=24.1 km/h(15 mph)V=25.7 km/h(16 mph)4.1665404.0)(5.15.240TSgVdHIC吸能知识点分割、停顿点小结 由三部分组成衬垫变形：衬垫厚度中的10-15 mm头部模块表皮压缩：3-5 mm
6、金属板件弹性变形：5-10 mm 本研究的发现 为什么弹性金属件的变形能够耗散头部撞击能量？在金属件回弹前，撞击过程已经结束，头模块带来的动能留在 B柱的弹性变形里了回弹对HIC计算的影响很小但是弹性结构的刚度对HIC有影响Page 23总吸能空间Page 24力学模型验证XYZ050010001500200025003000HIC(d)FEAModel0200400600800100012001400160018002000HIC(d)TestModel有限元仿真试验研究中的发现和结果小结 头模块碰撞分析和设计需要考虑碰撞回弹 车身金属结构的弹性行为对头模块碰撞能量耗散可以有正面效果 发现了
7、HIC 响应与碰撞接触刚度特性的关系 早峰值，小回弹 归纳了设计理念和设计准则，指导衬垫结构设计 优化和最小化衬垫厚度 给出设计空间曲线，明确不同部门的设计责任Page 25H ead im pact accele ratio n pulse in gst1t2tpeakapeakaavgTR/2TL/2T im e(m s)050010001500200025003000010203040506070HIC(d)停止距离(mm)V=22.5 km/h(14 mph)V=24.1 km/h(15 mph)V=25.7 km/h(16 mph)LpTaHIC5.211515.04.1665404
8、.0)(5.15.240TSgVdHIC结语 碰撞安全性设计的挑战缺少吸能空间（资源少）+控制峰值力（要求高）抓住问题的本质，提出简化模型，指导工程设计ReferenceZhou Q et al(1998),An analytical study of system variables for meeting FMVSS 201 head impact requirements,1998 ASME CongressPage 26Extended works and achievements beyond the project Traditional structural functions
9、of the pillars Global stiffness for crash,NVH,rollover requirements Energy absorbing capability for crash Can pillar do something good in occupant head impact protection?How about EA capability in local area without sacrificing its global requirements?More EA space from the pillar(in addition to its
10、 contribution due to its elastic behavior)Better EA behavior(the pillar is metal structure)This thinking and invention also came from frequent lab visits and observations,do tests together(get your hands dirty)Page 27本页和下一页是内部存，上载课件时删除Find new and good problems from existing studies/projects The tes
11、t method is not good The headform from H3 dummy Difficult to aim Test repeatability is not good Talked to NHTSA Why not using spherical headform Why need the rubber skin Why not doing equivalence The Fords approach The GMs approach The influence to the EEVC pedestrian head impact protection requirementPage 28