導(dǎo)航：安全管理網(wǎng)>> 安全論文>> 交通安全論文>>正文

安全氣囊試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及復(fù)合管式安全氣囊研究

文檔作者：蘇蓉		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年05月08日
下載地址：點(diǎn)擊這里	文件大?。?2.61 MB 共70頁	文檔格式： PDF	下載點(diǎn)數(shù)： 1 點(diǎn)（VIP免費(fèi)）

全屏查看

部分內(nèi)容預(yù)覽 [文件共70頁]

本文件共70頁，只能預(yù)覽部分內(nèi)容，查看全部?jī)?nèi)容需要下載。

注：預(yù)覽效果可能會(huì)出現(xiàn)部分文字亂碼（如口口口）、內(nèi)容顯示不全等問題，下載是正常的。

	文件大?。?.61 MB 共70頁文件格式：PDF 下載點(diǎn)數(shù)：1 點(diǎn)（VIP會(huì)員免費(fèi)）

下一篇：中美校車座椅安全標(biāo)準(zhǔn)及試驗(yàn)方法對(duì)比

上一篇：智能集成式兒童安全座椅的臺(tái)車正面碰撞試…

文本預(yù)覽

僅提取頁面文字內(nèi)容，供快速閱讀使用。

摘要
作為乘員輔助約束系統(tǒng)的組成部分，安全氣囊在碰撞發(fā)生時(shí)對(duì)人體具有重要
的保護(hù)效果。隨著人們對(duì)汽車被動(dòng)安全性的要求／fi斷增高，對(duì)安全氣囊的研究開
發(fā)工作成為熱點(diǎn)。本文的主要任務(wù)包括建立一個(gè)用于氣囊結(jié)構(gòu)改進(jìn)的安全氣囊靜
態(tài)試驗(yàn)平臺(tái)和對(duì)新結(jié)構(gòu)復(fù)合管式氣囊的初步研究。
本文首先介紹了目前安全氣囊靜態(tài)試驗(yàn)中所存在成本高、時(shí)問長(zhǎng)、有污染的
問題，提出了減少以上缺點(diǎn)的試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)思路，參與設(shè)計(jì)了一套以壓縮空氣作
為氣囊氣源，包括空氣壓縮機(jī)、壓力容器、大通徑電磁閥為主要裝置的試驗(yàn)系統(tǒng)。
通過引入熱力學(xué)的模型，根據(jù)質(zhì)量流量公式方程組計(jì)算出壓力容器的關(guān)鍵參數(shù)。
根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集系統(tǒng)要求，選擇試驗(yàn)所需的壓力傳感器。為了保證試驗(yàn)的順
利進(jìn)行，制定了整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)的操作流程，規(guī)范了試驗(yàn)的環(huán)境要求。為了節(jié)省研
究時(shí)間，將采集的數(shù)據(jù)建立了有限元仿真模型，可以通過仿真部分取代實(shí)際試驗(yàn)。
試驗(yàn)結(jié)果證明，該試驗(yàn)系統(tǒng)較傳統(tǒng)試驗(yàn)裝置減少了成本，節(jié)約了試驗(yàn)時(shí)間并無污
染問題。本試驗(yàn)裝置不僅可以用于安全氣囊靜態(tài)試驗(yàn)，同假人模型結(jié)合以后，還
可以進(jìn)行離位乘員傷害的試驗(yàn)研究。
本文第二部分對(duì)鐘志華院士的中國發(fā)明專利復(fù)合管式氣囊開展了初步研究。
復(fù)合管式氣囊的主要設(shè)計(jì)目的是為了減少充氣時(shí)間和減小氣囊對(duì)離位乘員傷害。
該氣囊采用復(fù)合管式的新氣囊結(jié)構(gòu)，力圖達(dá)到以上優(yōu)點(diǎn)。本文建立了復(fù)合管式氣
囊的有限元模型，通過仿真驗(yàn)證了復(fù)合管式安全氣囊相對(duì)傳統(tǒng)氣囊有充氣量少、
充氣時(shí)間短的優(yōu)點(diǎn)。進(jìn)行了復(fù)合管式安全氣囊性能驗(yàn)證的臺(tái)車試驗(yàn)，證明了復(fù)合
管式安全氣囊對(duì)人體的保護(hù)作用，并建立臺(tái)車試驗(yàn)的有限元模型以便在以后的研
究巾部分取代臺(tái)車試驗(yàn)，縮短研究時(shí)間。最后，進(jìn)行了傳統(tǒng)氣囊和復(fù)合管式安全
氣囊的離位乘員仿真，驗(yàn)證了復(fù)合管式安全氣囊比傳統(tǒng)氣囊對(duì)離位乘員具有傷害
小的突出優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：安全氣囊；充氣試驗(yàn)系統(tǒng)：管式復(fù)合氣囊；臺(tái)車試驗(yàn)；離位乘員
窒全蘭耋童墼垂篁璧墼壘塞壘篁莖塞塞皇塞墼耋
Abstract
Be regarded as the important component of SRS(Supplemental Restraint System)，
the airbag has the remarkable effects tO the automobile passenger protection while
collision happening．As people’S requisition for passive safety is increasing constantly,
the research and development of the airbag become the focus．This paper concentrates
on the deployment system design for airbag structure improvement and preliminary
research on sandwich tube—type airbag．
Firstly,this paper introduces the drawback(expensive，time waste and pollution)
of the traditional airbag static experimental system，and present a new airbag
deployment system mainly consisted with an air compressor,pressure vessel and
solenoid valve．The whole system use compressed air as the inflow gas source．
Through calculating the key parameter of the pressure vessel outlet diameter,limit the
gas flow rate into the airbag during deployment．In order to guarantee the experiment
effects，establish the environment condition requisition and regulate the experiment
operating procedures．Using finite element method，simulate the airbag deployment in
computer by inputting the experiment data．Experiment result proves that the system
decrease the cost，save the test time and have no pollution．Combination with the
Hybrid III dummy,the system can also be used in OOP test research．
Secondly,this paper illustrates the mechanism about airbag caused injury．Using
the new structure，the Sandwiched Tube-Type Airbag(STAB)want to decrease the
deployment time cost and deduce the injury to OOP than the traditional structure
airbag．Though the new type airbag deployment simulation，conclude that the STAB
deploys fast than the tradition airbag and using less gas mass inflow．Afterward，in
order to find out the new structure airbag performance while collision，the sled test
was carried out．The sled test result supports the STAB’S good mark at passenger
protection．Next，create the sled test simulation model in order to decrease the sled test
times．Last，establish the OOP(out of position)passenger model to compare the injury
severity degree between STAB and traditional airbag．Conclude from the eomparison
with the simulation data，the STAB can decrease the OOP passenger’S head injury．
Key Words：Airbag；Deployment system；Sandwich Tube—Type airbag；Sled test；
