第第頁共32頁新能源汽車安全座椅防護性能數(shù)值模型及優(yōu)化設(shè)計目錄1緒論 11.1新能源汽車安全性能研究背景 11.2汽車安全座椅研究的意義 31.3汽車安全座椅研究現(xiàn)狀 31.4新能源汽車及其發(fā)展趨勢 51.5新能源汽車安全座椅的發(fā)展趨勢 61.5.1結(jié)構(gòu)和尺寸 61.5.2熱環(huán)境 61.5.3輕量化 71.5.4舒適性 71.5.5汽車座椅智能化 71.6課題研究內(nèi)容及研究方法 82數(shù)值模型的建立 92.1電動汽車安全座椅結(jié)構(gòu)介紹 92.2汽車車身模型的建立 102.3安全座椅模型建立 122.4假人模型建立 142.5安全帶模型的建立 152.6正面碰撞乘員損傷評定準則 162.7本章小結(jié) 173數(shù)據(jù)處理及分析 183.1靠背參數(shù)改變對乘員損傷程度的影響 183.2坐墊參數(shù)改變對乘員損傷程度的影響 233.3本章小結(jié) 274.結(jié)論與展望 29參考文獻 301緒論1.1新能源汽車安全性能研究背景世界上第一輛汽車誕生于1885年，人類從此打開了汽車發(fā)明的大門，汽車的發(fā)展從未停下腳步，一次次變革，一次次性能的提升，到如今汽車已不是什么新鮮物，各種汽車的性能極限甚至超過人們的想象。隨著人們的生活水平提高，對汽車的需求也越來越大，據(jù)公安部統(tǒng)計數(shù)據(jù)：2020年全國汽車保有量達2.81億輛，全國新注冊登記汽車2424萬輛，而新能源汽車保有量達492萬，比2019年增加111，增長29.18%，連續(xù)三年增長超過100萬，呈高速增長趨勢［1］。圖1.12020中國汽車保有量數(shù)據(jù)截圖圖1.22020中國汽車保有量表格截圖然而，在汽車保有量高速增長的同時，也給交通安全帶來了巨大壓力，車水馬龍的交通道路上，每天都有交通事故發(fā)生，每天都有人因交通事故而喪生。據(jù)交通部數(shù)據(jù)：2018年全國發(fā)生交通事故244937起，死亡人數(shù)為63194人，造成直接財產(chǎn)損失為138455.9萬元。圖1.3交通事故數(shù)據(jù)截圖三年前，世界衛(wèi)生組織就針對交通事故發(fā)表了詳細的報告，在全球，每一名因為交通事故而喪生的受害者僅僅只間隔了大約二十五秒，而喪生的總?cè)藬?shù)接近140萬人，成千上萬的家庭因此支離破碎。在整個報告中，死亡案例大多來自于兒童和青少年，尤其是發(fā)生在五至三十歲之間的年齡階段之間。近幾年來，因為交通事故而喪失的受害者正在逐漸增加，甚至已經(jīng)以超過10萬人每年數(shù)字瘋狂增長。時任世界衛(wèi)生組織秘書長的譚德塞·阿達諾姆在報告中表面了自己的觀點，我們不能只想享受汽車發(fā)展帶來的收益，而對于不計其數(shù)的交通事故和屢屢增加的受害者熟視無睹，因為我們已經(jīng)有足夠的措施去解決這些問題了［2］。因此在汽車增量如此迅速的背景下，交通事故給人們帶來的負面影響不容忽視，而交通事故的起因和預(yù)防也開始逐漸成為人們茶余飯后的談資，也被各國所逐漸重視并成為有待解決的重大社會問題［3］在交通運輸方面，給我們生活帶來翻天覆地變化的最大功臣毫無疑問的應(yīng)該歸咎與汽車的出現(xiàn)，但科技是把雙刃劍，帶來便利的同時，也帶來了傷害的可能性。而我們所能做的就是針對汽車在安全方面的性能進行徹底的技術(shù)革新。汽車在安全方面的性能有主被動之分，其中主動安全在現(xiàn)實生活中主要決定于駕駛員本身的操作，但是人為的反應(yīng)和控制畢竟是有限的，因此在發(fā)生汽車碰撞時絕大多數(shù)時，駕駛員僅僅只能依靠安全帶、安全氣囊等汽車上布置的被動安全措施來保護自己。而對汽車駕駛員的行為進行限制和約束則能夠極大的提升汽車在被動方面的安全性能，所對駕駛員約束系統(tǒng)的提升也就變得尤為重要［4］。目前，歐美的發(fā)達國家已經(jīng)針對汽車安全問題建立了特別的實驗室，尤其是針對安全帶、安全氣囊等汽車約束系統(tǒng)的性能提升研究已經(jīng)被列為重要科研項目，我國針對汽車被動安全中的兒童安全座椅的研究也緊隨其后，在研究、制造以及投放方面都已經(jīng)投入了巨大的社會資源和力量。1.2汽車安全座椅研究的意義汽車安全座椅由坐墊、靠背、頭枕等組成。坐墊的設(shè)計，尤其是與靠背之間的角度設(shè)計，會極大的影響汽車碰撞時乘員胸部以下部位的受損傷情況；靠背的作用主要是在汽車發(fā)生正面碰撞時結(jié)合安全帶的作用同時為乘員提供保護，他能很大程度上降低胸部受到的沖擊損傷；座椅頭枕的作用主要是在正面碰撞或追尾時限制乘員頭部的移動，從而降低頭部和頸部等部位所受到的損傷。每個部分都承擔著相對應(yīng)安全防護作用。因此，在設(shè)計時需要考慮到各個部分的影響；找到它們的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)，盡量最大程度的降低乘員在發(fā)生事故時受到的傷害。圖1.4汽車安全座椅示意圖1.3汽車安全座椅研究現(xiàn)狀在汽車安全座椅方面，目前比較先進技術(shù)有防潛滑保護系統(tǒng)和整體式約束安全座椅。其中防潛滑系統(tǒng)的原理就是將座椅的下方坐墊那一塊設(shè)計成前端較高后端較低的形狀，當發(fā)生正面碰撞時，前高后低的坐墊形狀能夠有效地阻止乘員身體往前滑動，減小乘員與其它內(nèi)飾之間發(fā)生二次碰撞，從而減少乘員所受到的傷害。