CN102637229B - 汽车驾驶员侧正面安全气囊设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了汽车驾驶员侧正面安全气囊设计方法，步骤：1.建立安全气囊解析模型：确定冲击块加速度与安全气囊内部压力、冲击块与安全气囊的接触面积和冲击块质量之间关系；确定泄气速率表达式；建立安全气囊的解析模型。2.安全气囊主要参数设计：确定安全气囊主要参数设计初始值；将主要参数设计初始值代入解析模型计算得冲击块加速度响应曲线；评价冲击块加速度响应曲线，确定主要参数设计值。3.安全气囊计算机仿真分析：确定其他的安全气囊参数设计初始值；利用MADYMO软件建立安全气囊的计算机仿真分析模型；得到冲击块加速度响应曲线；确定安全气囊参数设计值。4.试验测试；得到冲击块加速度响应曲线；验证安全气囊参数设计值。

Description

汽车驾驶员侧正面安全气囊设计方法

技术领域

本发明涉及一种安全气囊的设计方法，更确切地说，本发明涉及一种汽车驾驶员侧正面安全气囊设计方法。

背景技术

汽车被动安全性是指在汽车发生碰撞事故之后，对于车内人员的保护能力，其好坏是评价汽车产品质量高低的重要指标之一，直接影响消费者的购车取向和汽车产品的市场竞争力。在我国，随着汽车工业的快速发展和人们物质生活水平的不断提高，汽车逐步走进各个家庭，同时人们对于汽车安全性能的要求也在不断地提高，促进各个汽车生产厂商投入大量的人力、物力等资源致力于提高汽车的被动安全性能。汽车驾驶员侧正面安全气囊系统作为汽车被动安全性的辅助驾驶人员保护设备，也日渐受到消费者的重视。其基本思想是：在车辆发生碰撞后，驾驶员与方向盘等车内部件碰撞前，迅速地在二者之间打开一个充满气体的“气垫”，使驾驶员扑在“气垫”上，以缓和冲击并吸收驾驶员的动能，从而达到减轻驾驶员伤害程度的目的。汽车驾驶员侧正面安全气囊设计参数众多，例如，气囊体积，充气量大小，泄气孔参数和折叠方式等，并且驾驶员伤害响应同驾驶员侧正面安全气囊设计参数之间没有明确的对应关系，所以，驾驶员侧正面安全气囊的设计显得复杂而繁琐。较早之前，各个汽车生产厂商采用单纯的物理试验反复试错，进行驾驶员侧正面安全气囊设计，这种方法不仅开发周期长，而且需要试制出大量的气囊样件，使得开发成本增加。近些年，随着计算机仿真分析技术的不断提高，现阶段各个汽车生产厂商均采用“正面气囊初始设计—>计算机仿真分析—>试验测试—>再分析—>再测试”的方法来进行驾驶员侧正面安全气囊的设计开发。这种方法利用计算机仿真分析代替了一部分物理试验，减少了气囊试验样件的数量，但并没有改变反复试错的次数。因此，需要一种能在汽车驾驶员侧正面安全气囊计算机仿真分析阶段之前，就能确定出某些气囊主要参数设计范围的方法，从而为计算机仿真分析阶段提供设计指导，减少试错次数，达到缩短开发周期，降低开发成本的效果。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服了现有技术存在的问题，提供了一种基于解析模型的汽车驾驶员侧正面安全气囊设计方法。

为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的：所述的汽车驾驶员侧正面安全气囊设计方法的步骤如下：

1.建立驾驶员侧正面安全气囊解析模型

(1)确定冲击块加速度与驾驶员侧正面安全气囊内部压力、冲击块与驾驶员侧正面安全气囊的接触面积和冲击块质量之间的关系：

a.分析驾驶员与驾驶员侧正面安全气囊的相互作用过程。

b.应用动量定理对冲击块与驾驶员侧正面安全气囊的相互作用进行力学分析，确定出冲击块加速度与驾驶员侧正面安全气囊内部压力、冲击块与驾驶员侧正面安全气囊的接触面积和冲击块质量之间的关系表达式：

(P-P₀)·S_接触·Δt＝m_冲击块·(v-v₀)                        (1)