ooP
一11I．
湖南大學(xué)
學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明
本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所
取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任
何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對(duì)本文的研究做出重要貢
獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的
法律后果由本人承擔(dān)。
作者簽名： 墉日期：。2∞‘年薌月僭日
學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書
本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意
學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文
被查閱和借閱。本人授權(quán)湖南大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編
入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯
編本學(xué)位論文。
本學(xué)位論文屬于
1、保密口，在年解密后適用本授權(quán)書。
2、不保密口。
(請(qǐng)?jiān)谝陨舷鄳?yīng)方框內(nèi)打“4”)
作者簽名：
導(dǎo)師簽名：
碩士學(xué)位論文
1．1汽車被動(dòng)安全性研究
第1章緒論
1．1．1引言
有汽車就有安全問題，隨著汽車保有量的增加，安全問題同益突顯。汽車安
全已經(jīng)成為制約我國交通運(yùn)輸業(yè)和汽車工業(yè)進(jìn)一步發(fā)展的重要因素之一，開展汽
車安全性研究是十分必要和緊迫的。
據(jù)交通部統(tǒng)計(jì)，截至2004年底，我國社會(huì)汽車保有量為2742萬輛，2005年
全國汽車銷售量為575萬輛；到2005年底為止，我國民用汽車保有量已達(dá)3300
萬輛t¨。據(jù)國務(wù)院發(fā)展研究中心的統(tǒng)計(jì)，中國汽車保有量將在2010年達(dá)到5669
萬輛，2020年達(dá)到13103萬輛。在未來的10到15年時(shí)間里，中國將成為世界最
大的汽車消費(fèi)國和最大的汽車生產(chǎn)國12】。
而在2005年，全國共發(fā)生道路交通事故450254起，比2004年減少67635
起，下降13．1％；造成98738人死亡，同比減少8339人，下降7．8％；造成469911
人受傷，同比減少10953人，下降2．3％；直接財(cái)產(chǎn)損失18．8億元，同比減少5．1
億元，下降21．2％；萬車死亡率為7．6％，比2004年減少2_3％。
與國內(nèi)每年因交通事故而死亡的人數(shù)接近或超過10萬比較，以下是一組相關(guān)
數(shù)據(jù)。2005年日本國內(nèi)汽車保有量達(dá)到8000‘萬輛，因交通事故死亡的人數(shù)為6871
人，比上年減少了6．6％，為1956年以來的最低點(diǎn)【3】。對(duì)比日本國內(nèi)數(shù)據(jù)，中國
與日本差距如此大的原因除了在國民交通安全意識(shí)不足，國內(nèi)交通法規(guī)的不完善，
執(zhí)法力度不夠外，與日本汽車安全技術(shù)的發(fā)達(dá)密切相關(guān)的。
第59屆法蘭克福國際汽車展上，歐洲權(quán)威汽車安全組織NCAP餌ew Car
AssessmentProgram)的合作伙伴、有20年歷史的德國老牌汽車俱樂部全德汽車俱
樂部ADAC對(duì)中國參展汽車企業(yè)江鈴陸風(fēng)的“陸風(fēng)”車進(jìn)行了一次碰撞實(shí)驗(yàn)。根據(jù)
ADAC的測(cè)試報(bào)告顯示，陸風(fēng)的總測(cè)試成績(jī)?cè)跐M分16分的正面撞擊中得1分，
滿分16分的側(cè)面撞擊中得12分；滿分37分的乘員保護(hù)中得13分；滿分49分的
兒童安全性項(xiàng)目測(cè)試得39分14】。這一結(jié)果凸現(xiàn)我國汽車安全技術(shù)的落后。
1．1．2汽車安全法規(guī)的發(fā)展
隨著汽車技術(shù)的不斷發(fā)展，汽車安全性問題越來越受到人們的重視。早在二
十世紀(jì)六十年代，美國就建立了影響至今的聯(lián)邦機(jī)動(dòng)車安全標(biāo)準(zhǔn)FMVSS(Federal
Motor Vehicle Safety Standard)，作為最早的汽車安全性法規(guī)，它已經(jīng)具有全面的
框架結(jié)構(gòu)，在該法規(guī)的發(fā)展中，內(nèi)容上得到了進(jìn)一步的完善【5I。目前，它包括了
塞全耋耋蘭蘭垂竺塞莖壘塞壘竺竺絲苧三塞塑圣
幾十項(xiàng)內(nèi)容，可以分為主動(dòng)安全法規(guī)和被動(dòng)安全法規(guī)，即大約25項(xiàng)的主動(dòng)安全性
標(biāo)準(zhǔn)和大約23項(xiàng)被動(dòng)安全性標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，還包括碰撞試驗(yàn)后進(jìn)行燃油泄漏檢驗(yàn)的
法規(guī)。同樣，在歐洲也相繼推出了歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)ECE(Economic Commission for
Europe Regulationsl、歐洲經(jīng)濟(jì)共同體EEC(European Economic Community)安全法
規(guī)。日本也推出了日本道路運(yùn)輸車輛保安標(biāo)準(zhǔn)TRIAS(Traffic Safety and Nuisance
Research Institute’S Automobile Type Approval Test Standard)，這些法規(guī)的推出以及
強(qiáng)制執(zhí)行，促進(jìn)了汽車生產(chǎn)廠商投入大量的人力物力進(jìn)行汽車安全性技術(shù)的研究
和開發(fā)，推動(dòng)了汽車安全性技術(shù)的不斷發(fā)展，從而在很大程度上減少了交通事故
的發(fā)生以及交通事故中人員(乘員和行人)的死亡率。在中國，隨著我國汽車保
有量的不斷增長(zhǎng)，汽車碰撞事故近幾年來總的呈上升趨勢(shì)。隨著高速公路的發(fā)展，
對(duì)汽車碰撞中乘員的安全保護(hù)提出了更高的要求，目前我國政府有關(guān)部門已頒布
汽車被動(dòng)安全性法規(guī)《關(guān)于正面碰撞乘員保護(hù)的設(shè)計(jì)規(guī)則》CMVDR294(China
Motor Vehicle Design Rule 294)[“，將實(shí)車碰撞試驗(yàn)內(nèi)容列入強(qiáng)制檢驗(yàn)項(xiàng)目中。這
推動(dòng)我國汽車被動(dòng)安全性技術(shù)進(jìn)入新的領(lǐng)域。這些年來我國一直采用100％正面
全接觸碰撞試驗(yàn)，但事實(shí)上在每年的交通事故中，側(cè)撞要占1／3左右，致死率僅
次于正面碰撞，致傷率則居第一位。在清華大學(xué)汽車碰撞試驗(yàn)室和中國汽車技術(shù)
研究中心碰撞試驗(yàn)室進(jìn)行了大量的碰撞試驗(yàn)后，我國以歐洲ECE碰撞法規(guī)為基
礎(chǔ)，依據(jù)國內(nèi)實(shí)際情況進(jìn)行了一些細(xì)微修改，《車輛側(cè)面碰撞的乘員保護(hù)》將于
2006年7月1日起正式實(shí)旌【”。
1．1．3汽車被動(dòng)安全技術(shù)的研究?jī)?nèi)容
汽車安全性可以就交通事故發(fā)生的前后來分類。事故前的汽車安全性，是指
事故將要發(fā)生時(shí)操縱制動(dòng)或轉(zhuǎn)向系統(tǒng)避免事故發(fā)生的能力，以及汽車正常行駛時(shí)
保證其動(dòng)力性、操作穩(wěn)定性、駕駛舒適性、信息性等預(yù)防事故發(fā)生的性能，一般
也稱之為主動(dòng)安全性。事故后的汽車安全性是指事故發(fā)生時(shí)保護(hù)乘員和步行者，
使直接損失降到最小的性能。另外，作為防止事故后出現(xiàn)二次傷害的安全性，還
應(yīng)考慮防止事故車輛發(fā)生火災(zāi)及迅速疏散乘員的性能，一般也被稱為被動(dòng)安全性。
在被動(dòng)安全領(lǐng)域歐美起步最早，可謂開被動(dòng)安全技術(shù)之先河。如1954年法國
雷諾汽車公司成立了生理實(shí)驗(yàn)室，其做出的一些成果從今天的角度看絲毫不比一
些歷史上的重大醫(yī)學(xué)突破遜色。由于對(duì)車身的改進(jìn)以及在車身內(nèi)增加了一些防護(hù)
裝置，某些常見的重大事故傷害大大減少甚至杜絕，尤其是臉部及眼部傷害、顱
裂、肋骨斷裂及乘員拋出致死的情況。事實(shí)上，適當(dāng)?shù)夭扇∫恍┐胧?如正確使
用安全帶，安全氣囊)，就可在代價(jià)不大的前提下顯著降低致命傷害的可能性。但
在研究之初，學(xué)術(shù)界對(duì)此卻頗不以為然；醫(yī)學(xué)界對(duì)此不屑一顧；而工程界則寧愿
從事那些比與人體打交道更易出成就的工作。
汽車被動(dòng)安全技術(shù)的全面開展始于60年代以后。汽車的性能已經(jīng)有了明顯提
碩+學(xué)位論文
高，但事故發(fā)生率依然居高不下。為降低因汽車保有量增加帶來的不斷增高的事
故發(fā)生率，各國政府紛紛成立專門的交通安全管理部門，負(fù)責(zé)有關(guān)交通安全的政