之前看過的一篇報道顯示，一位女士坐在一輛汽車后座，這輛車與另一輛車發(fā)生了碰撞，這名女士不幸在事故中去世。即使她坐在后座，并且所在區(qū)域受到的碰撞傷害很小，但是在碰撞發(fā)生的瞬間，她的身體立刻往前滑動離開了座椅，使她的頭部形成往后仰的姿勢導致頸部斷裂。因此，此系統(tǒng)的重要性不言而喻?，F(xiàn)在一些汽車廠商用氣囊來改變坐墊傾角，實現(xiàn)了防潛滑保護系統(tǒng)的功能。整體式約束安全座椅就是將安全帶集成到座椅中，安全帶固定在座椅骨架上，此類座椅的優(yōu)勢是安全帶鉸接點十分緊固，并且對于不同身材的乘員，即使他們調(diào)整了座椅的前后位置，安全帶仍然能夠緊綁在乘員身體上，對乘員達到有效的保護，目前此類座椅的應(yīng)用已十分廣泛。［5］［6］。圖1.5整體約束式座椅示意圖圖1.6防潛滑座椅示意圖由于我國特殊的國情，汽車的安全座椅安全性研究與汽車的發(fā)展都較遲，大約于1970年左右方才開始，近年來，我國成為了世界上最大的汽車生產(chǎn)消費國，國民越來越重視汽車安全性，涌現(xiàn)出了非常多的汽車座椅安全研究公司，研究水平也逐漸加深[7]。在汽車座椅的研究中，最重要的部分是骨架，它包括坐墊和靠背兩部分。在設(shè)計座椅骨架時，我們希望它能夠在碰撞時盡可能多地吸收沖擊，質(zhì)量盡量小，也就是在保證安全的情況下質(zhì)量還小，如今較為符合要求并可以大量推廣使用的汽車座椅骨架時高強度鋼和高分子復(fù)合材料。雖然近幾年我國在汽車座椅方面的技術(shù)奮起直追，但是不得不承認在核心的技術(shù)方面相比于國外還存在較大的差距，在這一方面國外早已投入了大量的人力物力，技術(shù)體系不斷完善，并在持續(xù)性的迭代中逐漸成熟，我國要想在這方面有自己成熟的技術(shù)還需要不斷學習，并盡早成立國內(nèi)自己的研發(fā)部門，致力與開發(fā)符合國民身體素質(zhì)的安全座椅。隨著我國經(jīng)濟實力和汽車技術(shù)研究的飛速發(fā)展，我有理由相信在不遠的未來汽車安全座椅的核心技術(shù)我國終能攻破并且形成自己的技術(shù)體系，能夠生產(chǎn)出符合我國人民身體結(jié)構(gòu)安全性極佳的汽車座椅。隨著我們國家的經(jīng)濟與科技水平不斷提高，汽車安全座椅還有很多的發(fā)展空間，我相信在不斷的努力和科學研究下，將來有一天我們一定會趕超國外，研究出屬于我們自己的安全座椅防護性能極佳的技術(shù)成果。1.4新能源汽車及其發(fā)展趨勢在現(xiàn)如今經(jīng)濟高速發(fā)展的時代，人民生活水平越來越高，伴隨而來的是對汽車的需求的只增不減。燃油汽車日益加重能源供給的壓力，尾氣的大量排放更是對環(huán)境造成負面的影響，因此從環(huán)保和節(jié)能兩個方面來考慮，新能源汽車擁有了傳統(tǒng)汽車不可比擬的優(yōu)勢，愈發(fā)受到市場的青睞，近年來一直是研究的熱點之一。新能源是指區(qū)別于傳統(tǒng)的能源形式，如風能、太陽能等。新能源汽車是指采用非常規(guī)的車用燃料作為動力來源（或使用常規(guī)的車用燃料、采用新型車載動力裝置），綜合車輛的動力控制和驅(qū)動方面的先進技術(shù)，形成的技術(shù)原理先進，具有新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)的汽車［8］。近些年如特斯拉、蔚來等一樣的新能源汽車企業(yè)如雨后春筍般冒出來并且發(fā)展的十分迅速。從目前新能源汽車供能方式來看，其主要是選取非常規(guī)燃料補充動力，其次是應(yīng)用各類新型車載動力裝置運用基礎(chǔ)上通過常用燃料補充動力。當前新能源汽車主要有混合動力汽車、純電動汽車、增程式電動汽車、燃料電池電動汽車、生物燃料汽車等。我國起初在2001年實施了三橫三縱開發(fā)布局，主要是全面擴大純電動、混合動力、燃料電池汽車、驅(qū)動電機、動力蓄電池、總成控制研究。之后陸續(xù)提出了多項鼓勵扶持政策，能全面加速新能源車行業(yè)發(fā)展。由于新能源汽車動力電源技術(shù)運用存有差異性，當前不同種類新能源汽車在運行中對應(yīng)的能量獲取方式不同。其中純電動汽車是基于車載電池有序放電獲取電能，混合動力汽車主要是基于發(fā)動機以及發(fā)電機有效轉(zhuǎn)化能量來獲取充足電能，燃料電池汽車是基于燃料電池中的化學能有效轉(zhuǎn)為電能。在新能源汽車電控技術(shù)運用中，主要是基于無線電波、計算機實現(xiàn)智能化控制［9］。在未來，隨著充電設(shè)施的大力發(fā)展、電池技術(shù)不斷進步以及新能源汽車結(jié)合大數(shù)據(jù)、智能化、物聯(lián)網(wǎng)等高新技術(shù)的應(yīng)用，新能源汽車將會更快地發(fā)展，在未來的某一天可能會完全取代傳統(tǒng)能源汽車。1.5新能源汽車安全座椅的發(fā)展趨勢在新能源汽車中，安全座椅的發(fā)展趨勢也有著與傳統(tǒng)汽車有不同的地方，在未來結(jié)合大數(shù)據(jù)和人工智能之后，對乘員的安全保護性能也勢必有更大的提升。1.5.1結(jié)構(gòu)和尺寸新能源汽車搭載新式的車載動力，沒有油箱、傳動軸、后驅(qū)動橋、排氣管等傳統(tǒng)汽車布置在車身后半部分位置的結(jié)構(gòu)，使得座椅，尤其是后排座椅在尺寸和結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計上有了拓展的空間。