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校車(chē)主動(dòng)式安全氣囊控制參數(shù)分析

2016-07-28 06:44:44葛如海
關(guān)鍵詞:校車(chē)兒童

葛如海,趙 越,應(yīng) 龍

(江蘇大學(xué)汽車(chē)與交通工程學(xué)院, 江蘇鎮(zhèn)江212013)

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校車(chē)主動(dòng)式安全氣囊控制參數(shù)分析

葛如海,趙越,應(yīng)龍

(江蘇大學(xué)汽車(chē)與交通工程學(xué)院, 江蘇鎮(zhèn)江212013)

摘要:為彌補(bǔ)校車(chē)現(xiàn)有乘員約束系統(tǒng)的不足,利用經(jīng)臺(tái)車(chē)試驗(yàn)驗(yàn)證的MADYMO校車(chē)乘員約束系統(tǒng)模型,建立主動(dòng)式安全氣囊的仿真模型。根據(jù)氣囊的工作原理,分析拉帶長(zhǎng)度、排氣孔面積、氣體質(zhì)量流率、氣囊安裝位置等氣囊參數(shù)對(duì)6歲兒童乘員傷害值的影響。仿真結(jié)果表明:有氣囊保護(hù)時(shí)乘員頭頸損傷值降低,但胸部保護(hù)效果不明顯。排氣孔面積變化最大可使6歲兒童乘員綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)WICS(Weighted Injury Criteria for School)降低21.3%,氣囊安裝位置變化可使WICS最大降低11.5%。上部、中部、下部拉帶可使WICS最大降低值分別為2.52%、2.23%和1.58%,氣體質(zhì)量流率可使WICS最大降低2.23%。由于氣囊安裝位置與排氣孔面積對(duì)乘員的影響最為顯著,氣囊參數(shù)的調(diào)整可明顯改善6歲兒童乘員傷害值,實(shí)現(xiàn)校車(chē)對(duì)6歲兒童更好的保護(hù)。

關(guān)鍵詞:校車(chē);乘員約束系統(tǒng);兒童;安全氣囊;參數(shù)分析

0引言

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)[1],2010年至2014年這五年內(nèi),全國(guó)共發(fā)生校車(chē)事故43起,其中八成有致死傷害,死亡人數(shù)達(dá)到153人。目前,我國(guó)大部分校車(chē)配備了GB14166《機(jī)動(dòng)車(chē)成年乘員用安全帶和約束系統(tǒng)》中規(guī)定的兩點(diǎn)式腰帶安全帶,這對(duì)于兒童乘員的保護(hù)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。李志剛等[2]研究表明,現(xiàn)有的校車(chē)兩點(diǎn)式安全帶不能為兒童乘員提供全面有效的保護(hù),兒童乘員頸部在校車(chē)正面碰撞過(guò)程中易發(fā)生嚴(yán)重傷害。胡國(guó)武[3]研究發(fā)現(xiàn),在汽車(chē)低速碰撞時(shí),三點(diǎn)式兒童安全帶約束系統(tǒng)對(duì)兒童保護(hù)比較好,但在高速碰撞時(shí)三點(diǎn)式將對(duì)兒童產(chǎn)生很大傷害,特別是胸部變形嚴(yán)重,隨著汽車(chē)碰撞速度增加兒童損傷也隨之增大。美國(guó)交通研究中心的Elias團(tuán)隊(duì)[4-5]指出:三點(diǎn)式安全帶有助于降低乘員傷害,但錯(cuò)誤使用反而會(huì)使乘員傷害水平更加嚴(yán)重。而且由于年齡小和自我保護(hù)意識(shí)不足,大部分兒童佩戴安全帶率不高,在發(fā)生緊急制動(dòng)或者正面碰撞時(shí),兒童將由于身體巨大的慣性作用向前移動(dòng),撞擊到前排座椅或者車(chē)體其他部件而造成傷害[6]。為彌補(bǔ)現(xiàn)有校車(chē)乘員約束系統(tǒng)的不足,引入安全氣囊對(duì)兒童進(jìn)行保護(hù)。