策和法規(guī)的建立與制定。如美國1966年在運(yùn)輸部?jī)?nèi)成立了國家公路安全局；日本、
歐洲、澳大利亞等也成立了相應(yīng)部門。在這些部門和法規(guī)的制約及提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)
力的客觀要求下，各大汽車制造商和一些研究機(jī)構(gòu)逐漸把汽車被動(dòng)安全技術(shù)從其
它領(lǐng)域中分離出形成一個(gè)獨(dú)立的分支。
汽車交通事故的調(diào)查結(jié)果顯示，絕大部分事故是由于人和環(huán)境因素造成的，
而不是汽車本身的原因，也就是說汽車被動(dòng)安全性相對(duì)來說更重要佯J。汽車被動(dòng)安
全性涉及車身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、內(nèi)飾件軟化、吸能式轉(zhuǎn)向柱、乘員約束系統(tǒng)、內(nèi)飾件抗
燃性及與人體生物力學(xué)特性等有關(guān)內(nèi)容，因此可分為車身結(jié)構(gòu)抗撞性研究、碰撞
生物力學(xué)研究、乘員約束系統(tǒng)和內(nèi)飾件的開發(fā)研究這三方面的工作。
1．1．3．1車身結(jié)構(gòu)抗撞性研究
該領(lǐng)域主要通過尋求改善車身結(jié)構(gòu)抗撞性的方法，使汽車特別是轎車車身能
吸收更多的碰撞能量，在保證車內(nèi)乘員有足夠的安全空間的前提下，讓傳遞到乘
員的碰撞能量最小，而且還必須保證碰撞后乘員易于逃脫和容易進(jìn)行車外救護(hù)。
對(duì)車身結(jié)構(gòu)抗撞性的早期研究主要依賴于實(shí)驗(yàn)方法。由于實(shí)驗(yàn)需要將樣車制
造出來，且這種結(jié)構(gòu)修改代價(jià)較高，此方法在時(shí)間和費(fèi)用上都有很大的局限性。
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，在硬件支持和一些先進(jìn)的建模方法推動(dòng)下，計(jì)算機(jī)模擬
和仿真技術(shù)使車身結(jié)構(gòu)的抗撞性研究進(jìn)入了一個(gè)嶄新的發(fā)展時(shí)期。與試驗(yàn)相比，
計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)具有周期短、費(fèi)用低、可重復(fù)、數(shù)據(jù)獲取方便、不受時(shí)空和氣候
條件限制的優(yōu)越性。當(dāng)然計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)不能完全脫離試驗(yàn)，因?yàn)榉抡娼Y(jié)果的精
度最終需要試驗(yàn)驗(yàn)證。目前，車身結(jié)構(gòu)的耐撞性研究通常采用實(shí)車碰撞和計(jì)算機(jī)
仿真相結(jié)合的方法。
1．1．3．2碰撞生物力學(xué)研究
該領(lǐng)域?qū)W科交叉的特點(diǎn)十分顯著，作為被動(dòng)安全技術(shù)開展的重要基礎(chǔ)，歷史
上對(duì)不同形式碰撞中人體受傷機(jī)理、人體各部分的傷害極限、人體各部位對(duì)碰撞
載荷的機(jī)械響應(yīng)特性以及碰撞人體替代物等都有研究[91。這類研究主要目的是了
解傷害機(jī)理，定量的描述人體生物力學(xué)響應(yīng)及確定人體造成無法恢復(fù)的嚴(yán)重?fù)p傷
時(shí)的響應(yīng)水平，開發(fā)出與人體生物力學(xué)特性相似的碰撞試驗(yàn)假人，最終可以精確
評(píng)價(jià)人體損傷，由此開發(fā)出保護(hù)系統(tǒng)用于減少且合理分配作用于人體的碰撞能量。
按照其研究方法，又可分為三個(gè)方面的研究：生物模型、機(jī)械模型以及數(shù)學(xué)模型。
生物模型主要用來研究損傷機(jī)理以及確定耐受限度，認(rèn)識(shí)和理解不同部位和
器官在不同的碰撞載荷作用下的損傷機(jī)理是碰撞生物力學(xué)研究的基本內(nèi)容。機(jī)械
模型研究主要是基于標(biāo)準(zhǔn)假人的試驗(yàn)研究，通過研究碰撞時(shí)標(biāo)準(zhǔn)假人的腦部加速
安全氣囊試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及復(fù)合管式安全氣囊研究
度、胸腔的變形、腿部的加速度、軸向力、髖部加速度等來評(píng)估車的安全性能。
數(shù)學(xué)模型主要是指應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真來建模分析。各模型之間進(jìn)行相互驗(yàn)證時(shí)，驗(yàn)
證誤差不得超過10～20％110J。
1．1．3．3乘員約束系統(tǒng)和內(nèi)飾件的開發(fā)研究
該領(lǐng)域研究的內(nèi)容主要是通過尋求最優(yōu)的約束性能，使乘員避免與內(nèi)飾件的
二次碰撞；內(nèi)飾件的開發(fā)則是使人體與之發(fā)生二次碰撞時(shí)所受的傷害最小。
(1)安全帶
安全帶是乘員保護(hù)系統(tǒng)中起步較早、價(jià)格低廉而又安全可靠的一員，它主要
作用是約束前碰撞和翻滾過程中人體相對(duì)于車體的運(yùn)動(dòng)。為了提高安全帶的約束
性能，人們?cè)诎踩珟到y(tǒng)中增加了預(yù)緊器和卷收器，并且針對(duì)沒有鎖止功能的卷
收器，開發(fā)了自動(dòng)鎖止卷收器(ALR)和緊急鎖止卷收器(ELR)。近年來，特別是在
美國，為了提高安全帶的使用率，出現(xiàn)了一種主動(dòng)安全帶，使得乘員上車落座后
立即處于安全帶約束狀態(tài)。除了致力于提高安全帶的約束性能和舒適性外，人們
的注意力還集中于減少安全帶自身對(duì)人體造成的傷害方面。1993年Bourbeau研
究了3927例車禍后發(fā)現(xiàn)使用安全帶個(gè)體頸椎扭傷出現(xiàn)率(21％)比未使用安全帶個(gè)
體(14％)高¨”。安全帶的使用同樣會(huì)直接壓迫頸部，引起窒息、頸動(dòng)脈破裂甚至
氣管破裂等嚴(yán)重后果[12-14】。Carnpbel研究發(fā)現(xiàn)盡管安全帶可以防止人體被拋出車
外及與車內(nèi)飾件相撞，但同時(shí)也會(huì)對(duì)胸部產(chǎn)生相對(duì)集中的巨大應(yīng)力，導(dǎo)致胸部損
傷ll 51。為了克服安全帶對(duì)人體的傷害，田中良顏等發(fā)明了一種可充氣的安全帶系
統(tǒng)，當(dāng)發(fā)生意外時(shí)，用充了氣的帶子約束乘員，減小了施加在乘員身體上的載荷，
使乘員得到更有效的保護(hù)【l“。另外為了減少碰撞中兒童的傷害，人們還開發(fā)了適
用于兒童的安全帶系統(tǒng)。
f21安全氣囊
安全氣囊的出現(xiàn)是作為輔助的乘員約束系統(tǒng)，主要用來防止乘員在前碰撞事
故中與駕駛室內(nèi)飾件的二次碰撞。它的研究起步于20世紀(jì)70年代，90年代開始
得到迅速發(fā)展。安全氣囊的使用大大降低了碰撞中乘員受傷的危險(xiǎn)。安全氣囊主
要由控制器、氣體發(fā)生器、氣囊系統(tǒng)等三部分組成。傳統(tǒng)安全氣囊的設(shè)計(jì)是在發(fā)
生『E面撞車事故時(shí)避免車內(nèi)乘員的頭部、頸部和胸部強(qiáng)烈撞擊在儀表盤、方向盤
或擋風(fēng)玻璃上。在后碰撞、翻車或大多數(shù)側(cè)面碰撞的情況下，它不會(huì)被引發(fā)。隨
著技術(shù)的發(fā)展，安全氣囊的保護(hù)范圍將進(jìn)一步擴(kuò)大，從現(xiàn)在的前排乘員前方保護(hù)
擴(kuò)展到前排乘員的側(cè)面、膝部和后排乘員的前方與側(cè)面以及車外行人保護(hù)。側(cè)面
安全氣囊、發(fā)動(dòng)機(jī)罩寬幅氣囊、車外氣囊等產(chǎn)品不斷推出。同時(shí)，安全氣囊已出
現(xiàn)智能化，能識(shí)別乘員席上有無乘員、有無逆向兒蕈座椅以及乘員身材大小、重
量，坐姿、是否佩戴安全帶等，并根據(jù)上述信息調(diào)整動(dòng)作，以求最大限度地減少
失誤和更好的保護(hù)乘員。
(3)駕駛室內(nèi)飾件的研究
為了避免前碰中由于不能正確使用安全帶和安全氣囊或由于安全帶和安全氣
囊失效而引起的二次碰撞以及側(cè)碰中二次碰撞所造成的傷害，人們開展了內(nèi)飾件
對(duì)人體傷害的研究，并設(shè)計(jì)了安全座椅、安全儀表盤、膝墊等；同時(shí)也在積極尋
求吸能式內(nèi)飾件襯墊材料。
1．2安全氣囊技術(shù)的發(fā)展
近年來，由于人們對(duì)汽車被動(dòng)安全的要求不斷增高，對(duì)安全氣囊的研究也達(dá)
到了一個(gè)新的高潮，在很多方面出現(xiàn)的新的發(fā)展，且用途多樣化。
(1)安全氣囊的新結(jié)構(gòu)
豐田汽車開發(fā)成功了采用新形狀的安全氣囊“SRS”雙腔氣囊(SRS
Twin．chamberAirbag)1171。氣囊形狀如圖1．1所示。采用傳統(tǒng)形狀的安全氣囊最終
要由頭和胸部局部來承擔(dān)沖擊力，而此次通過采用兩個(gè)袋狀氣囊在中央部位設(shè)計(jì)
了凹陷，可分散人體所承受的沖擊力。
圖1．1豐田雙腔氣囊示意圖
圖1．2復(fù)合管式氣囊示意圖
國內(nèi)鐘志華院士提出的專利‘18l，該氣囊主要由三部分組成：上層氣墊、中層
氣管和下層氣墊。展開后的氣囊別于傳統(tǒng)氣囊形狀，其包絡(luò)面為圓柱體。具有充
安全氣囊試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)友復(fù)合管式安全氣囊研究
氣用氣量少，能迅速展丌，并能減少氣囊結(jié)構(gòu)對(duì)人體尤其是對(duì)離位人體的傷害減