式中：P.驾驶员侧正面安全气囊的内部压力，单位.P_a；P₀.驾驶员侧正面安全气囊刚充满时刻的内部压力值，单位.P_a；S_接触.冲击块与驾驶员侧正面安全气囊的接触面积，单位.m²；m_冲击块.冲击块的质量，单位.kg；v.冲击块的速度，单位.m·s^-1；v₀.冲击块与驾驶员侧正面安全气囊刚接触时刻的速度，单位.m·s^-1；a.冲击块的加速度，单位.m·s^-2；Δt.冲击块与驾驶员侧正面安全气囊的作用时间，单位.s。

(2)确定泄气速率表达式：

a.在单位时间内通过泄气孔流出驾驶员侧正面安全气囊的气体质量为：

Δm＝ρ·S_孔·v_泄气·dt                                    (3)

式中：Δm.单位时间内通过气囊泄气孔流出的气体质量，单位.kg；ρ.驾驶员侧正面安全气囊内部混合气体的密度，单位.kg·m^-3；S_孔.气囊泄气孔面积的总和，单位.m²；v_泄气.驾驶员侧正面安全气囊内部气体的泄气速率，单位.m·s^-1。

b对单位时间段内流出的气体进行力学分析，由动量定理可确定泄气速率的大小：

Δm·v_泄气＝F·dt                                          (4)

F＝(P-P_大气)·S_孔                                          (5)

将公式(3)和公式(5)代入公式(4)中得到泄气速率表达式：

式中：P_大气.标准大气压力。

(3)建立驾驶员侧正面安全气囊的解析模型：

a根据理性气体状态方程，确定出驾驶员侧正面安全气囊内部压力P：

$P=\frac{\mathrm{RT}}{M}\·\frac{m}{V}---\left(7\right)$

式中：R.比例系数；T.驾驶员侧正面安全气囊内部混合气体的温度，单位.K；M.混合气体平均摩尔质量，单位.kg；m.驾驶员侧正面安全气囊内部气体质量，单位.kg；V.驾驶员侧正面安全气囊的体积，单位.m³；

b确定任意时刻驾驶员侧正面安全气囊(1)内部气体质量：

式中：m_总.驾驶员侧正面安全气囊内部气体的总质量，单位.kg；m_泄气.由泄气孔排出的气体质量，单位.kg。

c.确定任意时刻驾驶员侧正面安全气囊(1)的体积：

式中：V_总.驾驶员侧正面安全气囊的体积，单位.m³；V_压缩.由于冲击块的挤压造成的气囊体积的减少量，单位.m³；V_泄气.由于内部气体泄出造成的气囊体积的减少量，单位.m³；k.压缩体积修正系数。

d.将公式(7)、(8)、(9)代入到公式(2)中，可以确定出冲击块与驾驶员侧正面安全气囊之间相互作用的运动学公式(10)，即驾驶员侧正面安全气囊的解析模型：

e.应用Mat lab编程构造驾驶员侧正面安全气囊解析模型的迭代求解格式：

m_泄气(i+1)＝m_泄气(i)+ρ(i)·S_孔·v_泄气(i)·Δt

V_压缩(i+1)＝(V_压缩(i)+v(i)·S_接触·Δt)·k

V_泄气(i+1)＝V_泄气(i)+v_泄气(i)·S_孔·Δt

v(i+1)＝v(i)-a(i)·Δt                                 (11)

式中：i＝0，1，2…n。

2.驾驶员侧正面安全气囊主要参数设计

(1)确定驾驶员侧正面安全气囊主要参数设计初始值。

(2)将驾驶员侧正面安全气囊主要参数设计初始值代入解析模型计算得冲击块加速度响应曲线。

(3)评价冲击块加速度响应曲线，确定驾驶员侧正面安全气囊主要参数设计值。

3.驾驶员侧正面安全气囊计算机仿真分析

(1)确定除主要参数之外的其他驾驶员侧正面安全气囊参数的设计初始值，其它驾驶员侧正面安全气囊参数包括驾驶员侧正面安全气囊的袋体织物弹性模量、袋体织物厚度、冲入安全气囊的混合气体成分和折叠方式。

(2)利用MADYMO软件建立驾驶员侧正面安全气囊的计算机仿真分析模型。

(3)通过计算机求解驾驶员侧正面安全气囊的计算机仿真分析模型，得到冲击块加速度响应曲线。

(4)评价冲击块加速度响应曲线，确定其他驾驶员侧正面安全气囊参数的设计值，包括驾驶员侧正面安全气囊的袋体织物弹性模量、袋体织物厚度、冲入安全气囊的混合气体成分和折叠方式。