很多公司都是在汽車(chē)前排座椅靠背安裝氣囊,碰撞時(shí)點(diǎn)爆,實(shí)現(xiàn)對(duì)后排乘員的保護(hù),也有在車(chē)輛頂棚嵌入安全氣囊裝置,裝于前排后排乘員前側(cè),碰撞發(fā)生時(shí)展開(kāi)保護(hù)乘員[7-11]。Elias等[5]在校車(chē)座椅臺(tái)車(chē)試驗(yàn)時(shí)使用了一種氣囊式安全腰帶,可在碰撞時(shí)從腰帶中彈射出氣囊,在乘員和前排座椅靠背之間形成氣墊,能夠?qū)Τ藛T頭部提供支撐,降低頸部傷害。這些氣囊都是碰撞時(shí)點(diǎn)爆充氣展開(kāi)的。然而對(duì)于前排副駕駛位置的離位兒童,安全氣囊起爆時(shí)的巨大沖擊力會(huì)對(duì)兒童的頭部造成巨大傷害,輕則面部擦傷,重則窒息、頸椎骨折甚至死亡[12]。

為降低校車(chē)前排座椅安裝的安全氣囊快速釋放對(duì)兒童乘員的沖擊傷害,提出了一種校車(chē)主動(dòng)式兒童安全氣囊系統(tǒng)[13],該氣囊是常開(kāi)式的,這是校車(chē)乘員約束系統(tǒng)方面研究的首次嘗試[14]通過(guò)安全氣囊的排氣節(jié)流阻尼吸收碰撞能量,降低兒童乘員在正面碰撞中的損傷,目前僅對(duì)12歲兒童損傷進(jìn)行了研究。因此需要針對(duì)6歲兒童設(shè)計(jì)校車(chē)主動(dòng)式安全氣囊,并對(duì)相關(guān)控制參數(shù)進(jìn)行仿真分析,研究其對(duì)6歲兒童的保護(hù)效果,以便為今后校車(chē)乘員約束系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)提供參考。

圖1 校車(chē)正面碰撞模型Fig.1 School bus frontal crash model

1校車(chē)6歲兒童乘員約束系統(tǒng)模型

1.1校車(chē)原始約束系統(tǒng)模型

建立校車(chē)車(chē)內(nèi)環(huán)境模型包括座椅、地板等,根據(jù)臺(tái)車(chē)試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)調(diào)入假人,調(diào)整假人位置,為假人建立兩點(diǎn)式安全帶模型,將臺(tái)車(chē)試驗(yàn)相關(guān)數(shù)據(jù)作為模型輸入,得到初始仿真模型如圖1所示。

該校車(chē)模型已經(jīng)經(jīng)過(guò)臺(tái)車(chē)驗(yàn)證[14],試驗(yàn)中6歲兒童HIC15(Head Injury Criteria)為159,胸部3 ms合成加速度T3ms為18.2 g。臺(tái)車(chē)試驗(yàn)和仿真模型的乘員部分傷害指標(biāo)對(duì)比曲線如圖2所示。

由圖2可知仿真曲線與試驗(yàn)曲線在起始時(shí)刻、峰值與峰值出現(xiàn)時(shí)刻基本吻合。

(a) 6歲假人頭部合成加速度

(b) 6歲假人胸部合成加速度

(c) 6歲假人安全帶力

1.2校車(chē)主動(dòng)式安全氣囊

1.氣囊織袋; 2.進(jìn)氣控制閥; 3.泄氣控制閥; 4.卷簧; 5.盒體; 6.氣體壓力傳感器; 7.控制器ECU; 8.車(chē)速傳感器; 9.總開(kāi)關(guān); 10.壓力分布傳感器; 11.供氣系統(tǒng)圖3 校車(chē)安全氣囊系統(tǒng)圖Fig.3 System configuration of school bus airbag