小的優(yōu)點(diǎn)。其結(jié)構(gòu)如圖1．2所示。
(2)安全氣囊的新理念
汽車智能安全氣囊是在普通安全氣囊的基礎(chǔ)上增設(shè)傳感器和與之相匹配的計(jì)
算機(jī)軟件而成[1?。質(zhì)量傳感器能根據(jù)質(zhì)量感知是大人還是小孩，其紅外線傳感器
能根據(jù)熱量探測(cè)座椅上是人還是物體，其超聲波傳感器能探明乘員的存在和位置
等。計(jì)算機(jī)的軟件則能根據(jù)乘客的身體狀況、所處位置、是否系安全帶以及汽車
的碰撞速度和碰撞程度，及時(shí)調(diào)整安全氣囊的膨脹時(shí)機(jī)、膨脹速度、膨脹程度，
使安全氣囊對(duì)乘客提供最理想、最有效的保護(hù)。
(3)安全氣囊的新充氣劑
俄羅斯最近研究出將硝酸銨與甲酸銨一起制成一種共結(jié)晶?。這種共結(jié)晶迅
速燃燒并充氣的屬性比硝酸銨還好，能夠在很短的時(shí)間內(nèi)燃燒并使安全氣囊迅速
充氣，其充氣速度比目前的汽車安全氣囊充氣速度高幾倍。這種共結(jié)晶燃燒不產(chǎn)
生有毒氣體，不會(huì)對(duì)人的健康造成損害，而且適用于零下50到零上80攝氏度的
溫度環(huán)境。
(4)安全氣囊的新仿真技術(shù)
目前商業(yè)軟件的安全氣囊模型大多都是熱力學(xué)模型，采用的是控制容積的方
法，在氣囊膨脹過程中，氣囊內(nèi)部壓力各處相同。而實(shí)際情況并不是這樣，氣囊
充氣展開過程。是一個(gè)高速紊流的過程，因此有必要對(duì)氣囊的仿真技術(shù)進(jìn)行更新。
PAM—SAFETM在安全氣囊方面引入了FPM(Finite Point Melhod)功能來模擬充
入氣囊的氣體，充分考慮了氣體發(fā)生器的噴射角度及空氣流動(dòng)的實(shí)際影響，可以
解決以往只能將氣囊壓力設(shè)為表面均勻所帶來的失真，使得模擬向?qū)嶋H更進(jìn)一步。
LS—DYNA顯式有限元軟件也將ALE(任意拉格朗日歐拉算法)和現(xiàn)有熱力
學(xué)氣囊模型相結(jié)合，提供了新的ALE氣囊模型。
(5)安全氣囊的新用途
除了用于乘員的正面碰撞保護(hù)安全氣囊外，近年來，在中高檔乘用車上出現(xiàn)
了用于保護(hù)側(cè)面碰撞乘員保護(hù)的氣簾、側(cè)面氣囊，保護(hù)乘員膝蓋的膝部氣囊。如
圖1．3所示，為德爾福公司的乘員氣囊系統(tǒng)【2l】。
圖1．3氣簾、側(cè)面安全氣囊和膝部安全氣囊
福特汽車公司的行人防護(hù)系統(tǒng)。這項(xiàng)設(shè)計(jì)，是在汽車前方的保險(xiǎn)桿以及前面
駕駛座擋風(fēng)玻璃前，這套加裝在汽車外面的氣囊，主要作用是防止被撞者的身體
及頸部或頭部受到重創(chuàng)，而且在氣囊前，裝有感應(yīng)器，在尚未觸及行人時(shí)，保險(xiǎn)
桿前的氣囊即會(huì)展開。當(dāng)行人被行進(jìn)中的汽車由前方即將撞到前，汽車前方保險(xiǎn)
杠的感應(yīng)器，隨即下達(dá)指令開啟防護(hù)行人用的保護(hù)氣囊。這套設(shè)備將可減輕被撞
行人的受傷程度，發(fā)生汽車與汽車對(duì)撞時(shí)，也具有緩沖的效果。
本田公司的摩托車氣囊【2“。新開發(fā)的摩托車安全氣囊由3部分構(gòu)成：用于檢
測(cè)正面沖撞的加速度傳感器、判斷沖撞的安全氣囊ECU(電子控制單元)和安全
氣囊囊體以及氣囊打開時(shí)用于供給氣體的氣體發(fā)生器等安全氣囊模塊。安全氣囊
打開時(shí)的容積大約為150L，為了能在沖撞時(shí)擋住并保護(hù)駕駛員，后部采用了V
字形狀。另外，為了防止安全氣囊隨駕駛員向前沖出，還利用固定帶將安全氣囊
與車身連在了一起。從而形成了摩托車獨(dú)有的安全氣囊形狀及構(gòu)造。如圖1．4所
示。
1．3論文主要研究?jī)?nèi)容
圖1，4本田公司的摩托車氣囊
本論文的主要研究重點(diǎn)是汽車安全氣囊靜態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和管式復(fù)合氣囊初
步試驗(yàn)及仿真研究。本文中參與了一種用于安全氣囊結(jié)構(gòu)改進(jìn)的靜態(tài)充氣試驗(yàn)系
統(tǒng)的設(shè)計(jì)和建立，此試驗(yàn)系統(tǒng)節(jié)省了安全氣囊試驗(yàn)的成本，減小了環(huán)境污染。而
復(fù)合管式安全氣囊研究主要針對(duì)鐘志華院士提出的管式復(fù)合氣囊專利在減少乘員
傷害、節(jié)省成本的優(yōu)勢(shì)，在試驗(yàn)及仿真方面做出性能驗(yàn)證和評(píng)價(jià)。
因此本文的主要內(nèi)容包括：
(1)介紹了汽車安全法規(guī)的發(fā)展及汽車被動(dòng)安全性研究?jī)?nèi)容及方法，汽車安
全氣囊的發(fā)展概況及趨勢(shì)：
(2)對(duì)安全氣囊系統(tǒng)模擬計(jì)算技術(shù)的相關(guān)理論進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹和對(duì)人體損傷
力學(xué)作了一番概述；
(3)闡述了氣囊試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要原理、工作流程、機(jī)械裝置及參數(shù)設(shè)計(jì)、
電部分設(shè)計(jì)等研究?jī)?nèi)容；并建立了氣囊展開試驗(yàn)的有限元仿真模型。
(4)介紹了新結(jié)構(gòu)安全氣囊的結(jié)構(gòu)，建立了新結(jié)構(gòu)安全氣囊的有限元模型，
安全氣囊試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及復(fù)合管式安全氣囊研究
進(jìn)行了驗(yàn)證新結(jié)構(gòu)安全氣囊性能的臺(tái)車試驗(yàn)，對(duì)復(fù)合管式安全氣囊建立了臺(tái)車試
驗(yàn)有限元模型，并對(duì)傳統(tǒng)氣囊和復(fù)合管式安全氣囊對(duì)人體傷害在仿真結(jié)果中進(jìn)行
了對(duì)比。
第2章氣囊模擬計(jì)算技術(shù)和人體損傷力學(xué)概述
2．1氣囊基本理論
安全氣囊模擬計(jì)算技術(shù)是研究氣囊和人體相互作用的有效手段，多年來已經(jīng)
得到了廣泛的應(yīng)用。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和有限元技術(shù)的發(fā)展，氣體發(fā)生器的數(shù)學(xué)模
型、氣囊織物有限單元模型、氣囊展開數(shù)學(xué)模型、沖擊效應(yīng)模型、織物的材料模
型等不斷創(chuàng)立和完善。本節(jié)主要闡述本論文中涉及到的氣囊基本理論和建模技術(shù)，
主要包括均勻壓力模型、沖擊效應(yīng)(jetting)和氣囊折疊的初始矩陣法的介紹。
2．1．1均勻壓力模型
均勻壓力模型是目前廣泛使用的氣囊展開模型，在此模型中考慮了由氣囊排
氣孔和其他因素泄漏出氣囊的氣體質(zhì)量流量‘23—1。氣囊模型如圖2．1所示，在模
型中將氣囊看成是不斷擴(kuò)大的控制容積，氣體的流入和流出以質(zhì)量流量計(jì)算，假
設(shè)控制容積內(nèi)的氣體是理想氣體且熱容量系數(shù)是常數(shù)，與外界沒有熱交換，并且
控制容積內(nèi)部壓力和溫度都是均勻的。建立以下數(shù)學(xué)模型：
P2v2=Ⅲ2R丁2
JP2=(口一1)p口
生e_(1訓(xùn)魯y．
(2．1)
式(2．1)中：最，％，m：，疋分別為氣囊的壓力、體積、氣體質(zhì)量、氣體溫度，月為
普適氣體常數(shù)，P為氣體密度，e為氣體能量，壙為氣體比熱比。
圖2．1均勻壓力氣囊展開模型
控制容積內(nèi)的氣體質(zhì)量的變化率是由f時(shí)刻流過邊界的氣體質(zhì)量決定的。
安全氣囊試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及復(fù)臺(tái)管式安全氣囊研究
式(2．2)中，各參數(shù)的含義為：m。一流入氣囊的氣體質(zhì)量流量；m。一為流出
氣囊的氣體質(zhì)量流量，即經(jīng)節(jié)流孔流出的質(zhì)量流量m2，和泄漏處的m：，質(zhì)量流量之
和。啊：一即流入氣囊的氣體質(zhì)量流量；珊：～氣囊內(nèi)部質(zhì)量變化。
在有限元的計(jì)算過程中，氣囊的控制容積可以通過下式來進(jìn)行計(jì)算： y；J』陋：叮xRdF。ΣN x-，‰4 (2．3)
對(duì)每一個(gè)單元i，X，為平均坐標(biāo)值，H。；為單元法向量和X軸夾角的余弦，4為
單元的面積。如果氣囊網(wǎng)格不是封閉的，即有氣囊進(jìn)氣口、排氣孔，則由計(jì)算軟件
自動(dòng)用無質(zhì)量的單元片來與其相鄰的單元連接，從而形成一個(gè)封閉的曲面。根據(jù)以上
(2．1)～(2．3)的公式，即可確定氣囊展開過程中每一時(shí)刻的體積和壓力。
2．1．2沖擊效應(yīng)的數(shù)學(xué)模型
大部分的安全氣囊都是通過氣體發(fā)生器內(nèi)推進(jìn)劑的燃燒產(chǎn)生的高溫氣體由氣
囊的進(jìn)氣口對(duì)氣囊進(jìn)行充氣進(jìn)而展開的。由于氣囊需要在很短的時(shí)間內(nèi)充分的展
開，其流入氣體的質(zhì)量流量速率必須達(dá)到很高的數(shù)值。一般乘員側(cè)安全氣囊氣體
發(fā)生器產(chǎn)氣的氣體質(zhì)量流量最大值達(dá)到3kg／s。氣體發(fā)生器產(chǎn)生的氣體通過許多分
布在其圓周表面上的小孔進(jìn)入氣囊的內(nèi)部。當(dāng)氣體發(fā)生器內(nèi)部氣壓達(dá)到臨界壓力
比時(shí)，氣流速度將達(dá)到音速，并且由于小孔周圍極高的溫度，氣流的速度可以達(dá)
