基于車(chē)身結(jié)構(gòu)與約束系統(tǒng)集成優(yōu)化的乘員胸部保護(hù)研究*

蔣小晴，楊濟(jì)匡，肖 志

(湖南大學(xué)，汽車(chē)車(chē)身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410082)

前言

2006－2008年C-NCAP的65種測(cè)試車(chē)型的評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，在大型、小型和微型3種車(chē)型的正面100%碰撞測(cè)試中，胸部是得分率最低的部位，平均得分率僅為47.6%，其中微型車(chē)更是只有23.7%(圖1)[1]。交通事故統(tǒng)計(jì)中，正面碰撞胸部損傷占到AIS 3+損傷的34%，胸部是正面碰撞中最難防護(hù)且最容易受傷的部位之一[2]。正面碰撞中，B柱根部加速度是直接反映整車(chē)前部結(jié)構(gòu)特性的參數(shù)，也直接影響乘員胸部的響應(yīng)[3]。乘員約束系統(tǒng)是保護(hù)乘員損傷的最重要裝置。在汽車(chē)碰撞安全開(kāi)發(fā)初期，如果同時(shí)考慮碰撞波形和約束系統(tǒng)特性，則可對(duì)車(chē)體結(jié)構(gòu)和約束系統(tǒng)進(jìn)行集成設(shè)計(jì)。良好的前艙結(jié)構(gòu)會(huì)使傳遞到乘員身上的沖擊最小且更有利于約束系統(tǒng)的匹配，這將能有效減小乘員胸部損傷的風(fēng)險(xiǎn)。

目前大多數(shù)乘用車(chē)在正面碰撞中由于前置發(fā)動(dòng)機(jī)參與碰撞，初始碰撞時(shí)碰撞加速度會(huì)明顯小于在潰縮碰撞到發(fā)動(dòng)機(jī)后的加速度，從而出現(xiàn)加速度波形近似為雙梯形波形。文獻(xiàn)[4]中驗(yàn)證了等效雙梯形波可代替相應(yīng)實(shí)車(chē)正面碰撞減速度波形來(lái)進(jìn)行臺(tái)車(chē)試驗(yàn)。文獻(xiàn)[5]中發(fā)現(xiàn)較高的第1階和較低的第2階峰值有利于降低乘員的傷害值。文獻(xiàn)[6]中根據(jù)加速度曲線在不同時(shí)間段對(duì)乘員胸部的敏感程度，優(yōu)化得到使乘員胸部損傷最小的理想加速度曲線為前端高、中間低、后部上抬的波形，但這種波形在實(shí)際碰撞中是不可能得到的。

文獻(xiàn)[7]和文獻(xiàn)[8]中發(fā)現(xiàn)影響胸部響應(yīng)的約束系統(tǒng)特性主要是安全帶各項(xiàng)參數(shù);而文獻(xiàn)[9]中把約束系統(tǒng)簡(jiǎn)化為線彈性、帶松弛量的線彈性和彈塑性3種約束形式。在匹配中可將其分別視為有預(yù)緊裝置而無(wú)安全帶限力裝置、無(wú)預(yù)緊無(wú)限力裝置和無(wú)預(yù)緊有限力裝置，并指出要得到最優(yōu)的加速度波形必須要考慮約束系統(tǒng)的特性。

目前的乘員保護(hù)研究大部分為針對(duì)具體碰撞車(chē)輛進(jìn)行約束系統(tǒng)優(yōu)化匹配或針對(duì)單個(gè)車(chē)型進(jìn)行加速度波形優(yōu)化，割斷了車(chē)身結(jié)構(gòu)與約束系統(tǒng)匹配應(yīng)有的聯(lián)系[10－11]，且在不同的車(chē)型中，受前艙潰縮空間的約束，加速度波形和約束系統(tǒng)的匹配特性都不相同，須分別考慮。本文中結(jié)合碰撞加速度波形和乘員約束系統(tǒng)特性，以正面碰撞中乘員胸部損傷值最小為優(yōu)化目標(biāo)，針對(duì)3種不同前艙潰縮空間的車(chē)型，使用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和多目標(biāo)遺傳算法對(duì)加速度曲線的第1臺(tái)階加速度與第2臺(tái)階加速度、發(fā)動(dòng)機(jī)參與碰撞時(shí)刻、安全帶剛度和限力器特性進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明，優(yōu)化后的加速度波形和約束系統(tǒng)特性能有效提高C-NCAP正面碰撞的胸部得分，為汽車(chē)的前期設(shè)計(jì)提供了一種新的設(shè)計(jì)方法。

1 正面碰撞模型的建立與驗(yàn)證

以國(guó)內(nèi)某乘用車(chē)50km/h實(shí)車(chē)正面剛性墻碰撞為研究基礎(chǔ)，該車(chē)配備的約束系統(tǒng)為目前大多數(shù)乘用車(chē)配置:安全氣囊、配置限力器與單級(jí)預(yù)緊器的安全帶和可壓潰式轉(zhuǎn)向管柱?；诙囿w動(dòng)力學(xué)軟件MADYMO建立了乘員約束系統(tǒng)模型。模型包括地板、防火墻、加速踏板、座椅、儀表板、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和前風(fēng)窗玻璃等構(gòu)件，都依照駕駛艙總布置的幾何參數(shù)建立;MADYMO約束系統(tǒng)模型應(yīng)用到的各種特性，如安全帶剛度、座椅接觸剛度、轉(zhuǎn)向柱的壓潰特性、膝墊剛度、安全氣囊氣體發(fā)生器特性和踏板鉸鏈約束特性等均來(lái)自實(shí)際測(cè)量。建立的模型如圖2所示。