校車(chē)兒童主動(dòng)式安全氣囊系統(tǒng)由儲(chǔ)氣裝置、控制系統(tǒng)、進(jìn)氣閥、泄氣閥和氣袋組成[13],如圖3所示。

主動(dòng)式氣囊的工作原理:校車(chē)啟動(dòng)后,車(chē)速傳感器檢測(cè)到校車(chē)達(dá)到規(guī)定車(chē)速,且壓力分布傳感器識(shí)別到座椅上有乘員時(shí),ECU(Electronic Control Unit)發(fā)出指令,打開(kāi)進(jìn)氣閥,氣囊充氣,充氣完成后進(jìn)氣閥關(guān)閉,在行駛過(guò)程中氣囊保持展開(kāi)狀態(tài),為兒童乘員提供全時(shí)保護(hù)。當(dāng)碰撞發(fā)生時(shí)ECU根據(jù)車(chē)速傳感器監(jiān)測(cè)到的碰撞程度確定泄氣閥開(kāi)啟時(shí)間和程度。兒童乘員與氣囊發(fā)生二次碰撞后,ECU根據(jù)氣袋內(nèi)氣體壓力傳感器監(jiān)測(cè)到的達(dá)到預(yù)設(shè)閾值的氣囊內(nèi)壓打開(kāi)泄氣閥,通過(guò)排氣閾值時(shí),泄氣閥開(kāi)啟,通過(guò)排氣孔的排氣節(jié)流阻尼吸收碰撞能量,降低乘員傷害。

該主動(dòng)式安全氣囊可以通過(guò)氣囊安裝位置、氣體質(zhì)量流率、排氣孔面積(因?yàn)樵摎饽也牧蠠o(wú)透氣性,所以不考慮織物泄氣性)、排氣孔個(gè)數(shù)、排氣孔位置、排氣孔開(kāi)啟氣囊腔壓力、拉帶長(zhǎng)度等參數(shù)的調(diào)整控制兒童損傷。在12歲假人氣囊的研究結(jié)論基礎(chǔ)上,選用拉帶長(zhǎng)度、排氣孔面積、氣體質(zhì)量流率、氣囊安裝位置等研究其對(duì)6歲兒童乘員損傷影響。

1.3校車(chē)主動(dòng)式安全氣囊模型

使12歲兒童得到很好保護(hù)的氣囊上部分要保證在碰撞時(shí)能完全包裹住乘員頭部上端,不碰到前排座椅靠背,兒童胸腹處對(duì)應(yīng)氣囊較突出[15],筆者根據(jù)前面研究的可實(shí)現(xiàn)對(duì)12歲兒童較優(yōu)保護(hù)的氣囊參數(shù),利用三維軟件CATIA建出能兼顧6歲兒童保護(hù)的初始?xì)饽夷P?,使用Hypermesh進(jìn)行網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格為三角形膜單元,在網(wǎng)格繪制過(guò)程中檢查了雅格比、翹曲、單元尺寸等保證了網(wǎng)格的質(zhì)量。將氣囊網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)和單元信息導(dǎo)入MADYMO校車(chē)模型中進(jìn)行仿真,利用固定鉸將氣囊安裝在前排座椅靠背與其同步運(yùn)動(dòng),并用SUPPORT將氣囊背面節(jié)點(diǎn)與前排座椅固定。定義氣囊與座椅靠背的接觸時(shí),因?yàn)闅饽遗c座椅均為有限元,計(jì)算耗時(shí)長(zhǎng),用多剛體平面簡(jiǎn)化座椅靠背,使用CONTACT.MB_FE定義多剛體靠背與氣囊接觸,假人頭、頸、胸、腹、大腿、膝蓋等與氣囊的接觸。仿真時(shí)長(zhǎng)為200 ms,步長(zhǎng)為1.0×10-5。校車(chē)主動(dòng)式安全氣囊模型如圖4所示。初始?xì)饽夷P秃蜔o(wú)氣囊仿真模型的6歲兒童乘員損傷值對(duì)比如表1所示。氣囊模型碰撞仿真過(guò)程如圖5所示。