與傳統(tǒng)燃料汽車相比，新能源汽車車身布置的最大區(qū)別在于增加了動力電池，其尺寸大且重量大，在布置中難以找到完美的空間；同時，電池的快速充放電伴生的反應(yīng)熱容易引起電池組內(nèi)較大的溫差，還需配置冷卻系統(tǒng)[10]。座椅的結(jié)構(gòu)形式設(shè)計必須服從整車動力系統(tǒng)布置的需要。在純電車型中，有坐墊骨架的后排座椅適用于采用平板形電池組布置的車型，無坐墊骨架的后排座椅適用于采用T形及其他形式電池組布置的車型，而混動車型則通常采用無坐墊骨架的后排座椅。此外，座椅的尺寸參數(shù)也受到新能源汽車特殊結(jié)構(gòu)尤其是電池組布置的影響，新能源汽車動力電池的布置影響整個車體的軸荷分配。純電動汽車動力電池安裝在前后地板下方，前后軸之間，這樣的布置方式下，車輛具有低重心和良好的軸荷分配［11］。1.5.2熱環(huán)境新能源汽車區(qū)別于傳統(tǒng)燃油動力汽車，其動力電池的最佳工作溫度存在一個區(qū)間，過高或過低的溫度都會影響電池性能。電池組的溫控裝置同樣消耗電能，再加上車載空調(diào)的能耗，車內(nèi)熱環(huán)境不僅和乘員的舒適性相關(guān)，而且和車輛的動力、能耗都息息相關(guān)。汽車座椅受太陽輻射升溫，升溫機理依次為表面輻射、熱傳導和對流散熱，車窗玻璃的面積和透射率也對座椅表面溫度有很大影響［12］。未來，新能源汽車將會更多地采用全景天窗，在此背景下，作為和動力電池組位置最接近的零部件之一，同時也是日光暴曬下汽車內(nèi)飾吸收熱輻射比例較大的部分，汽車座椅的設(shè)計必須考慮新能源汽車對于散熱方面的新要求。1.5.3輕量化汽車座椅的輕量化是汽車輕量化的重要組成部分，車輛質(zhì)量的減小可以有效降低能量消耗并提高動力經(jīng)濟性。對于新能源汽車來說，由于增加了動力電池等全新的結(jié)構(gòu)，輕量化設(shè)計顯得尤為重要。座椅的輕量化設(shè)計主要是減輕座椅骨架的質(zhì)量，方法1是通過使用輕質(zhì)材料；方法2是利用拓撲優(yōu)化等手段對骨架進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計；方法3是通過采用新的制造工藝來實現(xiàn)輕量化，工程實際中通常綜合運用兩種或更多手段相互結(jié)合的方法［13］。1.5.4舒適性無論載體是傳統(tǒng)能源汽車、新能源汽車或是飛機高鐵，其座椅的舒適性始終是座椅設(shè)計的追求目標。在各項汽車法規(guī)中，都側(cè)重座椅靜強度和安全性的要求，而實際用戶的使用中，更關(guān)注的則是座椅的動態(tài)特性以及疲勞。調(diào)節(jié)功能是體現(xiàn)座椅舒適性的重要功能，通過人為操作或者智能操作，實現(xiàn)座椅不同部位的位移來適應(yīng)不同駕駛者的乘坐要求。當前的座椅產(chǎn)品通常具有四向或六向的調(diào)節(jié)功能，未來更為復(fù)雜的調(diào)節(jié)功能將是座椅發(fā)展的方向。后排座椅方面，加入坐墊骨架結(jié)構(gòu)為后排座椅加熱，通風等舒適性功能的實現(xiàn)提供了可能。1.5.5汽車座椅智能化（1）座椅設(shè)計要堅持“以人為本”,必須充分考慮人的需求，佛吉亞的一款A(yù)ctiveWellness的汽車座椅系統(tǒng)，該座椅可利用傳感系統(tǒng)檢測駕乘者的心跳和呼吸節(jié)奏，并通過一種特殊的按摩模式及座椅通風系統(tǒng)提供新鮮氣流，讓疲倦的乘客精神煥發(fā)或幫助處于緊張狀態(tài)的駕駛員放松。（2）駕駛監(jiān)控：更先進的傳感技術(shù)可以評估駕駛員的心里和身體狀況，通過檢測到駕駛員困倦時預(yù)測性的刺激駕駛員來減少事故，或在注意力下降時發(fā)出警示信號。減震功能：座椅需能夠隨使用者的脊柱而移動，減小道路起伏帶來的震動，保證使用者身體平穩(wěn)。（3）AI智能：一輛車內(nèi)搭載一個AI智能管家已經(jīng)不是新奇的事情，但是未來出于隱私等多種原因，每個座椅將會搭載獨立的AI，且AI發(fā)出的聲音不會被第三者聽見。（4）生物系統(tǒng)：利用生物和行為數(shù)據(jù)，如心率，呼吸率，濕度，溫度，閉眼百分比，頭部傾斜和面部表情。收集和分析數(shù)據(jù)并自動調(diào)節(jié)座椅且記錄偏好［14］。1.6課題研究內(nèi)容及研究方法本課題是針對正面碰撞時乘員的運動狀態(tài)，利用多剛體運動學軟件模擬分析改變座椅參數(shù)對座椅安全防護的性能和效率的影響，從而得出最佳參數(shù)，得到能夠改進座椅的方法。其中座椅安全防護的性能和效率主要判斷數(shù)據(jù)為頭部傷害指標HIC和胸部傷害指標C3ms。（1）查閱國內(nèi)外相關(guān)文獻，了解課題相關(guān)背景、技術(shù)知識等；（2）利用計算機軟件建立仿真模型；（3）在已經(jīng)建立的模型基礎(chǔ)上，改變某一結(jié)構(gòu)的坐標數(shù)值，進而改變結(jié)構(gòu)，探究某一結(jié)構(gòu)改變時對結(jié)果的影響。原則上進行控制變量測試，根據(jù)HIC和C3ms標準選擇有效數(shù)據(jù)；（4）分析得到的數(shù)據(jù)的規(guī)律，討論得出最佳結(jié)果，得到最佳優(yōu)化參數(shù)。