到600m／s甚至更高。均勻壓力模型僅僅考慮到氣體發(fā)生器傳入質(zhì)量和能量給氣
囊，而并沒有考慮到高速氣體所產(chǎn)生的沖擊效應(yīng)下2000N的巨大沖擊力。氣流巨
大的沖擊力和氣囊碰撞并將其動(dòng)量轉(zhuǎn)移到氣囊織物材料上。由于與氣囊內(nèi)原有的
空氣混合而產(chǎn)生渦流，氣流的沖擊動(dòng)量被分散為一規(guī)則形狀，并且分散在較大的
范圍之內(nèi)。如果氣囊在與乘員接觸之前就已經(jīng)完全展開，那么沖擊效應(yīng)對(duì)乘員所
帶來的沖擊力已小到可以忽略的程度。然而，在離位乘員的情況下，氣囊在未完
全展開之前就與乘員進(jìn)行碰撞，沖擊效應(yīng)必將給人體帶來沖擊力125之61。
對(duì)圓形的氣囊進(jìn)氣口而言，沖擊效應(yīng)分布在一個(gè)圓錐形的區(qū)域內(nèi)，離氣體發(fā)
生器出氣口越遠(yuǎn)，沖擊效應(yīng)效果越弱，分布范圍越大(如圖2．2)。每個(gè)圓形橫截
面上的最大的氣流速度‰。是氣體發(fā)生器半徑‰和該橫截面與氣體發(fā)生器出氣
口距離Z的非線性函數(shù)，并與氣囊迸氣口處的氣流速度％相關(guān)。
導(dǎo)叫寺Ba，
vo 、R。。
、’
Q ∞
州
。卅
腳
卜
一
：。B ■毗Ⅷ
頒士學(xué)位論文
在每個(gè)圓形橫截面上速度的分布被假設(shè)為服從高斯分布(如圖2．3)。
v：vm。(z)e一‘≯ (2．5)
而對(duì)于具有矩形進(jìn)氣口的氣囊來說，沖擊效應(yīng)則分布在一個(gè)楔形區(qū)域之內(nèi)，
楔形的寬度等于矩形進(jìn)氣口的長(zhǎng)邊尺寸(如圖2,4)。在平行于進(jìn)氣口短邊的方向
上，氣流速度也被假設(shè)為服從高斯分布。
圖2．2圓形進(jìn)氣口的圓錐形沖擊效應(yīng)圖2．3沖擊效應(yīng)中氣流的速度分布
圖2．4矩形進(jìn)氣13的楔形沖擊效應(yīng)
在進(jìn)氣13處的氣流速度假定為音速。將假設(shè)與理想氣體方程和絕熱流動(dòng)的能
量方程導(dǎo)出以下方程來計(jì)算出氣口處氣體速度K和氣體密度p0：
v0=撕面丐可(2．6)
Po=m,／(4+Vo) (2．7)
公式中4是氣體發(fā)生器出氣口處面積。基于這些假設(shè)，沖擊效應(yīng)的氣體速度
就可以求出。因此除了控制容積的模型中旌加給膜單元的壓力以外，對(duì)于在沖擊
安全氣囊試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及復(fù)臺(tái)管式安全氣囊研筑
效應(yīng)范圍之內(nèi)卻沒有被其他膜單元遮擋的那些膜單元還必須施加附加的壓力。附
加壓力的計(jì)算基于膜單元中心位置的氣體速度和氣體密度，并假設(shè)沖擊效應(yīng)全部
施加于氣囊織物材料之上，不過忽略氣囊織物速度和織物多孔性對(duì)動(dòng)量傳導(dǎo)的影
響。
由于沖擊效應(yīng)帶來的巨大沖量，會(huì)對(duì)離位乘員人體頭部、胸部造成損傷。因
此，在對(duì)第四章管式復(fù)合安全氣囊的研究中，建立離位乘員的有限元模型中，其
安全氣囊模型建立必須要考慮到?jīng)_擊效應(yīng)的影響。
2．1．3初始矩陣法
為了將復(fù)雜的氣囊有限元模型進(jìn)行折疊，并且氣囊能夠精確展開成所需形狀，
通過直接建模，工作量是十分巨大的。而初始矩陣法能非常有效的解決這類問題
f271。初始矩陣法需要使用兩種網(wǎng)格模型，一種是在CAD軟件中建模后劃分網(wǎng)格
形成的參考網(wǎng)格(reference mesh)，另一種是從CAD模型中縮放(scale or
compressed)或者映射(mapped)形成的。初始矩陣法的原理就是計(jì)算參考模型和縮
放(或者映射)模型之間在幾何上的差異，并計(jì)算這種幾何尺寸上的差異造成的
內(nèi)力大小，然后將計(jì)算出來的內(nèi)力施加到縮放(或者映射)模型上，對(duì)其形狀進(jìn)
圖2．5初始矩陣法的兩種兩格
圖2，6應(yīng)用初始矩陣法建立的氣囊模型展開截圖
行修正，以達(dá)到接近參考網(wǎng)格的效果。如下圖(圖2．5)所示，圖左為參考網(wǎng)格，
參考網(wǎng)格為一橢球形狀的氣囊網(wǎng)格模型，它是在CAD軟件中建模并在HyperMesh
．12-
中劃好網(wǎng)格。圖右是縮放網(wǎng)格，是將參考網(wǎng)格直接比例縮放而形成的。
將這兩種網(wǎng)格都輸入到LS．DYNA的關(guān)鍵字文件中，就可以在LS·DYNA中
進(jìn)行計(jì)算了。通過初始矩陣法建立的氣囊模型在計(jì)算時(shí)間上往往比直接建立并折
疊得氣囊模型在計(jì)算時(shí)間要節(jié)省70％～80％之多。計(jì)算的結(jié)果如圖2．6所示。
在第四章中，對(duì)離位乘員進(jìn)行損傷評(píng)估時(shí)，建立復(fù)雜的管式復(fù)合氣囊安全折
疊模型，一般的直接建模過程十分復(fù)雜，并且會(huì)引入二次褶皺及單元網(wǎng)格的變形。
而使用初始矩陣法建模十分有效且簡(jiǎn)單。
2．2人體損傷力學(xué)概述
乘員的傷害指標(biāo)主要是根據(jù)人體生物工程研究的成果來確定的，目前主要以
美國的FMVSS208為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)FMVSS 208和ECE NO．94規(guī)定的假人傷害程
度標(biāo)準(zhǔn)限值見表2．1。
表2．1 FMVSS208和EcENO．94規(guī)定的假人傷害程度的標(biāo)準(zhǔn)限值
FMVSS208 ECE NO．94
頭部傷害值HIC <1000 <1000
胸部傷害值THPC <609(胸部加速度) 75ram(胸部位移量)
腿部傷害值FPC <10KN <10KN
由于安全氣囊有著自己的特殊性，不但要評(píng)價(jià)乘員頭部的傷害指標(biāo)HIC(Head
Injury Criteria)值、胸部加速度，腿部力，而且還要評(píng)價(jià)氣囊對(duì)乘員的面部、胸部、
頸部等傷害情況【281。指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)來自假人上的傳感器，原始數(shù)據(jù)要通過SAE
J2l 1的推薦標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行預(yù)處理。胸部加速度和腿部力是指寬度在3ms以上的峰值信
號(hào)，HIC值的定義見公式(2．8)所示：
朋叫：一t4擊f：a(t)dt jmax 億s，
式(2．8)中，口(f)一汽車碰撞試驗(yàn)時(shí)記錄的乘員頭部合成加速度，單位g；
o島一加速度信號(hào)上的兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)，在這兩點(diǎn)之間要包括加速度信號(hào)的最
大峰值，單位s；
l百蘭_J：：2Ⅱ(f)斫』。。一表示在f1’fz兩時(shí)刻內(nèi)加速度信號(hào)平均值的
2．5次平方，通過改變tl，f：兩時(shí)刻，可以得到不同的值，取其最大值代入式(2．8)
中即可。
對(duì)于胸部在前碰中的傷害忍受極限，Kroell等人在前碰撞死尸試驗(yàn)的基礎(chǔ)上
提出胸部擠壓指標(biāo)C，在此基礎(chǔ)上，Lau和Viano通過對(duì)野兔和豬的試驗(yàn)提出了
安全氣囊試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及復(fù)合管】{=安全氣囊研究
粘性指標(biāo)VC，VC值以胸腔壁的變形速率與胸腔的擠壓變形率的乘積來表示，即：
VC：垡巴叢。盟f291
dt D(O)
式(2．9)中：D(t)一為沿沖擊方向軀干的瞬時(shí)壓縮變形；D(O)一正面碰撞時(shí)為胸
部的初始厚度，側(cè)面碰撞時(shí)為胸部初始厚度的一半，對(duì)不同類型的假人其值見表
2 2。
表2．2不同假人的參數(shù)
碰撞類型假人類型D(0)，單位：mm
正面碰撞5％HYBRID Ill 187
50％HYBRID Ill 229
95％HYBRID lIl 254
側(cè)面碰撞BioSID 175
EuroSlD 140
VC指標(biāo)能夠很好的揭示胸部的傷害機(jī)理，但其精度依賴于試驗(yàn)中對(duì)胸部變
形的準(zhǔn)確測(cè)量，這往往是很困難的。因此VC指標(biāo)還停留在理論水平上。由于試
驗(yàn)中加速度值是容易得到的。因此FMVSS208建議試驗(yàn)假人的胸部加速度值在
609時(shí)，作用時(shí)間不得超過3ms。
對(duì)于人體下肢的傷害，各國法規(guī)普遍采用大腿的徑向受力F來表示。
我國在1999年制定的《關(guān)于正面碰撞乘員保護(hù)的設(shè)計(jì)規(guī)則CMvDR294》標(biāo)
準(zhǔn)中也進(jìn)行規(guī)定：
(1)假人頭部的合成加速度應(yīng)使HIC不超過1000。
(2)當(dāng)作用時(shí)間超過3ms時(shí)，假人的胸部質(zhì)心合成加速度口一應(yīng)不大于609。
(3)胸部的擠壓變形量(ThPC)應(yīng)小于或等于75mm。
(4)大腿骨軸向載荷(FPC)應(yīng)小于或等于10KN。
本文中為對(duì)管式復(fù)合結(jié)構(gòu)氣囊的乘員保護(hù)效果和對(duì)離位乘員的損傷做出定量
的評(píng)估，因此有必要引入損傷準(zhǔn)則進(jìn)行分析計(jì)算，并與其標(biāo)準(zhǔn)限值進(jìn)行比較。
第3章汽車安全氣囊結(jié)構(gòu)改進(jìn)充氣試驗(yàn)系統(tǒng)
3．1研究背景
汽車安全氣囊作為乘員輔助約束系統(tǒng)(SRS)的安全裝置之一，在車輛碰撞事故