(a) 側(cè)視圖                 (b) 軸視圖

項(xiàng)目參數(shù)無(wú)氣囊仿真模型氣囊模型標(biāo)準(zhǔn)變化率/%HybridⅢ型6歲假人頭部傷害評(píng)價(jià)指標(biāo)HIC15157.4124.9500-19.8胸部3ms合成加速度T3ms/g17.217.530+1.7頸部傷害評(píng)價(jià)指標(biāo)Nij1.3860.6921-50.1左大腿軸向力FFCL/N82474910000-9.1右大腿軸向力FFCR/N81065510000-19.1

(a) 50 ms(b) 100 ms(c) 150 ms

圖5校車(chē)氣囊模型仿真過(guò)程

Fig.5School bus airbag model simulation process

從表1可以看出6兒童乘員在校車(chē)前排座椅添加氣囊后頭部傷害評(píng)價(jià)指標(biāo)HIC15會(huì)降低19.8%,胸部3 ms合成加速度T3ms基本沒(méi)變化,頸部傷害評(píng)價(jià)指標(biāo)Nij降低值達(dá)到50.1%,左、右大腿軸向力FFCL、FFCR均有所降低,說(shuō)明添加主動(dòng)式安全氣囊能進(jìn)一步保護(hù)頭部,對(duì)頸部的保護(hù)效果最有效,但對(duì)胸部保護(hù)效果不明顯。但是相較于試驗(yàn)中的頭胸?fù)p傷數(shù)據(jù),氣囊模型的HIC15降低21.4%,T3ms降低3.8%。

2校車(chē)新型氣囊參數(shù)對(duì)6歲兒童損傷的影響

根據(jù)新型安全氣囊工作原理,對(duì)氣囊上拉帶長(zhǎng)度、中拉帶長(zhǎng)度、下拉帶長(zhǎng)度、排氣孔面積、氣體質(zhì)量流率、氣囊安裝位置等6個(gè)氣囊參數(shù)進(jìn)行仿真分析,研究它們對(duì)6歲兒童乘員損傷的影響。

使用頭部傷害評(píng)價(jià)指標(biāo)HIC15,頸部傷害評(píng)價(jià)指標(biāo)Nij,胸部3 ms合成加速度T3ms,大腿傷害指標(biāo)FFC(Femur Force Criteria),以及在WIC基礎(chǔ)上添加了頸部傷害的完全傷害評(píng)價(jià)指標(biāo)WICS,綜合考慮碰撞中頭部、頸部、胸部以及大腿損傷對(duì)兒童乘員總體傷害的影響[2,17-18],公式如下:

式中,HIC的限值為500,T3ms限值為30 g,大腿軸向力限值為10 kN。在任意時(shí)刻,Nij不能大于1。

2.1上部拉帶

上部拉帶的設(shè)計(jì)原值為235 mm,在原值基礎(chǔ)上選取6組值進(jìn)行計(jì)算,不同拉帶長(zhǎng)度下6歲兒童傷害情況如表2所示。從表2中可以看出,上部拉帶長(zhǎng)度變小時(shí),6歲乘員的T3ms和Nij降低,左右大腿軸向力升高。

表2 上部拉帶長(zhǎng)度變化對(duì)6歲乘員損傷影響

2.2中部拉帶

中部拉帶的設(shè)計(jì)原值為290 mm,同樣在原值基礎(chǔ)上在計(jì)算6組長(zhǎng)度下6歲兒童傷害值如表3所示。從表3中可以看出,中部拉帶長(zhǎng)度變小時(shí),6歲乘員的T3ms基本呈下降趨勢(shì),左右大腿軸向力升高,HIC15基本呈上升趨勢(shì)。

表3 中部拉帶長(zhǎng)度對(duì)6歲乘員損傷影響

2.3下部拉帶

下部拉帶在原值340 mm基礎(chǔ)上另外計(jì)算6組拉帶長(zhǎng)度的6歲兒童損傷如表4所示。從表4中可以看出,腹部拉帶長(zhǎng)度變小時(shí),6歲乘員的T3ms和Nij先增高后降低,左右大腿軸向力基本呈升高趨勢(shì),HIC15基本成增大趨勢(shì)。