2數(shù)值模型的建立2.1電動汽車安全座椅結(jié)構(gòu)圖2.1安全座椅示意圖汽車安全座椅是汽車內(nèi)搭載乘員的部分，其主要是要在保證乘員生命安全的同時，能夠讓乘員感到舒適，并讓駕駛員能夠方便駕駛操作。汽車座椅主要由坐墊、靠背、頭枕和調(diào)節(jié)裝置等部分組成，坐墊等結(jié)構(gòu)作用之前已經(jīng)敘述就不再重復(fù)，調(diào)節(jié)裝置就是能夠讓乘員根據(jù)自己的體型，手動調(diào)節(jié)座椅前后位置或者傾斜角度，讓乘員能夠更加舒服。良好座椅設(shè)計、材料，不僅能使汽車美觀、安全，同時提高了駕駛員的舒適性，提高了舒適性同時也就能讓駕駛員更舒服地駕駛，降低了發(fā)生交通事故的風險。因此，一個十分不錯的汽車座椅設(shè)計，也是汽車的一個競爭力因素之一。2.2汽車車身模型的建立車身模型主要包括方向盤、駕駛艙地板、腳踏板、駕駛員膝蓋擋板模型。首先我們建立一個基準空間坐標系O-XYZ。每一個平面由三個點的坐標確定，如駕駛艙地板坐標：Point_1（0.0000,0.5000,-0.2010）;Point_2(0.0000,-0.5000,-0.2010);Point_3(0.8650,-0.5000,-0.2010).如下圖所示：圖2.2駕駛艙地板坐標程序按照此方法，腳踏板，駕駛員膝蓋擋板模型坐標如下圖所示：圖2.3腳踏板坐標程序圖2.4駕駛員膝蓋擋板坐標程序利用上述建模方法我們便可得到一個簡化車身模型，如下圖所示，從而可以定義和限制三個部分之間的相對運動，最后，使用軟件模型對具有多個剛體的力學進行了觀察。從而實現(xiàn)了人體仿真方案。圖2.5簡化車身模型圖2.3安全座椅模型建立本課題研究對象主要為安全座椅，安全座椅主要包括頭枕、靠背、坐墊三個部分，首先確定座椅某一個部件位置的具體坐標，然后建立模型，然后根據(jù)第2.3點中所述的地板和踏板模型的方法確定座椅坐標。在構(gòu)建模型期間，座椅靠背相對于坐墊平面的位置至關(guān)重要，并且在考慮坐墊平面與靠背平面之間的角度后，坐標選擇方面必須在合理的范圍內(nèi)。首先我們建模設(shè)定初始坐標：坐墊的坐標為（0.0000，0.1750，0.0000）；（0.0000，-0.1750，0000）；（0.4200，-0.1750，0.0650）；靠背的坐標為（-0.0940，-0.1750，-0.4820）；（-0.0940，-1.7500，-0.4820）；（0.0000，-0.1750，0.0000）；頭枕的坐標為（-0.1500，-0.1000，-0.7880）；（-0.1500，-0.1000，-0.7880）；（-0.1200，-0.1000，-0.6350）。源程序如圖所示：圖2.6坐墊、靠背、頭枕坐標程序得到座椅模型：圖2.7安全座椅整體模型圖將圖2.4.2與圖2.3.4所建立的簡化車身模型合并便可得到使用軟件分析時的具體模型：圖2.8車身與安全座椅合并模型圖2.4假人模型建立本次模擬仿真，是針對乘員在車里發(fā)生正面碰撞的情況下，人體所受損傷的情況，那么我們就一定要有一個假人模型。假人模型是在現(xiàn)實中真人的基礎(chǔ)上，根據(jù)真人的一些參數(shù)，來建立一個可以反映人體在汽車發(fā)生正面碰撞時的身體形態(tài)以及損傷情況的模型，有了這個模型，我們可以直觀的看到人體在汽車發(fā)生正面碰撞時的一個情況。老師為我們提供了Hybrid_III_50假人模型。這個假人模型接近現(xiàn)實中成人的體型，能夠很好的表現(xiàn)出乘員在車內(nèi)當汽車發(fā)生正面碰撞時，乘員的一個損傷狀態(tài)。滿足相關(guān)標準條件的模型在人體模型下發(fā)生碰撞，并具有以下優(yōu)點：（1）混合人體模型，可模擬實際條件，人體中第III類關(guān)節(jié)的精確度和具有高耐用性甚至是假人的模型和人體部位都可以重復(fù)使用，有利于環(huán)境保護。（2）在計算機模擬碰撞測試中舊的Hybrid_DummyTypeIII型假人已經(jīng)長期使用，許多研究表明用這個模型進行計算是可信的。因此，可以將此模型應(yīng)用于分析安全座椅乘員結(jié)構(gòu)參數(shù)在軟件中進行計算。（3）中等體型更適合絕大多數(shù)中國人身材，并且可以提高經(jīng)驗覆蓋率。此模型選擇的多剛體動力學仿真軟件具有多種接觸碰撞模型中的圖形或模型（研究）多個接觸點：人體模型之間的接觸點，人體模型的背部與汽車座椅模型的背面，腿與汽車座椅之間的接觸與有限元接觸的剛性模型；車身各部分之間的接觸；在發(fā)生電動汽車正面碰撞后安全氣囊與假人胸部與頭部模型的接觸，安全氣囊與車輛方向盤的接觸。2.5安全帶模型的建立安全帶在乘員約束系統(tǒng)中扮演者非常重要的角色，在車輛發(fā)生正面碰撞時，安全帶能夠拉住人體，使人體避免因為過大的慣性而發(fā)生二次碰撞，平時我們開車時也會時不時的提醒自己系好安全帶，如果開車不系安全帶被交警看到，還會受到處罰，由此可見安全帶在汽車的防護性能中的重要地位。安全帶模型的建立與安全座椅不同，其的主要結(jié)構(gòu)是固定結(jié)構(gòu)、卷收器和織帶。常見的車內(nèi)安全帶固定方式分為：自由式、四點式、兩點式、三點式?，F(xiàn)在絕大多數(shù)汽車都采用的三點式安全帶，本課題也是進行三點式安全帶模型的建立。三點式安全帶，顧名思義，三點分別為：D環(huán)、帶扣和錨點。D環(huán)和帶扣的組合來約束乘員上半身，帶扣和錨點的組合用來約束乘員下半身。D環(huán)、帶扣和錨點分別用D_ring、Buckle、Floor來表示，得到源程序如圖所示：圖2.9安全帶源程序最終我們得到完整碰撞模型：圖2.10完整碰撞模型圖2.6汽車正面碰撞對駕駛員的傷害評定速度變化速率的快慢在汽車發(fā)生碰撞事故時往往決定了事故中駕駛員的受傷情況，甚至是生死，因為在事故發(fā)生時，快速的變化速率會導致人體與車身的碰撞更加激烈。而在在事故發(fā)生后，第一時間對人體起到保護作用的就是車輛的約束系統(tǒng)，并持續(xù)的對人體施加一個減少傷害的措施。在人類生物學的記載中，交通事故不僅僅只會造成身體上的傷害，而且會對受害者的心理健康造成巨大的沖擊，據(jù)目前統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，致命傷往往來源與受害者在交通事故中，頭部和胸部受到了巨大的沖擊和損傷。

