论文题目：基于形状记忆合金的安全带预紧与吸能特性研究
摘要：主动式安全带可以通过接受预碰撞信号、在碰撞发生之前消除乘员与安全带间隙,提升乘员保护效果。而现有主动式安全带多为气体爆炸驱动或是直流电机驱动,存在体积较大、结构复杂的问题。利用形状记忆合金（shape memory alloy SMA）作为安全带预紧的驱动元件,不但可以发挥其体积小、结构简单的优点,同时SMA的吸能特性可以吸收碰撞中乘员传递给安全带的一部分能量,减少乘员的损伤。针对现有的气体爆炸驱动或电机驱动式安全带预紧机构存在的结构复杂,无法重复利用等缺点,提出了将形状记忆合金材料应用于安全带的预紧与吸能,对影响SMA回复力与驱动行程的关键参数进行了实验研究;同时对于SMA在安全带冲击过程中的能量吸收特性进行了实验研究,主要内容如下:对SMA的基本参数进行实验测量,获取其相变温度、弹性模量、相变应力与最大可回复应变等特性参数,为后续实验与仿真提供参数依据。通过将SMA丝加热到不同温度后进行准静态拉伸,获得马氏体SMA与奥氏体SMA吸能效果的差异,结果表明准静态拉伸条件下奥氏体SMA的吸能密度约为马氏体SMA的两倍。并分别对马氏体SMA与奥氏体SMA进行准静态拉伸仿真,将获得的仿真结果与实验结果相对比,两者吸能密度数据的误差小于10%。通过实验对偏置弹簧的刚度与预紧力对SMA回复过程中产生的驱动力与驱动位移的影响进行了分析,结果表明SMA能达到的最大驱动力的差值与偏置弹簧刚度呈正相关;初始预紧力的大小对差值无影响。并且提高偏置弹簧刚度对SMA末端位移与速度的影响不大,驱动行程能回复预拉伸长度的80%。设计了基于SMA的安全带预紧机构,对预紧机构的驱动力与驱动行程进行实验研究,结果表明预紧机构在大幅度节省空间占用的同时,内部结构造成的驱动力损耗在15%以内,末端驱动行程的损耗相比SMA直线排布时不超过10%。设计并搭建安全带冲击实验台,分别在安全带是否与SMA串联时进行冲击测试,结果表明在SMA对冲击力与冲击加速度都有明显的减缓效果,实验中使用的SMA丝能将冲击力峰值减少到未安装时的70%-80%,能将安全带加速度峰值减少到60-70%。对不同温度下的SMA分别进行冲击测试,以研究马氏体与奥氏体的冲击吸能效果,结果表明在高速冲击条件下,奥氏体SMA的吸能效果要好于马氏体SMA,但是马氏体SMA对冲击力的缓冲效果更好。最后对SMA的冲击吸能极限进行了测试,结果表明当形状记忆合金丝在冲击中断裂,其吸能量会大幅度减少。
关键词：形状记忆合金;主动式安全带;冲击吸能;冲击实验
学科专业：工业设计工程（专业学位）
摘要
abstract
第一章 绪论
1.1 引言
1.2 国内外研究现状与分析
1.2.1 主动安全带研究现状
1.2.2 形状记忆合金研究现状分析
1.3 安全带预紧机构的分类与工作原理
1.4 基于SMA的安全带预紧机构工作原理
1.5 课题主要研究内容
第二章 SMA力学性能及准静态耗能特性
2.1 引言
2.2 SMA的基本特性
2.2.1 形状记忆特性
2.2.2 超弹性
2.2.3 高阻尼特性
2.2.4 SMA准静态拉伸的应力-应变曲线
2.3 SMA的力学参数测量
2.3.1 SMA相变温度测量
2.3.2 SMA的最大可回复应变值测量
2.4 SMA的准静态耗能分析
2.4.1 SMA准静态耗能原理
2.4.2 SMA准静态耗能分析与方程
2.4.3 SMA在断裂失效情况下的耗能方程
2.5 SMA准静态拉伸耗能测试
2.6 SMA的准静态拉伸仿真分析
2.7 本章小结
第三章 SMA丝回复过程驱动力实验研究
3.1 引言
3.2 安全带预紧机构设计与数值分析
3.2.1 SMA空间节约机构的分类与优劣
3.2.2 SMA空间节约机构的设计
3.3 SMA回复力模型
3.4 SMA回复力实验研究
3.4.1 实验原理
3.4.2 偏置弹簧刚度对SMA回复力的影响
3.4.3 预紧力对SMA回复力的影响
3.5 SMA安全带预紧机构回复力实验研究
3.5.1 回复力实验平台搭建
3.5.2 回复力实验结果与分析
3.6 本章小结
第四章 基于SMA的安全带冲击吸能特性研究
4.1 引言
4.2 汽车碰撞中的能量变化
4.3 基于SMA的安全带冲击吸能实验与分析
4.3.1 冲击吸能实验平台搭建
4.3.2 安全带总成的性能测试
4.3.3 SMA丝冲击吸能效果研究
4.4 不同温度下SMA丝冲击吸能特性研究
4.5 SMA丝的吸能极限研究
4.6 本章小结
第五章 总结与展望
参考文献
致谢