表4 下部拉帶長(zhǎng)度對(duì)6歲乘員損傷影響

2.4排氣孔面積

排氣孔面積影響氣囊泄氣的快慢,本文將排氣孔面積設(shè)為原值的-20%到+100%,以20%遞增。不同排氣孔面積下乘員傷害情況如表5所示。從表5中可知,排氣孔面積增大時(shí),6歲乘員的T3ms、Nij、HIC15和WICS都顯著下降,但是左右大腿軸向力升高。

表5 排氣孔面積對(duì)6歲乘員損傷影響

2.5氣體質(zhì)量流率

校車(chē)兒童安全氣囊碰撞前已經(jīng)充氣完成,所以氣體質(zhì)量流率主要影響氣囊的充氣量和氣囊的初始?jí)毫χ?,本文研究氣體質(zhì)量流率的-25%、-15%、+15%、+25%、+35%對(duì)乘員損傷情況如表6所示。從表6中可以看出,氣體質(zhì)量流率增大時(shí),6歲乘員的T3ms有上升趨勢(shì),Nij有下降趨勢(shì),HIC15降低變化明顯,WICS降低。

表6 氣體質(zhì)量流率對(duì)6歲乘員損傷影響

2.6氣囊安裝位置

氣囊的位置也會(huì)影響乘員損傷,氣囊安裝點(diǎn)在氣囊盒體中心處,此點(diǎn)位于氣囊安裝面中心曲線上,距完全展開(kāi)氣囊下邊界垂直距離為0.182 m,氣囊最初的位置在安裝點(diǎn)距離前排坐墊上表面0.395 m, 0.375 m,0.355 m,0.345 m,0.34 m,0.335 m處的氣囊對(duì)應(yīng)的6歲兒童傷害值如表7所示。從表7中可以看出,氣囊安裝位置降低時(shí),6歲乘員的Nij、HIC15和WICS降低,變化顯著。Nij下降了44%,HIC15下降了14.7%,WICS下降了11.5%。

表7 氣囊位置對(duì)6歲乘員損傷影響

3參數(shù)靈敏度分析

為了更直觀的看出各參數(shù)對(duì)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)WICS的影響,對(duì)氣囊各參數(shù)變化下的乘員綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行靈敏度分析。靈敏度公式如下:

靈敏度越大說(shuō)明該參數(shù)變化對(duì)校車(chē)6歲兒童乘員傷害影響越大。所得氣囊各參數(shù)變化對(duì)應(yīng)的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)WICS的影響如圖6所示。

圖6 氣囊各參數(shù)變化對(duì)應(yīng)的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)WICS靈敏度分析

由圖6分析得出氣囊安裝位置變化和排氣孔面積變化對(duì)降低6歲兒童乘員綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)WICS影響較大,最大降低率分別為11.5%和21.3%,拉帶長(zhǎng)度變化以及氣體質(zhì)量流率變化對(duì)6歲兒童乘員傷害影響相對(duì)較小,上部、中部拉帶及氣體質(zhì)量流率變化影響差不多,最大降低率分別為2.52%、2.23%和2.23%。下部拉帶長(zhǎng)度變化影響相對(duì)較小,最大降低率為1.58%。

4討論

主動(dòng)式安全氣囊相較于兩點(diǎn)式安全帶對(duì)6歲兒童的保護(hù)可以使HIC15降低19.8%,Nij降低50.1%,特別是使頸部傷害降低到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)之下,但是胸部保護(hù)效果卻不明顯,而陳珣等[16]對(duì)主動(dòng)式安全氣囊對(duì)12歲兒童的保護(hù)研究中頭頸傷害都有明顯改善,對(duì)減少胸部傷害也有一定效果。安全氣囊參數(shù)中氣體質(zhì)量流率、排氣孔面積、氣囊安裝位置等對(duì)12歲兒童WICS影響較大。但是對(duì)于6歲兒童氣囊排氣孔面積、氣囊安裝位置對(duì)WICS影響較顯著,氣體質(zhì)量流率影響較小。并且在該氣囊保護(hù)下兒童各傷害指標(biāo)均在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi),能有效保障6歲兒童生命,減少各部位損傷。