針對受害在交通事故受到的傷害，科學家們提出了最大損傷值的概念，也就是人在保證生命的情況下能夠承受的極限傷害。該概念已經(jīng)被多個國家列為評判交通事故中受害者受傷的一般準則，具體如下：1.Head

Injury

Criterion（頭部損傷準則）在描述交通事故中受害者頭部受傷程度方面，Wayne

State

University的里斯納教授開創(chuàng)了全新的局面，并且提出了定量的評判標準—WSTC曲線。這條曲線的作用是描述在交通事故發(fā)生時，對受害者的頭部損傷程度的定量判斷。在該曲線的基礎(chǔ)上，賈德教授將加速度認定為因變量，時間認定為自變量，經(jīng)過一系列數(shù)據(jù)處理后，構(gòu)建了全新的GSI指數(shù)。美國交通部綜合采用了里斯納教授和賈德教授的評判方法用來對交通事故受害者的損傷情況進行定量分析。在進行了大量的實際情況分析后，里斯納教授提出了新的準測（HIC）用來定量分析受害者的頭部損傷情況。至今為止，HIC已經(jīng)成為了很多國家對交通事故中受害者頭部損傷程度的評估準則。2.C3ms（胸部損傷準則）車輛碰撞事故中胸部損傷的標準時間為3ms，胸部是頭部損傷之外應(yīng)受保護最好的部分。胸部結(jié)構(gòu)雖然包括了12個胸椎，胸骨和相對較硬但活動性強的保護套，其最大的加速度不能超過60g。2.7本章小結(jié)本章是利用仿真軟件進行對汽車及假人進行建模，這是本次研究的堅決條件，為之后的實驗測試打下基礎(chǔ)。模型建立是否正確直接決定著之后的測試實驗?zāi)芊癯晒暗贸龅慕Y(jié)論是否能夠應(yīng)用到現(xiàn)實情況中。在建立模型過程，學習并了解了軟件的應(yīng)用操作，為之后的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)更改測試打下了良好基礎(chǔ)，讓之后的研究能夠更加容易的進行。

3數(shù)據(jù)處理及分析數(shù)據(jù)的處理分析按照以上所述，以HIC和C3ms兩項數(shù)據(jù)為分析依據(jù)，其中HIC數(shù)據(jù)在1000以內(nèi)為有效數(shù)據(jù)，C3ms在600以內(nèi)為有效數(shù)據(jù)。通過改變座椅結(jié)構(gòu)參數(shù)，由計算機軟件運算得到數(shù)據(jù)結(jié)果，將有效數(shù)據(jù)記錄，分析其變化規(guī)律從而找到最優(yōu)數(shù)值。座椅結(jié)構(gòu)由坐墊、靠背、頭枕三部分組成，為了更好地分析和實驗，我首先采用控制變量法改變座椅結(jié)構(gòu)參數(shù)，即在改變其中一部分的參數(shù)時，保持其它兩部分參數(shù)不變，由此得出數(shù)據(jù)，之后在將各部分改變的數(shù)據(jù)進行比較。3.1靠背參數(shù)改變對乘員損傷程度的影響我首先對靠背參數(shù)進行改變，分析靠背參數(shù)改變對乘員損傷程度，從而得出結(jié)論。找到靠背相對應(yīng)的源程序，如下圖：圖3.1靠背源程序截圖目前仍然不知道每個參數(shù)對應(yīng)改變的結(jié)構(gòu)是怎樣，因此需要先實驗分別改變源程序中三個點的X、Y、Z坐標，觀察模型會發(fā)生什么變化。首先改變POINT_1和POINT_2的Z坐標，將0.4280改成0.6280，發(fā)現(xiàn)座椅整個上下的高度增加了，與頭枕即坐墊的夾角并沒有變化，前后對比如圖所示:圖3.2改變Z坐標模型對比圖再改變POINT_1和POINT_2點的X坐標，將-0.0940改成-0.2940，發(fā)現(xiàn)座椅靠背整體往后傾斜，與座墊之間的角度加大，前后對比如圖所示：圖3.3改變X坐標模型對比圖改變POINT_1和POINT_2的Y坐標，將0.1750改成2.175，發(fā)現(xiàn)座椅兩邊的寬度增加，其他沒有變化，改變前后如圖所示：圖3.4改變Y坐標模型對比圖通過比較三種改變情況，結(jié)合實際情況考慮，本次研究針對通過改變POINT_1和POINT_2的X值，即通過改變座椅與靠墊、頭枕之間的夾角這種情況來進行研究分析。首先，不進行參數(shù)改變，通過軟件計算看看結(jié)果如何，得到HIC:19106；C3ms：448.36，顯然HIC數(shù)值過大不符合要求，我們改變P1和P2的X值，看看數(shù)據(jù)結(jié)果如何。通過多次反復(fù)改變靠背的P1和P2的X值發(fā)現(xiàn)，HIC的數(shù)據(jù)一直保持非常高，達不到1000以內(nèi)的標準，即使C3ms能夠達標，也只能是無效數(shù)據(jù)，如圖所示。