4.试验测试

(1)根据驾驶员侧正面安全气囊的计算机仿真分析模型设计驾驶员侧正面安全气囊动态冲击试验。

(2)通过驾驶员侧正面安全气囊动态冲击试验，得到冲击块加速度响应曲线。

(3)对比三条冲击块加速度响应曲线，用以验证驾驶员侧正面安全气囊参数设计值的正确性。所述的三条冲击块加速度响应曲线：第一条通过驾驶员侧正面安全气囊的解析模型计算获得，第二条通过计算机仿真分析获得，第三条通过冲击块冲击试验获得。

与现有技术相比本发明的有益效果是：

1.本发明所述的汽车驾驶员侧正面安全气囊设计方法建立了驾驶员侧正面安全气囊的解析模型。利用解析模型可以在给定驾驶员侧正面安全气囊主要参数的情况下可以快速求解驾驶员响应，或是在给定驾驶员响应的情况下进行驾驶员侧正面安全气囊参数的快速优化设计。克服了传统方法需要通过建立详细的驾驶员侧正面安全气囊计算机仿真分析模型才能进行主要参数设计的缺点，减少主要参数设计的工作量，缩短了开发周期，降低了开发成本。

2.本发明所述的汽车驾驶员侧正面安全气囊设计方法中建立的驾驶员侧正面安全气囊解析模型以非线性微分方程的形式，表达出驾驶员响应与驾驶员侧正面安全气囊主要设计参数之间的关系，有别于现阶段广泛应用的基于计算流体力学和有限元理论的驾驶员侧正面安全气囊仿真分析方法。该模型有助于对驾驶员与其正面安全气囊相互作用的力学关系进行深入研究，找出驾驶员侧正面安全气囊主要参数对驾驶员加速度响应的影响程度，从而为驾驶员加速度响应的有效控制提供依据。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

图1为本发明所述的汽车驾驶员侧正面安全气囊设计方法中将汽车发生正面碰撞时驾驶员与驾驶员侧正面安全气囊的相互作用被简化为一个冲击块撞击一个“缓冲垫”的物理模型中冲击块以初始速度v₀冲击驾驶员侧正面安全气囊的示意图；

图2为本发明所述的汽车驾驶员侧正面安全气囊设计方法中驾驶员侧正面安全气囊充气质量曲线图；

图3为本发明所述的汽车驾驶员侧正面安全气囊设计方法中驾驶员侧正面安全气囊主要参数中充气量为0.0266kg、2个泄气孔直径均为30mm与体积为0.054m³时由解析模型计算得到的冲击块加速度响应曲线图；