發(fā)生時(shí)能有效的彌補(bǔ)安全帶對(duì)乘員保護(hù)的局限性，有效、自動(dòng)的起到對(duì)乘員、尤
其是乘員頭部的保護(hù)作用。因此，對(duì)它的性能要求就十分重要。到目前為』r，無
論是美國的FMVSS法規(guī)、歐洲的ECE、日本的TRIAS，還沒有關(guān)于氣囊系統(tǒng)性
能要求的正式法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)。但是早在1993年ECE就提出了氣囊系統(tǒng)性能要求和
試驗(yàn)方法的法規(guī)草案。在評(píng)價(jià)乘員約束系統(tǒng)的ECE No，94法規(guī)和FMVSS 208法
規(guī)中，都是以假人頭部傷害值、胸部加速度值和腿部載荷等多種參數(shù)米綜合評(píng)價(jià)
包括安全帶、安全氣囊系統(tǒng)等在內(nèi)的乘員約束系統(tǒng)對(duì)乘員的保護(hù)效果。從世界各
國對(duì)安全氣囊性能及試驗(yàn)方法的研究趨勢(shì)來看，對(duì)安全氣囊系統(tǒng)的性能要求主要
分為工作性能要求和抗環(huán)境干擾性能要求口?。
安全氣囊工作性能要求是指當(dāng)碰撞事故發(fā)生時(shí)，安全氣囊及時(shí)充氣工作，有
效起到對(duì)乘員的保護(hù)作用。主要有四方面要求進(jìn)行評(píng)定，④是安全氣囊系統(tǒng)完全
膨脹用時(shí)間‘，安全氣囊完全用時(shí)問‘是指從碰撞開始到氣囊完全打開所經(jīng)歷的
時(shí)間。它直接影響著氣囊系統(tǒng)是否能在最佳時(shí)間打開，最有效地保護(hù)乘員安全。
對(duì)該值的要求受很多因素的影響，其中包括所裝車輛的剛度、結(jié)構(gòu)等。該值的大
小不但取決與安全氣囊系統(tǒng)本身，也與所裝車輛的大部分性能、氣囊在車輛上的
安裝方式有關(guān)：②足安全氣囊展開用時(shí)問“，氣囊展開用時(shí)『日J(rèn) t6是指從氣囊點(diǎn)火
時(shí)刻到氣囊完全打開所經(jīng)歷的時(shí)間。該值的大小僅取決與由充氣系統(tǒng)和氣袋組成
的氣囊系統(tǒng)本身，與所裝車輛的關(guān)系不大。因此只對(duì)氣囊組件本身進(jìn)行試驗(yàn)，便
町測(cè)量時(shí)間“，同樣，對(duì)該值的要求也受所裝車輛剛度、結(jié)構(gòu)等多種因素的影響；
③是氣囊充氣壓力和時(shí)間的關(guān)系。氣囊充氣讎力和時(shí)問的關(guān)系取決與充氣系統(tǒng)結(jié)
構(gòu)、點(diǎn)火方式以及氣體發(fā)生器的類犁。試驗(yàn)方法是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)容積的鋼罐代替氣囊，
通過測(cè)量鋼罐內(nèi)的壓力與時(shí)間關(guān)系曲線來評(píng)定充氣系統(tǒng)的工作性能，對(duì)關(guān)系f}}l線
的規(guī)定隨不同允氣系統(tǒng)而不同：④是乘員的傷害程度。乘員的傷害程度是以頭部
傷害指數(shù)HIC、胸部加速度值等來衡量的。在實(shí)車碰撞中，通過對(duì)試驗(yàn)用假人的
頭部傷害值、胸部加速度值、胸部位移量、腿部載荷等參數(shù)的測(cè)量和計(jì)算來綜合
評(píng)價(jià)車輛中座椅安全帶、安全氣囊對(duì)乘員的保護(hù)效果。
安全氣囊系統(tǒng)的丁F常使用壽命一般定在15年左右，為了保證其在使用壽命期
間安全氣囊系統(tǒng)不應(yīng)受各種環(huán)境因素的干擾而非正常起爆工作、破裂或失效，對(duì)
其抗環(huán)境干擾的要求有著極其重要的意義。在ECE法規(guī)草案(TRANs／scl／wP29
其抗環(huán)境干擾的要求有著極其重要的意義。在ECE法規(guī)草案(TRANs／scl／wP29
塞全耋塞薹塞至竺堡蘭壘莖壘篁苧窒壘皇耋堡窒
／GRSP／R．99)以及在ISO／DP 12097、ISO／WD 12097標(biāo)準(zhǔn)草案中規(guī)定了安全氣囊
表3．1氣囊組件與充氣系統(tǒng)的環(huán)境模擬試驗(yàn)
試驗(yàn)項(xiàng)目試驗(yàn)對(duì)象試驗(yàn)方法試驗(yàn)要求
充氣系統(tǒng)試件不觸發(fā)，
墜落試驗(yàn)由1m高處自由落下
氣囊組件無裂紋
加速度波形為止弦波
充氣系統(tǒng)駕駛員用乘員用試件不觸發(fā)，
機(jī)械沖擊試驗(yàn)
氣囊組件峰值加速度1009 409 無裂紋
波形周期6ms 6ms
溫度范圍：10"C～85℃，振動(dòng)時(shí)間：24h振
動(dòng)載荷如下：
充氣系統(tǒng)
振動(dòng)強(qiáng)度(92／Hz) 振動(dòng)頻率(Hz)
試件不觸發(fā)，
溫度振動(dòng)試驗(yàn)O．035 8
氣囊組件無裂紋
0．035 50
0．001 80
0．0005 2000
試件不觸發(fā)，
耐粉塵試驗(yàn)氣囊組件在標(biāo)準(zhǔn)粉塵試驗(yàn)箱中試驗(yàn)5h
無裂紋
充氣系統(tǒng)溫度范圍：．35℃～85℃，濕度范圍：40％～ 試件不觸發(fā)，
熱濕循環(huán)試驗(yàn)
氣囊組件95％，循環(huán)時(shí)間：24h，共進(jìn)行30個(gè)循環(huán)。無裂紋
噴霧過程：2h噴霧后停IP，20h為一個(gè)周期， 試件不觸發(fā)，
鹽霧試驗(yàn)氣囊組件
共三個(gè)周期。無裂紋
溫度范同：10℃～85℃，循環(huán)時(shí)問：11．5h， 試件不觸發(fā)，
光照試驗(yàn)氣囊組件
共進(jìn)行15個(gè)循環(huán)。無裂紋
放靜電試驗(yàn)充氣系統(tǒng)放電電壓：8kV 試件不觸發(fā)
充氣系統(tǒng)溫度范圍：．35"C～85"C，循環(huán)時(shí)間：12h為試件不觸發(fā)，
溫度循環(huán)試驗(yàn)
氣囊組件一循環(huán)，一共進(jìn)行300個(gè)循環(huán)。無裂紋
充氣系統(tǒng)外
加熱試驗(yàn)充氣系統(tǒng)溫度上升率：80"C／min從20"C～200。C
殼不應(yīng)破裂
試驗(yàn)壓力：最大值為87．5kPa，試驗(yàn)溫度：(23 試件不觸發(fā)，
真空試驗(yàn)充氣系統(tǒng)
±5)℃，試驗(yàn)時(shí)間：1h。無裂紋
系統(tǒng)的抗干擾性能和試驗(yàn)方法。表3．1是幾種環(huán)境模擬試驗(yàn)的有關(guān)試驗(yàn)要求和試
驗(yàn)方法。此外，除了工作性能要求和抗環(huán)境干擾性能要求外，還規(guī)定了氣囊所產(chǎn)
生的氣體及殘留物對(duì)人體無毒害作用；氣囊在充氣過程中，其表面溫度不宜太高
以避免灼燒乘員，對(duì)氣囊縫線、面料強(qiáng)度、透氣性等許多其他方面也提出了相應(yīng)
碩十學(xué)位論文
的要求。
3．2前人研究
隨著人們對(duì)氣囊結(jié)構(gòu)改進(jìn)的興趣越來越大，尋找一種經(jīng)濟(jì)而又安全的試驗(yàn)方
法對(duì)不同結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和設(shè)計(jì)的安全氣囊進(jìn)行測(cè)試的需求也日漸高漲。例如：如果幾
種不同的安全氣囊設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)氣囊性能的影響要在不同的壓力下進(jìn)行檢測(cè)，那么
傳統(tǒng)的試驗(yàn)優(yōu)選方法(例如正交法)必然要求使用大數(shù)量的安全氣囊氣體發(fā)生器
對(duì)每一組參數(shù)的評(píng)估進(jìn)行充氣展開試驗(yàn)以求得該參數(shù)的影響因子。考慮到燃藥式
氣體發(fā)生器的可觀的價(jià)格因素，替代的試驗(yàn)設(shè)備必須加以考慮。
Stefan M．Duma和Rodney W'Rudd在1997年提出了一種利用壓縮空氣作為
氣源的一套對(duì)氣囊進(jìn)行充氣展開的試驗(yàn)裝置1301。這種裝置進(jìn)行試驗(yàn)的費(fèi)用非常
少，主要在初始設(shè)備的加工制造和氣囊價(jià)格本身，并且可以避免儲(chǔ)存燃藥式氣體
發(fā)生器帶來的風(fēng)險(xiǎn)以及避免對(duì)燃燒后產(chǎn)生廢氣帶來的負(fù)作用的處理。這套氣囊展
開系統(tǒng)裝置如圖3．1所示。
圖3．1 Stefan M．Duma和RodneyⅥRudd的氣囊展開系統(tǒng)裝置示意圖
在這套裝置中，空壓機(jī)作為壓縮空氣的氣源裝置向一個(gè)37 L的壓力容器(儲(chǔ)氣
罐)提供初始的壓力。氣罐上連接的水平裝置內(nèi)包含了一個(gè)大型的活塞，它起到閥門
的作用。整套裝置主要使用鋁合金制成。在使用過程中，氣囊固定在裝置的左上方的
出氣口處，在儲(chǔ)氣罐未加壓之前，活塞結(jié)構(gòu)是放置在圖示中的位置上，起到對(duì)氣囊和
儲(chǔ)氣罐之間的氣路進(jìn)行密封的作用。一旦氣囊安裝完畢并且儲(chǔ)氣罐加壓完成，觸發(fā)高
壓氣源釋放的高壓氣體進(jìn)入到活塞結(jié)構(gòu)的右腔體內(nèi)，驅(qū)動(dòng)活塞結(jié)構(gòu)向右移動(dòng)，漸漸打
開儲(chǔ)氣罐通向氣囊的氣路，氣囊在一定壓力的壓縮空氣的作用下快速展開，在整個(gè)充
氣過程中，活塞結(jié)構(gòu)始終保持在右端位置，確保氣路暢通。這套裝置可以通過調(diào)整儲(chǔ)
氣罐中的初始?jí)毫慝@得不同的氣囊初始展開速度，但是由于本身結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，儲(chǔ)氣