圖3.5無效數(shù)據(jù)截圖我開始思考，靠背對HIC值的影響可能是很小的，頭枕對HIC值的影響才是主要影響，那么應(yīng)該結(jié)合頭枕的參數(shù)改變，首先找到一組有效數(shù)據(jù)，然后在一定區(qū)間內(nèi)分精度改變靠背的X值。經(jīng)過多次實驗和調(diào)整，得到一組有效數(shù)據(jù)：圖3.6有效數(shù)據(jù)截圖靠背坐標為：P1（-0.0960,0.1750,0.4820）；P2（-0.0960,-0.1750,4820）；P3(0.0000,-0.1750;0.0000)頭枕坐標為：P1（-0.1450,0.1000,0.7680）；P2(-0.1450,0.1000,0.7680)；P3(-0.1200,-0.1000,0.5230)我以此數(shù)據(jù)為參考，在這個數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，對靠背P1、P2的X坐標改變，每次改變精度為0.0003，計算得到30組數(shù)據(jù)，部分截圖如下，詳細數(shù)據(jù)見附錄表Ⅰ。圖3.7部分數(shù)據(jù)截圖通過這些數(shù)據(jù)可以分析得到，在靠背P1、P2的X值坐標在（-0.0909~-0.0960）時，即靠背與坐墊夾角較小時，HIC整體數(shù)值大多在100多，相對較小，意味著對乘員頭部損傷小，從數(shù)值變化來看，數(shù)值偶爾有上下波動，但整體變化并不大，即在此區(qū)間內(nèi)，對HIC值的影響較?。坏荂3ms數(shù)值相較而言較大，有的甚至在某一段區(qū)間內(nèi)超過了標準值600，為無效數(shù)據(jù)，相較而言，此區(qū)間對C3ms數(shù)值的影響更大。在P1、P2坐標在（-0.0960~-0.01018）中，即靠背與坐墊夾角大時，HIC整體數(shù)值為200多，相對較大，但是整體數(shù)值的波動變化仍然不明顯，因此可以知道，靠背參數(shù)的改變對HIC數(shù)值的影響小；就C3ms數(shù)值來說，此區(qū)間內(nèi)數(shù)值偏小，對乘員胸部損傷程度小，從數(shù)值變化程度來說，隨著靠背傾斜角度的增大，C3ms數(shù)值整體的變化程度是十分小的，最后基本上就趨向于在366上下，因此，在此區(qū)間的參數(shù)改變對C3ms數(shù)值的影響較小。從整個區(qū)間（-0.0909~-0.01018）來說，首先分析HIC數(shù)值，整個區(qū)間內(nèi)，數(shù)值的變化沒有明顯的規(guī)律，沒有嚴格意義上的正比或者反比關(guān)系，不是隨著座椅角度的增大而一直增大或變小，而是一直處于波動情況，僅僅有一個趨勢，即當靠背傾斜角度較小時，HIC要較小，并且靠背結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變對HIC的影響是很小的。而對C3ms數(shù)值來說，基本上是隨著傾斜角度增大，C3ms越來越小；而且一開始的時候數(shù)值變化幅度較大，但當傾斜角度增大到一定程度時，數(shù)值基本接近平緩，趨于穩(wěn)定。分析完數(shù)據(jù)的整體規(guī)律，那么該如何確定最優(yōu)值呢？我分為以下三種情況分別進行考慮:(1)情況：以頭部為首要保護對象，那么主要參考HIC數(shù)據(jù)，需要從HIC數(shù)據(jù)里找到最優(yōu)結(jié)果。將所有數(shù)據(jù)列出，不難找到最小的HIC值為125.64，此時C3ms數(shù)值為565.36，靠背坐標為：P1（-0.0924,0.1750,0.4820）P2(-0.0924,-0.1750,0.4820)P3(0.0000,-0.1750,0.0000)。這種情況下，頭部得到了很好的保護。(2)以胸部為首要保護對象，那么主要參考C3ms數(shù)據(jù)，從C3ms數(shù)據(jù)中找到最優(yōu)結(jié)果。找到最優(yōu)的C3ms值為365.78，此時HIC值為259.02，靠背坐標為：P1(-0.1018,0.1750,0.4820);P2(-0.1018,-0.1750,0.4820);P3(0.0000,-0.1750,0.0000).這種情況下，胸部得到了很好的保護。(3)綜合頭部和胸部損傷考慮，這是我們主要參考每一組HIC數(shù)據(jù)與C3ms數(shù)值的平均值來選擇。將兩種數(shù)據(jù)的平均值進行排序可得到最優(yōu)的結(jié)果為280.555，此時HIC值為131.69，C3ms值為429.42，靠背坐標為：P1(-0.0957,0.1750,0.4820);P2(-0.0957,-0.1750,0.4820);P3(0.0000,-0.1750,0.0000).這種情況下，頭部和胸部應(yīng)該都能受到好的保護。綜合上述三種情況，我選擇第三種情況為最優(yōu)結(jié)果。第三種情況HIC為131.69，與第一種情況的最優(yōu)結(jié)果125.64十分接近，但是C3ms值卻大大降低；同樣，與第二種情況相比，雖然C3ms值較大，但HIC值要低的更多，因此第三種情況能給乘員更均衡的保護。3.2坐墊參數(shù)改變對乘員損傷程度的影響對靠背分析完之后，現(xiàn)在針對改變坐墊結(jié)構(gòu)參數(shù)來分析坐墊參數(shù)改變對乘員損傷程度的影響。