图4为本发明所述的汽车驾驶员侧正面安全气囊设计方法中建立驾驶员侧正面安全气囊几何模型示意图；

图5为本发明所述的汽车驾驶员侧正面安全气囊设计方法中应用HyperMesh软件建立的驾驶员侧正面安全气囊的有限元模型示意图；

图6为本发明所述的汽车驾驶员侧正面安全气囊设计方法中应用MADYMO软件的Folder模块建立的驾驶员侧正面安全气囊的折叠模型轴测投影图；

图7a为本发明所述的汽车驾驶员侧正面安全气囊设计方法中应用MADYMO软件所建立的冲击块冲击驾驶员侧正面安全气囊计算机仿真分析模型第30ms时的变形示意图；

图7-b为本发明所述的汽车驾驶员侧正面安全气囊设计方法中应用MADYMO软件所建立的冲击块冲击驾驶员侧正面安全气囊计算机仿真分析模型第35ms时的变形示意图；

图7-c为本发明所述的汽车驾驶员侧正面安全气囊设计方法中应用MADYMO软件所建立的冲击块冲击驾驶员侧正面安全气囊计算机仿真分析模型第40ms时的变形示意图；

图8为本发明所述的汽车驾驶员侧正面安全气囊设计方法中应用计算机仿真分析得到的冲击块加速度响应曲线图。

图9为本发明所述的汽车驾驶员侧正面安全气囊设计方法中应用MADYMO软件所建立台车仿真分析模型示意图；

图10为本发明所述的汽车驾驶员侧正面安全气囊设计方法中冲击块冲击驾驶员侧正面安全气囊试验的示意图；

图11为本发明所述的汽车驾驶员侧正面安全气囊设计方法中通过试验测得冲击块加速度曲线；

图12为本发明所述的汽车驾驶员侧正面安全气囊设计方法中通过驾驶员侧正面安全气囊解析模型、计算机仿真分析和冲击块冲击试验获得的冲击块加速度曲线的对比图；

图13为本发明所述的汽车驾驶员侧正面安全气囊设计方法的流程图。

图中：1.驾驶员侧正面安全气囊，2.气囊泄气孔，3.固定支撑，4.冲击块，5.安全头枕，6.方向盘，7.护膝板，8.地板，9.三点式安全带，10.座椅，11.假人模型，12.支撑装置，13.高速摄像机，14.折叠后的安全气囊。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细的描述：

参阅图1，本发明所述的汽车驾驶员侧正面安全气囊设计方法包括建立驾驶员侧正面安全气囊解析模型、驾驶员侧正面安全气囊主要参数设计、驾驶员侧正面安全气囊计算机仿真分析和试验测试四个步骤。所述的驾驶员侧正面安全气囊主要参数包括驾驶员侧正面安全气囊体积、驾驶员侧正面安全气囊的充气质量和泄气孔面积。

1.建立驾驶员侧正面安全气囊解析模型

1)确定冲击块加速度与驾驶员侧正面安全气囊内部压力、冲击块与驾驶员侧正面安全气囊的接触面积和冲击块质量之间的关系：

(1)分析驾驶员与驾驶员侧正面安全气囊1的相互作用过程。

(2)应用动量定理对冲击块4与驾驶员侧正面安全气囊1的相互作用进行力学分析，确定出冲击块加速度与驾驶员侧正面安全气囊1内部压力、冲击块4与驾驶员侧正面安全气囊1的接触面积和冲击块4质量之间的关系表达式：

(P-P₀)·S_接触·Δt＝m_冲击块·(v-v₀)                      (1)

式中：P.驾驶员侧正面安全气囊的内部压力，单位.P_a；P₀.驾驶员侧正面安全气囊刚充满时刻的内部压力值，单位.P_a；S_接触.冲击块与驾驶员侧正面安全气囊的接触面积，单位.m²；m_冲击块.冲击块的质量，单位.kg；v.冲击块的速度，单位.m·s^-1；v₀.冲击块与驾驶员侧正面安全气囊刚接触时刻的速度，单位.m·s^-1；a.冲击块的加速度，单位.m·s^-2；Δt.冲击块与驾驶员侧正面安全气囊的作用时间，单位.s。

2)确定泄气速率表达式：

(1)在单位时间内通过泄气孔2流出驾驶员侧正面安全气囊1的气体质量为：

Δm＝ρ·S_孔·v_泄气·dt                                  (3)

式中：Δm.单位时间内通过气囊泄气孔流出的气体质量，单位.kg；ρ.驾驶员侧正面安全气囊内部混合气体的密度，单位.kg·m^-3；S_孔.气囊泄气孔面积的总和，单位.m²；v_泄气.驾驶员侧正面安全气囊内部气体的泄气速率，单位.m·s^-1。

(2)对单位时间段内流出的气体进行力学分析，由动量定理确定泄气速率：

Δm·v_泄气＝F·dt                                        (4)

F＝(P-P_大气)·S_孔                                        (5)

将公式(3)和公式(5)代入公式(4)中得到泄气速率表达式：

式中：P_大气为标准大气压力；

3)建立驾驶员侧正面安全气囊的解析模型：

(1)根据理性气体状态方程，确定出驾驶员侧正面安全气囊1内部压力P：

$P=\frac{\mathrm{RT}}{M}\·\frac{m}{V}---\left(7\right)$

式中：R.比例系数；T.驾驶员侧正面安全气囊内部混合气体的温度，单位.K；M.混合气体平均摩尔质量，单位.kg；m.驾驶员侧正面安全气囊内部气体质量，单位.kg；V.驾驶员侧正面安全气囊的体积，单位.m³。

(2)确定任意时刻驾驶员侧正面安全气囊内部气体质量：

式中：m_总.驾驶员侧正面安全气囊内部气体的总质量，单位.kg；m_泄气.由泄气孔排出的气体质量，单位.kg。

(3)确定任意时刻驾驶员侧正面安全气囊1的体积：

式中：V_总.驾驶员侧正面安全气囊的体积，单位.m³；V_压缩.由于冲击块的挤压造成的气囊体积的减少量，单位.m³；V_泄气.由于内部气体泄出造成的气囊体积的减少量，单位.m³；k.压缩体积修正系数。