5結(jié)論

依據(jù)校車(chē)新型兒童安全氣囊工作原理建立了氣囊模型,并導(dǎo)入經(jīng)過(guò)臺(tái)車(chē)驗(yàn)證過(guò)的校車(chē)模型中進(jìn)行仿真計(jì)算,針對(duì)6歲兒童乘員計(jì)算氣囊上部、中部、下部拉帶長(zhǎng)度,排氣孔面積,氣體質(zhì)量流率,氣囊安裝位置等6個(gè)氣囊參數(shù)對(duì)6歲乘員損傷的影響。得出以下結(jié)論:

①帶有初始?xì)饽业男\?chē)模型,乘員頭、頸損傷值降低,氣囊起作用,比只有兩點(diǎn)式安全帶的校車(chē)仿真模型能有效改善頸部和頭部損傷。

②氣囊上部、中部、下部拉帶長(zhǎng)度,排氣孔面積,氣體質(zhì)量流率,氣囊安裝位置等6個(gè)氣囊參數(shù)對(duì)6歲乘員損傷有影響。其中排氣孔面積增大和氣囊安裝位置下降能使HIC15和Nij顯著降低,可使Nij顯著降低的參數(shù)還有上部拉帶長(zhǎng)度。排氣孔面積增大可明顯降低T3ms,其他參數(shù)影響較弱。

③排氣孔面積和氣囊安裝位置對(duì)6歲兒童乘員綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)WICS影響顯著,分別使6歲兒童乘員WICS最大降低21.3%和11.5%,可選取排氣孔面積、氣囊安裝位置、上部拉帶長(zhǎng)度和氣體質(zhì)量流率等四個(gè)參數(shù)進(jìn)行正交優(yōu)化。

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(責(zé)任編輯梁健)

收稿日期:2016-01-10;

修訂日期:2016-05-23

基金項(xiàng)目:中國(guó)博士后科學(xué)基金項(xiàng)目(2013M541607)

通訊作者:葛如海(1957—),男,江蘇如皋人,江蘇大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師;E-mail:grh@ujs.edu.cn。

doi:10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.0666

中圖分類號(hào):X913.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1001-7445(2016)03-0666-08

Analysis of the new airbag control parameters for children in school bus

GE Ru-hai, ZHAO Yue,YING Long

(School of Automobile and Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013,China)

Abstract:In order to compensate the deficiencies of the current school bus occupant restraint system, the active airbag simulation model is established for the school bus occupant restraint system built with MADYMO which has been validated through sled test. The airbag parameters of the airbag tether length, the vent area, the mass flow rate of the gas generator, the airbag position on the injury of the 6-year-old child occupant are analyzed based on the operational principle of the airbag. Simulation results show that: Injury of head and neck of occupant is decreased by the active airbag, but injury of chest has no notable change. The maximum decline rate of 6-year-old child comprehensive evaluation WICS (Weighted Injury Criteria for School) is 21.3% with different vent areas. With different airbag positions, the maximum decline rate of WICS is 11.5%. The maximum decline rates of WICS are as follows: 2.52%, 2.23% and 1.58% by changing the length of the upper tether, the middle tether and the lower tether, respectively. The maximum decline rate of WICS is 2.23% with the different mass flow of the gas. Because the influence of the airbag installation position and the vent area on the injury of the 6-year-old child occupant is the most significant, the injury of child occupant can be obviously improved through the prior adjustment of these parameters of the school bus to protect the 6-year-old children.

Key words:school bus; occupant restraint system; children; airbag; parameter analysis

引文格式:葛如海,趙越,應(yīng)龍.校車(chē)主動(dòng)式安全氣囊控制參數(shù)分析[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2016,41(3):666-673.

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