[发明专利]概念设计阶段约束系统的设计方法

权利要求书

1.一种概念设计阶段约束系统的设计方法,其特征在于，所述的概念设计阶段约束系统的设计方法包括步骤如下：

1)确定输入条件：

(1)乘员胸部加速度限值G

乘员胸部加速度限值G分布在30～50g之间，G值越小代表乘员安全性要求越高；

(2)车内生存空间S₀

车内生存空间S₀定义为乘员胸部到转向盘的水平距离；在整车抗撞性的概念设计阶段，车体总布置参数基本确定，车内生存空间S₀也确定；

(3)碰撞初速度v₀

所述的碰撞初速度v₀根据碰撞试验要求确定；

(4)碰撞波形

t_v的计算式为：

式中：v₀为碰撞初速度,矩形波形中A₀为矩形波幅值，t_v为车体速度减为0的时刻，即停车时刻；

2)简化曲线处理：

(1)简化约束刚度曲线

梯形约束系统刚度的简化参数包括：

约束系统等效刚度k、乘员加速度G、乘员最大相对位移D_o/v及乘员加速度达到限值时刻t_L的相对位移D_L，简称极限相对位移；

其中：G是正向设计时根据乘员保护要求提出的胸部加速度限值,

D_o/v是总布置阶段已经确定好的乘员生存空间S₀,

k与约束系统力学参数相关，如安全带预紧量，限力等级，安全气囊充气量，泄气孔尺寸，以及吸能式转向管柱维持力；在梯形约束刚度曲线中k和D_L为未知量；

(2)简化碰撞波形曲线

将时间域的矩形波转化到相对位移域，转化过程中矩形波的幅值A₀不变，D_r0为车体停止运动时乘员的相对位移，与停车时刻t_v对应；

3)约束刚度与碰撞波形的耦合作用分析：

利用面积相等原理，相对位移域车体加速度曲线和乘员加速度曲线的面积相等，在相对位移域上约束能量密度满足：

式中:为乘员加速度，为车体加速度，x_o/v为乘员相对位移；

因此，矩形波与梯形约束系统刚度的对应关系图中粗虚线和实线两部分与相对位移所围成的面积相等，得到：

通过上式得到约束系统刚度，其中D_r0为未知量，可以分为ΔD和D_L两段：

D_r0＝D_L+ΔD (4)

式中：式中D_r0为车体停止运动时乘员的相对位移，D_L为称极限相对位移，ΔD为D_L与D_r0之间的位移差，三个参数的单位均为m；

4)求解乘员相对运动响应和约束系统固有频率：

(1)引入振动方程

将碰撞系统简化为单自由度模型，单自由度模型中m的振动方程为：

其中乘员相对位移为：

x_o/v＝x_o-x_v (6)

式中：m为乘员质量，单位为kg；k为约束刚度，与梯形波k值相同；x_o为乘员位移，单位为m；x_v为车体位移，单位为m；

(2)求解极限时间t_L、极限相对速度v_L、极限相对位移D_L

根据矩形波输入下的振动方程求解，可以得到D_L之前乘员的运动方程为

A₀为矩形波幅值，单位为g

乘员的运动响应为

其中：约束系统固有频率ω为：

梯形约束系统刚度曲线上乘员加速度达到限值时刻t_L的相对速度v_L和相对位移D_L的计算式分别为：

由

解得

令

式中：T为设定的变量；t_L为梯形约束系统刚度曲线上乘员加速度达到限值时刻，单位s；A₀为矩形波幅值，单位m/s²；G为乘员加速度限值，单位m/s²；

(3)求解约束系统固有频率ω

在t_L和停车时刻t_v之间，乘员将进行匀减速度运动，

通过以上公式推导关于ω的方程如下：

到此，约束系统固有频率求解完成；

5)输出梯形约束刚度曲线：

根据公式(11)与公式(14)输出梯形约束系统刚度k和极限相对位移D_L，如公式(20)和(21)：

到此，梯形约束刚度曲线的参数G、D_o/v、k和D_L均已知；

显示约束系统的梯形约束刚度。