(4)将公式(7)、(8)、(9)代入到公式(2)中，可以确定出冲击块与驾驶员侧正面安全气囊之间相互作用的运动学公式(10)，即驾驶员侧正面安全气囊的解析模型：

(5)应用Matlab编程构造驾驶员侧正面安全气囊解析模型的迭代求解格式：

m_泄气(i+1)＝m_泄气(i)+ρ(i)·S_孔·v_泄气(i)·Δt

V_压缩(i+1)＝(V_压缩(i)+v(i)·S_接触·Δt)·k

V_泄气(i+1)＝V_泄气(i)+v_泄气(i)·S_孔·Δt

v(i+1)＝v(i)-a(i)·Δt                                   (11)

式中：i＝0，1，2…n。

2.驾驶员侧正面安全气囊主要参数设计

1)确定驾驶员侧正面安全气囊主要参数设计初始值。

2)将驾驶员侧正面安全气囊主要参数设计初始值代入解析模型计算得冲击块加速度响应曲线。

3)评价冲击块加速度响应曲线，确定驾驶员侧正面安全气囊主要参数设计值。

3.驾驶员侧正面安全气囊计算机仿真分析

1)确定除主要参数之外的其它驾驶员侧正面安全气囊参数的设计初始值。其它驾驶员侧正面安全气囊参数包括驾驶员侧正面安全气囊的袋体织物弹性模量、袋体织物厚度、冲入安全气囊的混合气体成分和折叠方式。

2)利用MADYMO软件建立驾驶员侧正面安全气囊1的计算机仿真分析模型：包括冲击块冲击仿真模型和台车仿真模型。

3)通过计算机求解驾驶员侧正面安全气囊1的计算机仿真分析模型，得到冲击块加速度响应曲线。

4)评价冲击块加速度响应曲线，确定其它驾驶员侧正面安全气囊1参数的设计值，包括驾驶员侧正面安全气囊1的袋体织物弹性模量、袋体织物厚度、冲入安全气囊的混合气体成分和折叠方式。

4.试验测试

1)根据驾驶员侧正面安全气囊1的计算机仿真分析模型设计驾驶员侧正面安全气囊动态冲击试验。

2)通过驾驶员侧正面安全气囊动态冲击试验，得到冲击块加速度响应曲线。

3)对比三条冲击块加速度响应曲线，用以验证驾驶员侧正面安全气囊1参数设计值的正确性。所述的三条冲击块加速度响应曲线：第一条通过驾驶员侧正面安全气囊1的解析模型计算获得，第二条通过计算机仿真分析获得，第三条通过冲击块4冲击试验获得。

实施例

1.建立驾驶员侧正面安全气囊解析模型

1)确定冲击快加速度与驾驶员侧正面安全气囊内部压力、冲击块与驾驶员侧正面安全气囊的接触面积与冲击块质量之间的关系：

参阅图1，汽车发生正面碰撞时，驾驶员与驾驶员侧正面安全气囊1的相互作用可以简化为一个冲击块4撞击一个“缓冲垫”的物理模型。驾驶员侧正面安全气囊1内部的气体由于冲击块4的冲击挤压和内外环境压力差通过气囊泄气孔2流出，达到排气释能的效果。

应用动量定理对冲击块4与驾驶员侧正面安全气囊1的相互作用进行力学分析，确定出冲击快加速度与驾驶员侧正面安全气囊1内部压力、冲击块与驾驶员侧正面安全气囊的接触面积和冲击块质量之间的关系表达式：

(P-P₀)·S_接触·Δt＝m_冲击块·(v-v₀)                      (1)

式中：P.驾驶员侧正面安全气囊的内部压力，单位.P_a；P₀.驾驶员侧正面安全气囊刚充满时刻的内部压力值，单位.P_a；S_接触.冲击块与驾驶员侧正面安全气囊的接触面积，单位.m²；m_冲击块.冲击块的质量，单位.kg；v.冲击块的速度，单位.m·s^-1；v₀.冲击块与驾驶员侧正面安全气囊刚接触时刻的速度，单位.m·s^-1；a.冲击块的加速度，单位.m·s^-2；Δt.冲击块与驾驶员侧正面安全气囊的作用时间，单位.s。