罐中的氣體不能直接通過出氣口進(jìn)入氣囊，而是要通過水平裝置氣流轉(zhuǎn)角90。進(jìn)入
氣囊，造成一定的壓力損失，其速度限制在1993年行業(yè)平均速度64．3m／s之內(nèi)。最
安傘氣囊試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及復(fù)合管式安全氣囊研究
大的不足之處在于活塞結(jié)構(gòu)參數(shù)較多，活塞要達(dá)到快速打開儲(chǔ)氣罐出口的目的，其行
程必定要加長(zhǎng)，活塞結(jié)構(gòu)也隨之增長(zhǎng)。觸發(fā)高壓氣源進(jìn)入活塞腔體內(nèi)部使活塞向右移
動(dòng)，由于水平裝置在徑向的尺寸限制，高壓氣源的進(jìn)氣通徑受到限制，其流量也會(huì)較
小，不能快速啟動(dòng)活塞，造成延遲。這都給氣囊的展開造成不利的影響。但是低成本
和相對(duì)燃藥式氣體發(fā)生器的安全性是其不可抹殺的突出優(yōu)點(diǎn)。
國內(nèi)對(duì)安全氣囊測(cè)試裝置的研究相對(duì)較少，華南理工大學(xué)的黎啟柏和劉志硯等在
1999年提出一種用液態(tài)二氧化碳為氣源的氣囊充氣試驗(yàn)裝置【3lj(如圖3．2)。當(dāng)這套
裝置中的撞針爆炸式觸發(fā)或機(jī)械式觸發(fā)向下運(yùn)動(dòng)后，高速撞擊儲(chǔ)氣瓶，并擊穿儲(chǔ)
氣瓶，儲(chǔ)氣瓶中的液態(tài)C02迅速汽化，并通過接頭和軟管向氣囊充氣。由于噴嘴
的絕對(duì)面積過小，為了達(dá)到在30ms內(nèi)完成充氣展開的結(jié)果，瓶中C02的壓力達(dá)
到3．15MPa之高，而軟管的截面積與一般安全氣囊進(jìn)氣口尺寸完全不匹配，加上
觸發(fā)時(shí)間延遲較長(zhǎng)，這套裝置的缺點(diǎn)很難應(yīng)用于實(shí)際的氣囊試驗(yàn)中，但是論文中
對(duì)氣囊試驗(yàn)設(shè)備參數(shù)的計(jì)算具有非常重要的參考價(jià)值。
}
圖3．2黎啟柏、劉志硯的氣囊充氣試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖
l～撞針；2—接頭；3—液態(tài)C02儲(chǔ)氣瓶；4～氣態(tài)c02；5一液態(tài)C02；6—?dú)饽遥?—軟管；8一密
封圈
3．3試驗(yàn)技術(shù)和裝置
3'3．1氣囊充氣展開過程分析
為了彌補(bǔ)前兩種裝置中出現(xiàn)的不足，達(dá)到快速對(duì)氣囊充氣展開并且操作簡(jiǎn)單，
安全有效的目的，來研究氣囊展開過程以及其高速的展開速度對(duì)乘員的傷害。必
須對(duì)前人的裝置做出改進(jìn)。
本文提出了一種新的試驗(yàn)裝置，同樣利用空壓機(jī)提供壓縮空氣對(duì)一個(gè)儲(chǔ)氣罐
提供初始的壓力，但在儲(chǔ)氣罐的出氣口安裝大通徑的快速反應(yīng)電磁閥來控制進(jìn)氣
口的開和閉。安全氣囊通過法蘭安裝在電磁閥的出氣口，這樣就克服了第?種裝
置中，氣流要拐過90。角度才能進(jìn)入氣囊的缺陷，減低了氣流動(dòng)量的損失。
對(duì)本次試驗(yàn)中氣囊展開過程來說，其實(shí)也就是儲(chǔ)氣罐的放氣過程。由于充氣
過程極其短暫，從儲(chǔ)氣罐出氣口流出的空氣來不及與外界進(jìn)行熱交換。并且如果
忽略氣體與管壁及氣體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)間的摩擦，因此可以將儲(chǔ)氣罐的放氣過程看作是
絕熱流動(dòng)，既無外部熱交換，又無內(nèi)部熱源，在這種情況下，氣體的熵不變。稱
為等熵流動(dòng)。氣囊在充氣展開的過程中，從出氣口打開那一刻開始，直到假定氣
囊形狀恰好完全展開的那個(gè)時(shí)刻，即表面沒有任何褶皺，并且氣囊織物材料的纖
維處于松弛階段，并未受到應(yīng)力和產(chǎn)生應(yīng)變，此段時(shí)間內(nèi)氣囊內(nèi)部的壓力經(jīng)過試
驗(yàn)驗(yàn)證，始終為0(相對(duì)大氣壓力)。
根據(jù)等熵流動(dòng)的質(zhì)量流量公式，計(jì)算儲(chǔ)氣罐出口處的氣體質(zhì)量流量：
f廠—瓦_(dá) ”P癬翟咿仃@。，
∽J志(壽)2“?！?，O"e卯
式(3，1)申各參數(shù)含義如下：
A。=yA一出氣口有效截面積；
kt一流量系數(shù)，取u=0．6；
A一出氣口截面流通面積(m2)；
R一普式氣體常數(shù)(8．31 J／m01．k)；
E一出氣口上游絕對(duì)壓力(的)，假定出氣口上游即罐內(nèi)儲(chǔ)存壓縮空氣壓力為
240000Pa；
最一出氣口下游絕對(duì)壓力為101325Pa；T一絕對(duì)溫度(設(shè)為293K)；
盯一出氣121上下游絕對(duì)壓力之比，仃=最／只；
妒(盯)一嶄【函數(shù)，≯(盯)=√。；一，孚；
盯。=【2／(，+1)r“74’一臨界壓力比。
當(dāng)出氣口上下游壓力比仃達(dá)到o。時(shí)，此時(shí)出氣口的流量將達(dá)到最大值，這時(shí)
的壓力比被稱為臨界壓力比。當(dāng)盯>吒，出氣口處的氣流為亞聲速流動(dòng)，流動(dòng)狀
態(tài)為亞臨界狀態(tài)；當(dāng)仃s盯。時(shí)，出氣口處的氣體流動(dòng)狀態(tài)為超臨界狀態(tài)。
3．3．2氣囊充氣展開試驗(yàn)裝置基本組成
整套充氣試驗(yàn)裝置如圖3．3所示，空氣壓縮機(jī)】用來給儲(chǔ)氣罐4提供初始?jí)?
力。大通徑電磁閥5的出口與安全氣囊的進(jìn)氣口相連接。壓力傳感器9用來測(cè)量
罐內(nèi)壓力，壓力傳感器6用于測(cè)量氣囊的內(nèi)部壓力。安全閥3用于防止系統(tǒng)過載。
電磁閥2連接在空氣壓縮機(jī)和儲(chǔ)氣罐之間的氣路。數(shù)據(jù)采集卡8采集兩路壓力信
號(hào)儲(chǔ)存至計(jì)算機(jī)。
安全氣囊試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及復(fù)合管武安夸氣囊研究
圖3．3充氣試驗(yàn)系統(tǒng)組成簡(jiǎn)圖
l一空氣壓縮機(jī)；2一電閉式常開型電磁閥；3一安全閥；4一儲(chǔ)氣罐；5一電開式常閉型電磁
閥；6，9一壓力傳感器；7一安全氣囊；8一A，D板
3．3．3氣囊充氣展開試驗(yàn)工作流程
充氣試驗(yàn)系統(tǒng)的工作流程大致分四步：準(zhǔn)備過程，充氣過程，放氣過程，結(jié)
束過程。
f1)準(zhǔn)備過程
安全閥3閥值調(diào)至0．1 MPa，電磁閥2和5均斷電關(guān)閉。檢查氣囊7安裝是否
安裝正確，檢查傳感器6和9信號(hào)是否正常。
(2)充氣過程
調(diào)節(jié)安全閥3閥值至系統(tǒng)限載壓力最大值，電磁閥2通電打開，使空氣壓縮
機(jī)的氣路與儲(chǔ)氣罐4連通。接通空氣壓縮機(jī)1電源，向儲(chǔ)氣罐4充氣。在充氣過
程中，電磁閥5始終關(guān)閉，儲(chǔ)氣罐和安全氣囊之間的氣路封閉。當(dāng)壓力傳感器9
的信號(hào)指示儲(chǔ)氣罐內(nèi)壓力達(dá)到預(yù)定值時(shí)，終止電磁閥2的控制信號(hào)?？諝鈮嚎s機(jī)
和儲(chǔ)氣罐之間氣路關(guān)閉。儲(chǔ)氣罐停止充氣。關(guān)閉空氣壓縮機(jī)電源。
(3)放氣過程
充氣過程結(jié)束后，對(duì)電磁閥5發(fā)出控制信號(hào)。將氣囊與儲(chǔ)氣罐之間氣路連通。
氣囊充氣打開。記錄傳感器6,9傳回的壓力信號(hào)，經(jīng)A／D板轉(zhuǎn)換儲(chǔ)存。
(4)結(jié)束過程
放氣過程結(jié)束后，關(guān)閉電磁閥5，通過儲(chǔ)氣罐上的安全閥放出罐內(nèi)殘余空氣。
3．3．4試驗(yàn)系統(tǒng)機(jī)械裝置設(shè)計(jì)
本次試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)主要是用于對(duì)氣囊的充氣展開過程的研究，分析氣囊內(nèi)
部壓力變化隨時(shí)間的關(guān)系，為以后對(duì)復(fù)合管式安全氣囊的結(jié)構(gòu)改進(jìn)作試驗(yàn)準(zhǔn)備。
試驗(yàn)系統(tǒng)機(jī)械裝置主要包括空壓機(jī)、儲(chǔ)氣罐(壓力容器)及其附件、大通徑電磁
閥、氣囊安裝板等。
碩士學(xué)位論文
3．3．4．1壓力容器
壓力容器是典型的由板、殼組合而成的焊接結(jié)構(gòu)。受壓元件中，圓柱形簡(jiǎn)體、
球罐(或球形封頭)、橢圓形封頭、碟形封頭、球冠形封頭、錐形封頭和膨脹節(jié)所
對(duì)應(yīng)的殼分別是圓柱殼、球殼、橢球殼、球冠+環(huán)殼、球冠、錐殼和環(huán)形板+環(huán)殼，
而平蓋(或平封頭)、環(huán)形板、法蘭、管板等受壓元件分別對(duì)應(yīng)于圓平板、環(huán)形板(外
半徑與內(nèi)半徑之差大于10倍的板厚)、環(huán)(外半徑與內(nèi)半徑之差小于10倍的板厚)
以及彈性基礎(chǔ)圓平板。上述7種殼和4種板可以組合成各種壓力容器結(jié)構(gòu)形式，
再加上密封元件、支座、安全附件等就構(gòu)成了一臺(tái)完整的壓力容器【321。下面分別
簡(jiǎn)要介紹壓力容器的各個(gè)組成部分。
(1)簡(jiǎn)體
筒體是壓力容器用以儲(chǔ)存物料或完成化學(xué)反應(yīng)所需要的主要壓力空間，是壓
力容器最主要的受壓元件之一，其內(nèi)直徑和容積往往需由工藝計(jì)算確定。圓柱形
簡(jiǎn)體(即圓筒)和球形筒體是工程中最常用的筒體結(jié)構(gòu)。
筒體直徑較小(一般小于500ram)時(shí)，圓筒可用無縫鋼管制作，此時(shí)筒體上沒