那么就需要改變坐墊的源程序坐標，找到坐墊的源程序如圖所示：圖3.8坐墊源程序坐標依然，我們還不知道改變每個坐標對模型的具體改變結(jié)構(gòu)，需要先進行實驗測試，改變坐墊的X、Y、Z坐標，觀察模型會發(fā)生什么變化。改變P1、P2的X坐標，將0.0000改為1.0000，發(fā)現(xiàn)坐墊的前后位置變化了，與靠背之間分離了，但與靠背的角度沒有變化，前后變化如圖所示：圖3.9改變X坐標前后對比圖改變P1、P2的Y坐標，將0.1750改為0.2750，發(fā)現(xiàn)座墊左右的寬度增加了，其它沒有什么變化，前后變化如圖所示：圖3.10改變Y坐標前后對比圖改變坐墊的Z坐標，將0.0036改為0.1036，發(fā)現(xiàn)坐墊傾斜角度增加了，與靠背之間的夾角增大，前后變化如圖所示：圖3.11改變Z坐標前后對比圖現(xiàn)在很清楚得知道各個坐標對應(yīng)著模型哪些部位的變化，仍然根據(jù)實際考慮，我們選擇改變坐墊的Z坐標，即改變坐墊的傾斜程度，也是與靠背之間的夾角，來分析坐墊結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化對乘員損傷的影響。根據(jù)之前對靠背進行研究的經(jīng)驗，可以在之前已經(jīng)得到的一組有效數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，只改變坐墊的Z坐標數(shù)據(jù)，觀察HIC和C3ms數(shù)值會如何變化。首先我們選擇一組坐標：坐墊P1(0.00000.17500.0020);P2(0.0000-0.17500.0020);P3(0.4200-0.17500.0650)靠背P1(-0.09400.17500.4820);P2(-0.0940-0.17500.4820);P3(0.0000-0.17500.0000)頭枕P1(-0.14500.10000.7680);P2(-0.1450-0.10000.7680);P3(-0.1200-0.10000.5230)計算得到結(jié)果HIC為244.8，C3ms數(shù)值為503.06，為有效數(shù)據(jù)。接著，我們保持靠背和頭枕的參數(shù)不變，只改變坐墊P1、P2的Z數(shù)據(jù)，精度取0.0005，得到幾十組數(shù)據(jù)，見附表Ⅱ。圖3.12部分數(shù)據(jù)結(jié)果截圖觀察這些結(jié)果，分析可以知道，HIC數(shù)值仍然呈現(xiàn)沒有規(guī)律的波動，并且變化不大，始終穩(wěn)定在240上下波動，說明改變坐墊的結(jié)構(gòu)參數(shù)對乘員頭部損傷程度的影響也是很小的，但與之前靠背所得數(shù)據(jù)比較，HIC平均值較大。分析C3ms數(shù)值，總體來說，隨著坐墊傾斜角度增大，C3ms先是少許減少，然后再是增大，并且波動幅度較大，區(qū)間僅僅是從（0.0020~0.0069），但是到Z坐標到0.0069時，C3ms為614.29，為無效數(shù)據(jù)。區(qū)間很小的情況下，數(shù)值已經(jīng)超過標準，說明坐墊結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變對C3ms數(shù)值影響大，與之前靠背實驗得出的結(jié)果相比較，發(fā)現(xiàn)C3ms數(shù)值也很大。由于目前得到數(shù)據(jù)不太理想，于是我用靠背實驗中結(jié)果比較理想的數(shù)據(jù)代入，只更改坐墊的Z軸坐標，觀察是否能夠得到更加理想的結(jié)果。因為改變坐墊參數(shù)對HIC的影響小，因此我將之前HIC值為125.64最小的一組數(shù)據(jù)代入計算，看C3ms數(shù)值是否更加理想，得到好幾組數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，C3ms數(shù)值都是超過600標準數(shù)值的，結(jié)果為無效數(shù)據(jù)我繼續(xù)用第二種最優(yōu)情況：C3ms值為365.78的一組數(shù)據(jù)代入實驗，得到結(jié)果的數(shù)據(jù)為有效數(shù)據(jù)，隨著坐墊角度的增大，HIC和C3ms均沒有很大的變化，HIC穩(wěn)定在240左右，C3ms穩(wěn)定在370左右，但是與之前本階段第一次實驗所得到結(jié)果要更加理想。用靠背的第三種情況：HIC值為131.69，C3ms值為429.42的一組數(shù)據(jù)代入實驗，結(jié)果也都為有效數(shù)據(jù)，但是HIC和C3ms數(shù)據(jù)都比第二種情況的要高。綜合上述所有數(shù)據(jù)，我們依然分三種情況討論最優(yōu)結(jié)果：(1)取HIC最小，即將所有數(shù)據(jù)的HIC結(jié)果排序，得到最小的HIC值為145.64，此時C3ms值為495.31，三項坐標為：坐墊（0.00000.17500.0040）（0.0000-0.17500.0040）（0.4200-0.17500.0650）靠背（-0.09400.17500.4820）（-0.0940-0.17500.4820）（0.0000-0.17500.0000）頭枕（-0.14500.10000.7680）（-0.1450-0.10000.7680）（-0.1200-0.10000.5230）這種情況以頭部為首要保護對象。