2)确定泄气速率表达式：

(1)在单位时间内通过泄气孔2流出驾驶员侧正面安全气囊1的气体质量：

Δm＝ρ·S_孔·v_泄气·dt                                  (3)

式中：Δm.单位时间内通过气囊泄气孔流出的气体质量，单位.kg；ρ.驾驶员侧正面安全气囊内部混合气体的密度，单位.kg·m^-3；S_孔.气囊泄气孔面积的总和，单位.m²；v_泄气.驾驶员侧正面安全气囊内部气体的泄气速率，单位.m·s^-1。

(2)对单位时间内流出的气体进行力学分析，由动量定理可确定泄气速率：

Δm·v_泄气＝F·dt                                        (4)

F＝(P-P_大气)·S_孔                                        (5)

将公式(3)和公式(5)代入公式(4)得到泄气速率表达式：

式中：P_大气.标准大气压力，取值为101325Pa。

3)建立驾驶员侧正面安全气囊的解析模型：

(1)根据理性气体状态方程，确定出驾驶员侧正面安全气囊内部压力P的表达式：

$P=\frac{\mathrm{RT}}{M}\·\frac{m}{V}---\left(7\right)$

式中：R.比例系数，取值为8.314J·mol^-1·K^-1；T.驾驶员侧正面安全气囊内部混合气体的温度，单位.K；M.混合气体平均摩尔质量，单位.kg；m.驾驶员侧正面安全气囊内部气体质量，单位.kg；V.驾驶员侧正面安全气囊的体积，单位.m³。

(2)确定任意时刻驾驶员侧正面安全气囊内部气体质量：

式中：m_总.驾驶员侧正面安全气囊内部气体的总质量，单位.kg；m_泄气.由气囊泄气孔排出的气体质量，单位.kg。

(3)确定任意时刻驾驶员侧正面安全气囊体积：

式中：V_总.驾驶员侧正面安全气囊的体积，单位.m³；V_压缩.由于冲击块的挤压造成的气囊体积的减少量，单位.m³；V_泄气.由于内部气体泄出造成的气囊体积的减少量，单位.m³；k.压缩体积修正系数，取值为0.7。

(4)将公式(7)、(8)、(9)代入到公式(2)中，可以确定出冲击块4与驾驶员侧正面安全气囊1之间相互作用的运动学公式(10)，即驾驶员侧正面安全气囊1的解析模型：

公式(10)中的第一项包含的变量均为驾驶员侧正面安全气囊1的主要参数，第二项相当于驾驶员加速度响应。所以，在给定驾驶员侧正面安全气囊1的主要参数的情况下可以快速求解得到驾驶员响应，或是在给定驾驶员加速度响应的情况下进行驾驶员侧正面安全气囊1参数的快速优化设计。

(5)应用Matlab编程，构造驾驶员侧正面安全气囊解析模型的迭代求解格式：

m_泄气(i+1)＝m_泄气(i)+ρ(i)·S_孔·v_泄气(i)·Δt

V_压缩(i+1)＝(V_压缩(i)+v(i)·S_接触·Δt)·k

V_泄气(i+1)＝V_泄气(i)+v_泄气(i)·S_孔·Δt

v(i+1)＝v(i)-a(i)·Δt                                   (11)

式中：i＝0，1，2…n。

根据迭代求解格式，利用前一时刻的驾驶员侧正面安全气囊1状态参数和冲击块4响应参数，如：驾驶员侧正面安全气囊1体积、充气质量、泄气速率和冲击块4加速度等，可以求解出下一时刻的驾驶员侧正面安全气囊1状态参数和冲击块4响应。如此循环求解，获得各个时刻冲击块4冲击驾驶员侧正面安全气囊的动力学响应。

2.驾驶员侧正面安全气囊主要参数设计

1)根据驾驶员侧正面安全气囊1解析模型求解冲击块4加速度的要求，确定比例系数R为8.314J·mol^-1·K^-1，标准大气压力P_大气取值为101325P_a，气囊内部混合气体的温度880K；混合气体平均摩尔质量0.025kg。冲击块质量为8kg，初始速度7.5m·s^-1。

2)参阅图2，驾驶员侧正面安全气囊1充气曲线可以积分得到充气质量为0.0226kg。泄气孔设计为2个，直径为30mm。驾驶员侧正面安全气囊1体积设计为0.054m³。将上述条件代入迭代求解格式(11)可以得到冲击块4的加速度响应。

