英语原文共 12 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

车辆碰撞中为了提高乘员安全的硬内饰件的坚固设计

Bharatendra Rai^a, Nanua Singh^a,*, Mustafa Ahmed^b

美国，MI48202，底特律，韦恩州立大学，工业与制造工程

美国，MI48375，诺维，belcan公司

收稿日期2003年7月12号，发表日期2004年9月1号，2004年11月11日可在线

摘要：头部伤害排在汽车事故前列。因此，虽然汽车造型被视为重要，但是乘员安全在碰撞时汽车内饰部件的设计过程中受到先发制人的优先级。此外，联邦机动车辆安全标准（FMVSS）201制定了确定的由汽车制造商履行的生产一辆安全车的要求。其中一项要求规定了头部损伤指标的虚拟等价值，即头部损伤指标就汽车内饰部件方面在一定规定的条件低于1000。在本文中，我们提供了一个强大的设计方法来实现内饰部件的要求，即内饰部件覆盖最靠近驾驶员头部在车辆左手侧的支柱。

爱思唯尔有限公司保留所有权利2004年。

关键词：头部伤害指标；加速曲线；坚固设计；正交矩阵；复合噪声系数

1、介绍

就车辆内饰部件的设计过程中的重要性成员的安全占主导地位。任何能够给乘员带来危险的失败的模型在设计阶段被主动地识别和极其小心地处理。可乘员提供风险任何故障模式，主动识别在设计的早期阶段，极其小心处理。然而，已经观察到心脏疾病，癌症和中风后，事故是第四大死亡原因在所有年龄组和汽车事故，汽车事故贡献了约的全部事故，头部损伤约占汽车事故的^[1]。一个重要的的头部损伤耐受机械冲击的措施，用于汽车和其他行业，是头部损伤指标（HIC）。HIC的值可以使用以下所给的公式获得^[2]： （1）

在受到冲击时头的中心观察到的线性加速度的大小是由表示。和表示在合成加速度的持续时间内的两个时间点，例如。和的值得到后，可以得出最大化方程（1）。因此，HIC是基于加速度值，并且可以从时间对加速度脉冲的积分获得。根据由普拉萨德和默茨开发头部损伤风险曲线（HIRC）^[3]，对于1400 HIC值脑损伤有生命危险的概率为，而对于1000 HIC值的风险为约。

HIC值得虚拟等同用表示，公式为： （2）

联邦机动车安全标准（FMVSS）201测试要求在车辆的上内部的指定位置被一个10磅的自由运动头模（FMH）以15英里每小时的速度冲击在室温条件下。FMVSS 201还规定从FMH模型的合成加速度得到的低于1000^[4,5]。

FMVSS 201包括从内饰部件例如标题、车顶、车顶行李架和支柱的头部冲击保护。车辆内饰件是一个用注射模塑工艺制造的内部塑料部件。它提供了许多重要功能如以下所描述：

• 保护乘员避免锋利的边缘和金属板、潜在部件的硬点的伤害。
• 覆盖金属板、硬件、线路和电器部件，因此提供了一个美学上令人愉快的完整的外表。
• 提供声音、温度和振动隔音材料。

因此设计车辆硬内饰不仅仅为了提供美学上好看更重要的是使碰撞对乘员的危险降到最小。它使用多根肋来提高零件的弯曲刚度进而使用避免厚截面的使用。这导致节省了零件重量、材料成本和时间周期在没有向乘员安全妥协的情况下。一个有标签的展示硬内饰肋结构的图表如图1所示。

图1. 硬内饰的肋结构

研究表明就硬内饰的基线设计有一个大于1000的值。能量吸收基线设计表现可以从时间对合成加速度曲线看出，如图2。

图2. 时间对于加速度曲线对于基线设计

车辆事故期间合成加速度采集头部中心的减速度。这种减速度有可能非常突兀。更大的减速度对乘员头部伤害更高。能量吸收目标的角色例如安全气囊、内饰件基础等使得减速度逐渐变化。设计更低值的时间对加速度曲线比如图2所示的基线设计有更平坦的曲线和对乘员提供更少的头部伤害风险。

对于发展为乘员提供最小风险的内部件，有限元分析工具在设计阶段被广泛使用。举个列子，Halldin等^[6]使用LS-DYNA3D作为数字程序减少安全带的头部伤害指标值。例如有效花费驾驶仿真工具提供了巨大的机会来处理不仅仅设计变量而且主动捕捉与制造、装配和用户预付的使用条件有关的噪声因数在设计阶段。用这种方式开发设计工具能够帮助建立有一致的表现甚至存在噪声因数的坚固设计。根据定义，坚固设计被期待对乘员提供更少风险和有一个更低的值比没有坚固的设计。