有縱焊縫；直徑較大時(shí)，可用鋼板在卷板機(jī)上卷成圓筒或用鋼板在水壓機(jī)上壓制
成兩個(gè)半圓筒，再用焊縫將兩者焊接在一起，形成整圓筒。由于該焊縫的方向和
圓筒的縱向(即軸向)平行，因此稱為縱向焊縫，簡(jiǎn)稱縱焊縫。若容器的直徑不是
很大，一般只有一條縱焊縫；隨著容器直徑的增大，由于鋼板幅面尺寸的限制，
可能有兩條或兩條以上的縱焊縫。另外，長(zhǎng)度較短的容器可直接在一個(gè)圓筒的兩
端連接封頭，構(gòu)成一個(gè)封閉的壓力空間，也就制成了一臺(tái)壓力容器外殼。但當(dāng)容
器較長(zhǎng)時(shí)，由于鋼板幅面尺寸的限制，就需要先用鋼板卷焊成若干段筒體f某一段
簡(jiǎn)體稱為一個(gè)筒節(jié))，再由兩個(gè)或兩個(gè)以上筒節(jié)組焊成所需長(zhǎng)度的筒體。筒節(jié)與筒
節(jié)之間、簡(jiǎn)體與端部封頭之間的連接焊縫，由于其方向與簡(jiǎn)體軸向垂直，因此稱
為環(huán)向焊縫，簡(jiǎn)稱環(huán)焊縫。
(2)封頭
根據(jù)幾何形狀的不同，封頭可以分為球形、橢圓形、碟形、球冠形、錐殼和
平蓋等幾種，其中球形、橢圓形、碟形和球冠形封頭又統(tǒng)稱為凸形封頭。
當(dāng)容器組裝后不需要開啟時(shí)(一般是容器中無內(nèi)件或雖有內(nèi)件但無需更換、檢
修的情況)，封頭可直接與簡(jiǎn)體焊在一起，從而有效地保證密封，節(jié)省材料和減少
加工制造的工作量。對(duì)于因檢修或更換內(nèi)件的原因而需要多次開啟的容器，封頭
和筒體的連接應(yīng)采用可拆式的，此時(shí)在封頭和簡(jiǎn)體之間就必須要有一個(gè)密封裝置。
(3)密封裝置
壓力容器上需要有許多密封裝置，如封頭和簡(jiǎn)體問的可拆式連接、容器接管
與外管道間的可拆連接以及人孔、手孔蓋的連接等，可以說壓力容器能否正常、
安全地運(yùn)行在很大程度上取決于密封裝置的可靠性。
安全氣囊試驗(yàn)系統(tǒng)堤計(jì)及復(fù)合管式安全氣囊研究
螺栓法蘭連接(簡(jiǎn)稱法蘭連接)是一種應(yīng)用最廣的密封裝置，它的作用是通過
螺栓連接，并通過擰緊螺栓使密封元件壓緊而保證密封。法蘭按其所連接的部件
分為容器法蘭和管道法蘭。
用于容器封頭(或頂蓋)與筒體間，以及兩簡(jiǎn)體問連接的法蘭叫容器法蘭；用
于管道連接的法蘭叫管道法蘭。在高壓容器中，用于頂蓋和筒體連接并與筒體焊
在一起的容器法蘭，又稱為簡(jiǎn)體端部。
(4)開孑L與接管
由于工藝要求和檢修的需要，常在壓力容器的簡(jiǎn)體或封頭上開設(shè)各種大小的
孔或安裝接管，如人孔、手孔、視鏡孔、物料進(jìn)出口接管，以及安裝壓力表、液
面計(jì)、安全閻、測(cè)溫儀表等接管開孔。
手孔和人孔是用來檢查、裝拆和洗滌容器內(nèi)部的裝置。手孔內(nèi)徑要使操作人
員的手能自由地通過，因此，手孔的直徑一般不應(yīng)小于150mm?？紤]到人的手臂
長(zhǎng)約650～700mm，所以直徑大于1000ram的容器就不宜再設(shè)手孔，而應(yīng)改設(shè)人
孔。常見的人孑L形狀有圓形和橢圓形兩種，為使操作人員能夠自由出入，圓形人
孔的直徑至少應(yīng)為400mm，橢圓形人孔的尺寸一般為350ram×450mm。
筒體或封頭上開孔后，開孔部位的強(qiáng)度被削弱，并使該處的應(yīng)力增大。這種
削弱程度隨開孔直徑的增大而加大，因而容器上應(yīng)盡量減少開孔的數(shù)量，尤其要
避免開大孔。對(duì)容器上已開設(shè)的孔，還應(yīng)進(jìn)行開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)，以確保所需的強(qiáng)度。
(5)支座
壓力容器靠支座支承并固定在基礎(chǔ)上。圓筒形容器和球形容器的支座各不相
同。隨安裝位置不同，圓筒形容器支座分立式容器支座和臥式容器支座兩類，其
中立式容器支座又有腿式支座、支承式支座、耳式支座和裙式支座四種；而球形
容器多采用柱式或裙式支座。
(61安全附件
由于壓力容器的使用特點(diǎn)及其內(nèi)部介質(zhì)的化學(xué)工藝特性，往往需要在容器上
設(shè)置一些安全裝置和測(cè)量、控制儀表來監(jiān)控工作介質(zhì)的參數(shù)，以保證壓力容器的
使用安全和工藝過程的正常進(jìn)行。
壓力容器的安全附件主要有安全閥、爆破片裝置、緊急切斷閥、安全聯(lián)鎖裝
置、壓力表、液面計(jì)、測(cè)溫儀表等。
上述六大部件(簡(jiǎn)體、封頭、密封裝置、開孔接管、支座及安全附件)即構(gòu)
成了一臺(tái)壓力容器的外殼。對(duì)于儲(chǔ)存用的容器，這一外殼即為容器本身。對(duì)于用
于化學(xué)反應(yīng)、傳熱、分離等工藝過程的容器，則須在外殼內(nèi)裝人工藝所要求的內(nèi)
件，才能構(gòu)成一個(gè)完整的產(chǎn)品。
國內(nèi)壓力容器的設(shè)計(jì)、制造、安裝、使用必須嚴(yán)格按照GB．15098《鋼質(zhì)壓力
容器》標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，使用前還必須到當(dāng)?shù)貏趧?dòng)部門領(lǐng)取使用許可證書，并在使用過
碩十學(xué)位論文
程中遵守《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》。本次試驗(yàn)中的壓力容器結(jié)構(gòu)如簡(jiǎn)圖3．4
所示。
法蘭爰接管
圖3．4儲(chǔ)氣罐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
考慮試驗(yàn)壓力和試驗(yàn)環(huán)境溫度兩個(gè)因素，充氣試驗(yàn)系統(tǒng)中儲(chǔ)氣罐的設(shè)計(jì)壓力
設(shè)定為3MPa，工作溫度為<150。C，儲(chǔ)氣罐容積為2m3，屬于二類壓力容器。由
于儲(chǔ)氣罐容積巨大，做完一組實(shí)驗(yàn)后壓降較小，可以繼續(xù)進(jìn)行下一組初始?jí)毫β?
低的充氣試驗(yàn)，不需要重新對(duì)儲(chǔ)氣罐補(bǔ)壓，節(jié)省了試驗(yàn)時(shí)間。
壓力容器材質(zhì)為16MnR，法蘭及接管結(jié)構(gòu)接通安全閥，安全閥型號(hào)為
A41H．4．0MPa，通徑為25mm，安全閥開啟壓力為3．15MPa。接頭結(jié)構(gòu)用于安裝
壓力表，壓力表最大量程為O．7MPa，最小刻度為O．02MPa，用于顯示氣罐內(nèi)部初
始?jí)毫?。進(jìn)或充氣口1、2被用來作為與空壓機(jī)和電磁閥連接的氣路的組成部分，
本次試驗(yàn)中選擇進(jìn)或出氣口1為進(jìn)氣口，與空壓機(jī)連接，而進(jìn)或出氣口2用為出
氣口，與大通徑電磁閥連接。支座為腿式支座，支座上有3×m24的地腳螺栓通
孔。壓力容器總質(zhì)量為1410Kg。
為了保證儲(chǔ)氣罐出口處的質(zhì)量流量滿足試驗(yàn)需要，必須計(jì)算其通徑大小，以
下是分析和計(jì)算。以標(biāo)準(zhǔn)的60L駕駛員側(cè)安全氣囊，先計(jì)算氣囊完全張開時(shí)內(nèi)部
的空氣質(zhì)量，一定容積內(nèi)氣體質(zhì)量可由下式算出：
小=警1 (32)
_f(
窒塞篁耋蘭塞重塹塞蘭壘莖壘篁童童塞皇塞絲塞
式(3．2)中：
v一氣囊容積(O．06 m3)；
M一氣體的摩爾質(zhì)量(299／m01)；
R一普適氣體常數(shù)(8．31J／m01．k)；
P一氣囊內(nèi)氣體的絕對(duì)壓力(Pal。根據(jù)式(3_2)計(jì)算出完全張開時(shí)氣囊內(nèi)壓縮空氣質(zhì)量為：m=旦些麥籌
=729，取氣囊完全張開時(shí)所需時(shí)間為40ms，則進(jìn)入氣囊的空氣平均質(zhì)量流量為：
甌=m／f (3．3)
計(jì)算得出：絨=1．8Kg／s。
根據(jù)等熵流動(dòng)質(zhì)量流量公式(3．1)，計(jì)算儲(chǔ)壓力容器的通徑大?。阂蚩諝獾谋?
熱比為，，=1．4， 其臨界壓力比為吒=[2／(1．4+1)r圳“”=0．528，
盯=101325／240000=O．422≤O．528，將Q。=1．8Kg／s作為質(zhì)量流量代入公式(3．1)
中，算得管口半徑為r=0．017m，考慮到統(tǒng)是平均流量，且未考慮充氣過程中的節(jié)
流和泄漏因素，所以加大圓整為0．04m，即管口直徑設(shè)定為80mm。
3．3．4．2電磁閥
電磁閥是工業(yè)過程控制系統(tǒng)常用的開關(guān)或遣動(dòng)調(diào)節(jié)的元件，以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)介
質(zhì)的遙控或程控，是以電磁力轉(zhuǎn)換為機(jī)械力來實(shí)現(xiàn)開關(guān)目的的，由于電磁閥具有體
積小，重量輕、操作客易、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用已日趨廣泛。
電磁閥選型首先應(yīng)該依次遵循安全性，可靠性，適用性，經(jīng)濟(jì)性四大原則，
其次是根據(jù)六個(gè)方面的現(xiàn)場(chǎng)工況(即管道參數(shù)、流體參數(shù)、壓力參數(shù)、電氣參數(shù)、
動(dòng)作方式、特殊要求)進(jìn)行選擇：
(1)管道參數(shù)：通徑規(guī)格(即DN)、接口方式。
①按照現(xiàn)場(chǎng)管道內(nèi)徑尺寸或流量要求來確定通徑(DN)尺寸；
②接口方式，一般通徑>DN50要選擇法蘭接口，通徑_

網(wǎng)友評(píng)論 more

交通安全論文最新內(nèi)容

02-21