3)参阅图3，驾驶员侧正面安全气囊1充气量为0.0266kg，2个泄气孔直径均为30mm，驾驶员侧正面安全气囊体积为0.054m³时的冲击块4加速度曲线，峰值为129m·s^-2。

3.驾驶员侧正面安全气囊计算机仿真分析

1)参阅图4，第2步中确定的驾驶员侧正面安全气囊1的体积为0.054m³，依照经验可确定气囊直径为600mm。建立驾驶员侧正面安全气囊1的几何模型。

2)参阅图5，应用HyperMesh软件，采用平面四边形单元和三角形单元将驾驶员侧正面安全气囊1进行有限元网格划分，建立驾驶员侧正面安全气囊1的有限元模型。

参阅图6，应用MADYMO软件的Folder模块，采用薄折叠方式将驾驶员侧正面安全气囊1有限元模型进行折叠模拟，建立驾驶员侧正面安全气囊1的折叠模型。

参阅图7，应用MADYMO软件，建立冲击块4冲击驾驶员侧正面安全气囊1的计算机仿真分析模型。其中驾驶员侧正面安全气囊1的气囊袋体织物为各向异型材料，拉伸平面内的弹性模量分别为1.41Gpa和1.44Gpa，剪切模量为2.5Mpa，袋体织物厚度为0.3mm。充入的混合气体成分为15％的CO₂、53％的H₂O和32％的N₂。

3)参阅图8，应用计算机仿真分析得到冲击块4加速度响应。

4)参阅图9，应用MADYMO软件，建立台车仿真模型，用以检验及进一步优化驾驶员侧正面安全气囊1的参数。

4.试验测试

1)参阅图10，设计冲击块14冲击驾驶员侧正面安全气囊1的试验。

2)参阅图11，试验测得冲击块加速度曲线。

3)参阅图12，通过驾驶员侧正面安全气囊解析模型、计算机仿真分析和冲击块冲击试验获得的冲击块4加速度响应曲线。通过驾驶员侧正面安全气囊1的解析模型计算获得的冲击块4加速度响应峰值约为129m·s^-2，计算机仿真分析和试验获得的冲击块4加速度响应峰值分别约为133m·s^-2和125m·s^-2，三者接近。在冲击块4冲击的加载过程中，解析模型计算结果与计算机仿真分析和试验结果吻合度较好。

因此，可以利用本发明所述的基于解析模型的汽车驾驶员侧正面安全气囊设计方法在汽车驾驶员侧正面安全气囊计算机仿真分析阶段之前，就能确定气囊主要参数设计范围，减少计算机仿真分析和试验的试错次数，缩短开发周期，降低开发成本。

Claims (1)

1.一种汽车驾驶员侧正面安全气囊设计方法，其特征在于，所述的汽车驾驶员侧正面安全气囊设计方法的步骤如下：

1）建立驾驶员侧正面安全气囊解析模型

（1）确定冲击块加速度与驾驶员侧正面安全气囊内部压力、冲击块与驾驶员侧正面安全气囊的接触面积和冲击块质量之间的关系：

a.分析驾驶员与驾驶员侧正面安全气囊（1）的相互作用过程；

b.应用动量定理对冲击块（4）与驾驶员侧正面安全气囊（1）的相互作用进行力学分析，确定出冲击块加速度与驾驶员侧正面安全气囊（1）内部压力、冲击块（4）与驾驶员侧正面安全气囊（1）的接触面积和冲击块（4）质量之间的关系表达式：

式中：P驾驶员侧正面安全气囊的内部压力，单位P_a；P₀驾驶员侧正面安全气囊刚充满时刻的内部压力值，单位P_a；S_接触冲击块与驾驶员侧正面安全气囊的接触面积，单位m²；m_冲击块冲击块的质量，单位kg；v冲击块的速度,单位m×s^-1；v₀冲击块与驾驶员侧正面安全气囊刚接触时刻的速度,单位m×s^-1；a冲击块的加速度，单位m×s^-2；Δt冲击块与驾驶员侧正面安全气囊的作用时间，单位s；