在本文中，我们使用了坚固设计通过减少硬内饰的值达到头部伤害减少的目的在车辆碰撞期间。余下全文组织如下。第二节讨论硬内饰期待对值有影响的有关因素。第三节我们得出实验设计通过实施实验并且从实验中能够得出有效结论。第四节给了一个简短的被用来得到值的方式的描述。在第五节，我们给了一个详细的实验数据分析和解释。第六节给了证实的运行结果和硬内饰对基线设计的对比。第七节用一些关键观察总结了论文。

2、影响硬内饰值的因素

期待的对值有影响的的因素可以被分类为三个主要类别，即控制、噪音、和信号因素如图3所示。

控制因素

肋高^*

肋厚度^*

壁厚^*

半径倒角

拔模角度

材料的年轻模量^*

材料的失效应力

部件之间间隙

反应

理想状态

HIC(d)lt;lt;1000

没有伤害

信号因素

车速

硬内饰

噪声因素

N1－片到片的制造偏差

N2－磨损零件腐蚀

N3－客户使用的可变性

N4－环境条件：温度，湿度，尘土

N5－子系统之间的作用

偏差状态

次要的严重伤害对乘员

图3.硬内饰的P图表

控制因素是设计者有一些如果不是全部的控制和能选择任何值在可行的范围内。这些因素有直接的影响对理想性能或者反应状态。对于硬内饰，一个理想的反应可以达到当值远低于1000并且对乘员没有风险。然而，从等式（2）我们注意到当时可以达到最小的理论值166.4。期待控制因素的影响越大，反应和理想状态越接近。然而，噪声因素不能被控制在设计阶段或者太贵而不能控制，导致反应错误的状态。因为噪声因素不能被完全地消除，所以制造一个坚固的产品对噪声因素很重要。这将导致内饰件的设计对乘员很少或者没有伤害甚至有实际使用条件不可避免的噪声因素存在。

对于给定的控制和噪声因素，信号因素是有很大的影响对反应。对于给定的硬内饰设计，车辆速度有一个大影响对值并且被划分为信号因素。在本文中，车辆速度将以FMVSS 201规定的不变的15英里每小时。

注模设计指导建议统一的壁厚对硬内饰以便使制造关注点减少到最小比如凹陷、弯曲等。较低的壁厚有助于快速冷却、短周期时间、更低的注塑量、因此减少制造成本。额外的壁厚可能会导致缩水和避免凹陷。这同样适用于更高的肋厚度，这导致在结合处熔体冷却更多质量从而增加肋的冷却时间和凹陷的可能性。当两根肋之间的距离或者部分肋倾斜太小，这增加需要填满模具的载重量因此导致制造问题。同时，一部分有高的斜度要求牺牲刚度，这再一次不是更可取的。相似地，肋高度扮演重要角色在减少乘员伤害车辆碰撞期间通过吸收碰撞能量。设计指南推荐肋高度是壁厚的5倍到6倍。

一个实验计划找出最佳硬内饰因素值，这导致一致地低值甚至当可变性由于制造或使用条件存在。这篇研究的视野被限制仅仅在塑料部分。下面的方法被用来计划和实施这篇研究。

1. 控制因素的识别和硬内饰的水平。
2. 噪声因素的识别和他们的水平。
3. 选择一个合适的实验设计。
4. 实施实验运行按照设计来得到值
5. 实验数据的统计分析和结果解释。
6. 达到控制因素的最佳结合点为了使值可变性减少到最小由于噪声因素和绝对的值。
7. 证实的运行在控制因素的最佳结合点验证结果。

以上提到的步骤被更大的细节所覆盖在下面的章节。

3、实验布局对硬内饰的控制和噪声因素

3.1、控制因素和水平

根据有关工程师在一个集体研讨会议选择的控制因素为实验能够被识别用一个lsquo;*rsquo;标记在被给的图3的p图表中。对于每一个为实验选择的控制因素，两个水平需要被考虑可行性方面或者可获得的设计指南为了预防制造和装配中的问题。控制因素和它的水平总结在表1.

表1. 因素和控制因素的水平

每个控制因素的第一水平代表基线设计。总共，这里有七种控制因素在两种水平为了实施这个实验。如果所有可能的控制因素组合都尝试，将有种独一无二的实验要做。当实验也包括噪声因素，总共试验次数会变得过分地大当每个试验使用LSDyna软件需要3小时。Taguchi已经研究出大量的方法，这种方法帮助设计实验使用标准的正交矩阵和线性图表，有非常少的试验方法被原本地需要。

在本文中，仅仅控制因素的主要影响被重点考虑。使用可获得信息，需要的实验最小值（MNE）是：MNE = (Degrees of freedom for each control factor) 1= 8