(2)取C3ms值最小，將所有數(shù)據(jù)的C3ms值排序得到最小值為368.88，此時HIC為238.92，三項坐標為：坐墊（0.00000.17500.0010）（0.0000-0.17500.0010）（0.0000-0.17500.0031）靠背（-0.10180.17500.4820）（-0.1018-0.17500.4820）（0.0000-0.17500.0000）頭枕（-0.14500.10000.7680）（-0.1450-0.10000.7680）（-0.1200-0.10000.5230）這種情況以胸部為首要保護對象。(3)取兩種數(shù)據(jù)的平均值最小，將所有的平均值排序得到最小值為301.91，此時HIC為234.32，C3ms值為369.5，三項坐標為：坐墊（0.00000.17500.0013）（0.0000-0.17500.0013）（0.0000-0.17500.0650）靠背（-0.10180.17500.4820）（-0.1018-0.17500.4820）（0.0000-0.17500.0000）頭枕（-0.14500.10000.7680）（-0.1450-0.10000.7680）（-0.1200-0.10000.5230）這種情況，頭部和胸部都能得到較好的并且均衡的保護。結(jié)合以上三種分析，綜合考慮第三種情況更加合適，為最優(yōu)結(jié)果；即使兩項數(shù)據(jù)都不是最優(yōu)，但是在兩項數(shù)據(jù)相差不大的情況下，第三種情況能對乘員做到最均衡的保護。綜合針對改變靠背參數(shù)對乘員損傷的結(jié)果和針對改變坐墊參數(shù)對乘員損傷的結(jié)果，我們再來進行進一步分析。若我們將3.1中最優(yōu)結(jié)果的靠背參數(shù)和3.2中最優(yōu)結(jié)果的坐墊參數(shù)同時代入源程序進行計算，即三項坐標：坐墊（0.00000.17500.0013）（0.0000-0.17500.0013）（0.0000-0.17500.0650）靠背(-0.09570.17500.4820)(-0.0957-0.17500.4820)(0.0000-0.17500.0000)頭枕（-0.14500.10000.7680）（-0.1450-0.10000.7680）（-0.1200-0.10000.5230）得出結(jié)果：HIC為273.56，C3ms值為554.09，與之前的兩種結(jié)果相比，這組結(jié)果并不理想，因此我們可以知道，并不是將兩種最優(yōu)數(shù)據(jù)的參數(shù)代入一起，就能得到更加好的結(jié)果，而是需要將分開來研究討論。而最后到實際中，則需要在兩中影響因素的數(shù)據(jù)結(jié)果中，并且結(jié)合人體舒適感等其他因素，選擇最優(yōu)的結(jié)果。3.3本章小結(jié)本章內(nèi)容主要是在完成建模的基礎(chǔ)上，通過改變安全座椅的結(jié)構(gòu)參數(shù)，分析對乘員損傷的影響。本章主要分為兩部分進行分析討論：1.靠背參數(shù)的改變對乘員損傷的影響；2.坐墊參數(shù)的改變對乘員損傷的影響。研究的第一步是需要找到該研究對象的對應(yīng)源程序，并且需要弄清楚每一個坐標參數(shù)的改變，會導致對應(yīng)哪一處的改變。之后便是采取控制變量法，分類進行研究，其中至關(guān)重要的一點是每次改變參數(shù)的精度要把握好，從整個仿真中我發(fā)現(xiàn)，有時候哪怕是微小的數(shù)值改變，會導致結(jié)果的大幅變化。得到一系列數(shù)據(jù)結(jié)果后，我們對數(shù)據(jù)的大小和隨變量的變化而變化的程度來分析規(guī)律，最后得到最優(yōu)參數(shù)。就靠背參數(shù)的改變對乘員損傷的影響來說，最優(yōu)數(shù)據(jù)為HIC值為131.69，C3ms值為429.42，此時座椅參數(shù)：坐墊（0.00000.17500.0000）（0.0000-0.17500.0000）（0.0000-0.17500.0650）靠背(-0.09570.17500.4820)(-0.0957-0.17500.4820)(0.0000-0.17500.0000)頭枕（-0.14500.10000.7680）（-0.1450-0.10000.7680）（-0.1200-0.10000.5230）就坐墊參數(shù)的改變對乘員損傷的影響來說，最優(yōu)數(shù)據(jù)為HIC為234.32，C3ms值為369.5，此時座椅參數(shù)：坐墊（0.00000.17500.0013）（0.0000-0.17500.0013）（0.0000-0.17500.0650）靠背（-0.10180.17500.4820）（-0.1018-0.17500.4820）（0.0000-0.17500.0000）頭枕（-0.14500.10000.7680）（-0.1450-0.10000.7680）（-0.1200-0.10000.5230）將這兩組數(shù)據(jù)進行比較，仍然按照兩種數(shù)據(jù)的平均值較小的那一組數(shù)據(jù)為更優(yōu)數(shù)據(jù)，那么此次畢業(yè)設(shè)計安全座椅防護性能優(yōu)化設(shè)計所得到最優(yōu)設(shè)計參數(shù)為：坐墊（0.00000.17500.0000）（0.0000-0.17500.0000）（0.0000-0.17500.0650）靠背(-0.09570.17500.4820)(-0.0957-0.17500.4820)(0.0000-0.17500.