（2）确定泄气速率表达式：

a.在单位时间内通过泄气孔（2）流出驾驶员侧正面安全气囊（1）的气体质量为：

式中：Δm单位时间内通过气囊泄气孔流出的气体质量，单位kg；ρ驾驶员侧正面安全气囊内部混合气体的密度，单位kg×m^-3；S_孔气囊泄气孔面积的总和，单位m²；v_泄气驾驶员侧正面安全气囊内部气体的泄气速率,单位m×s^-1；

b.对单位时间段内流出的气体进行力学分析，由动量定理可确定泄气速率：

Δm·v_泄气＝F·dt  （4）

F＝(P-P_大气)·S_孔  （5）

将公式（3）和公式（5）代入公式（4）中得到泄气速率表达式：

式中：P_大气标准大气压力；

（3）建立驾驶员侧正面安全气囊的解析模型：

a.根据理性气体状态方程，确定出驾驶员侧正面安全气囊（1）内部压力P：

$P=\frac{\mathrm{RT}}{M}\·\frac{m}{V}---\left(7\right)$

式中：R比例系数；T驾驶员侧正面安全气囊内部混合气体的温度，单位K；M混合气体平均摩尔质量，单位kg；m驾驶员侧正面安全气囊内部气体质量，单位kg；V驾驶员侧正面安全气囊的体积，单位m³；

b.确定任意时刻驾驶员侧正面安全气囊（1）内部气体质量：

式中：m_总驾驶员侧正面安全气囊内部气体的总质量，单位kg；m_泄气由泄气孔排出的气体质量，单位kg；

c.确定任意时刻驾驶员侧正面安全气囊（1）的体积：

式中：V_总驾驶员侧正面安全气囊的体积，单位m³；V_压缩由于冲击块的挤压造成的气囊体积的减少量，单位m³；V_泄气由于内部气体泄出造成的气囊体积的减少量，单位m³；k压缩体积修正系数；

d.将公式（7）、（8）、（9）代入到公式（2）中，可以确定出冲击块与驾驶员侧正面安全气囊之间相互作用的运动学公式（10），即驾驶员侧正面安全气囊的解析模型：

e.应用Matlab编程构造驾驶员侧正面安全气囊（1）解析模型的迭代求解格式：

m_泄气(i+1)＝m_泄气(i)+ρ(i)·S_孔·v_泄气(i)·Δt

V_压缩(i+1)＝(V_压缩(i)+v(i)·S_接触·Δt)·k

V_泄气(i+1)＝V_泄气(i)+v_泄气(i)·S_孔·Δt

v(i+1)＝v(i)-a(i)·Δt  （11）

式中：i=0,1,2…n；

2）驾驶员侧正面安全气囊主要参数设计

（1）确定驾驶员侧正面安全气囊（1）主要参数设计初始值；

（2）将驾驶员侧正面安全气囊（1）主要参数设计初始值代入解析模型计算得冲击块加速度响应曲线；

（3）评价冲击块加速度响应曲线，确定驾驶员侧正面安全气囊（1）主要参数设计值；

3）驾驶员侧正面安全气囊计算机仿真分析

（1）确定除主要参数之外的其他驾驶员侧正面安全气囊参数的设计初始值，其他驾驶员侧正面安全气囊参数包括驾驶员侧正面安全气囊（1）的袋体织物弹性模量、袋体织物厚度、冲入安全气囊的混合气体成分和折叠方式；

（2）利用MADYMO软件建立驾驶员侧正面安全气囊（1）的计算机仿真分析模型：包括冲击块冲击仿真模型和台车仿真模型；

（3）通过计算机求解驾驶员侧正面安全气囊（1）的计算机仿真分析模型，得到冲击块加速度响应曲线；

（4）评价冲击块加速度响应曲线，确定驾驶员侧正面安全气囊（1）参数设计值，包括驾驶员侧正面安全气囊（1）的袋体织物弹性模量、袋体织物厚度、冲入安全气囊的混合气体成分和折叠方式；

4）试验测试

（1）根据驾驶员侧正面安全气囊（1）的计算机仿真分析模型设计驾驶员侧正面安全气囊（1）动态冲击试验；

（2）通过驾驶员侧正面安全气囊（1）动态冲击试验，得到冲击块加速度响应曲线；

（3）对比三条冲击块加速度响应曲线，用以验证驾驶员侧正面安全气囊（1）参数设计值的正确性；所述的三条冲击块加速度响应曲线：第一条通过驾驶员侧正面安全气囊（1）的解析模型计算获得，第二条通过计算机仿真分析获得，第三条通过冲击块（4）冲击试验获得。

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