整車(chē)碰撞加速度曲線采用文獻(xiàn)[4]中介紹的方法簡(jiǎn)化為雙梯形波形(圖3)。對(duì)比原始加速度曲線、簡(jiǎn)化的雙梯形加速度曲線和實(shí)驗(yàn)中的乘員動(dòng)態(tài)響應(yīng)(圖4)，發(fā)現(xiàn)采用簡(jiǎn)化后的雙梯形曲線和原加速度曲線時(shí)，乘員的動(dòng)態(tài)響應(yīng)差別很小，且與實(shí)車(chē)碰撞乘員損傷數(shù)據(jù)對(duì)比，胸部X向加速度和胸部壓縮量曲線的整體波形擬合較好，且峰值大小和出現(xiàn)時(shí)刻誤差都在10%左右。由此可認(rèn)為模型具有較高精度，可以用于下一步研究。

2 影響因素分析與多目標(biāo)優(yōu)化

2.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)和變量

垂直胸部方向的動(dòng)態(tài)沖擊以及作用于胸部的沖

擊

加速度慣性力是導(dǎo)致胸部骨折和人體臟器受傷的重要原因。C-NCAP正面剛性壁碰撞安全性分析中，主要采用胸部壓縮變形量與胸部合成加速度值來(lái)評(píng)價(jià)。其胸部壓縮變形量的高、低限值為22和50mm;胸部合成加速度值的高、低限值為38和60g[12]。選擇胸部壓縮變形量與胸部合成加速度值作為評(píng)估乘員胸部損傷防護(hù)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，同時(shí)，選擇前艙變形量作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的指標(biāo)。乘用車(chē)在正面碰撞中前艙潰縮空間主要包括3個(gè)部分:保險(xiǎn)杠與發(fā)動(dòng)機(jī)的距離、發(fā)動(dòng)機(jī)到前圍板的間隙和碰撞時(shí)前圍板的侵入。由于車(chē)型不同，大型、小型和微型車(chē)的正面碰撞中的前艙潰縮空間 L車(chē)大約為650、550和450mm(圖5)，故在優(yōu)化中要求由加速度曲線兩次積分后的3種車(chē)型前艙潰縮空間分別在上列數(shù)值以下。

在乘員約束系統(tǒng)中，安全氣囊在正面碰撞時(shí)的主要作用是防止胸部直接接觸轉(zhuǎn)向盤(pán)。本文中假定氣囊在碰撞中正常展開(kāi)，故可不對(duì)安全氣囊各參數(shù)進(jìn)行分析。此外，影響胸部響應(yīng)的主要因素有安全帶預(yù)緊器點(diǎn)火時(shí)刻、限力器限力值、卷收器鎖止時(shí)刻、安全帶剛度和滑環(huán)摩擦因數(shù)等。

在對(duì)汽車(chē)正面碰撞實(shí)驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)中發(fā)現(xiàn)，根據(jù)汽車(chē)前艙布置的特點(diǎn)，加速度第1個(gè)峰值出現(xiàn)在10ms左右，第2個(gè)峰值因發(fā)動(dòng)機(jī)的參與而快速升高，發(fā)生時(shí)刻在30～50ms之間[13]。根據(jù)上述情況，在原車(chē)型的碰撞加速度波形的基礎(chǔ)上，建立了基本雙梯形加速度波形，如圖6所示。此外正面碰撞后期出現(xiàn)的反彈速度一般為碰撞速度的10%，故碰撞加速度曲線與時(shí)間橫坐標(biāo)圍成的面積則應(yīng)為55km/h(15.3m/s)。

選取雙梯形加速度波形的第1臺(tái)階加速度g1、第2臺(tái)階加速度g2和發(fā)動(dòng)機(jī)參與碰撞時(shí)刻t作為變量，結(jié)合乘員約束系統(tǒng)中的安全帶剛度K和限力器限力值f進(jìn)行優(yōu)化，使其對(duì)乘員胸部損傷最小。

2.2 多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題的描述

一個(gè)典型的多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題可以定義為

式中:f1(x)，f2(x)，…，fk(x)是 k 個(gè)目標(biāo)函數(shù);x1，x2，…，xn為設(shè)計(jì)變量，S∈Rn是可行域或者設(shè)計(jì)空間。

研究重點(diǎn)是通過(guò)優(yōu)化正面碰撞中的加速度波形和約束系統(tǒng)特性來(lái)達(dá)到對(duì)乘員胸部的保護(hù)。同時(shí)也以不同車(chē)型的前艙潰縮空間作為其約束條件。結(jié)合轎車(chē)的實(shí)際情況及文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[14]設(shè)定了各參數(shù)的范圍，多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型定義為

式中:A胸為胸部合成加速度;D胸為胸部壓縮變形量。

2.3 多目標(biāo)優(yōu)化過(guò)程

本研究的多目標(biāo)優(yōu)化程序分成實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、數(shù)學(xué)模型建立和多目標(biāo)遺傳算法3個(gè)步驟進(jìn)行。首先，通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)獲得足夠的樣本點(diǎn);然后，基于這些樣本點(diǎn)得到數(shù)學(xué)近似模型，并對(duì)數(shù)學(xué)模型的擬合精度進(jìn)行評(píng)估;最后，使用多目標(biāo)遺傳算法對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行優(yōu)化。

2.3.1 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為獲得充足的設(shè)計(jì)樣本以便建立數(shù)學(xué)模型，選擇了L16(45)正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)表。在設(shè)定空間內(nèi)各自選取了設(shè)計(jì)變量 g1、g2、t、K 和 f的4個(gè)水平，使用MADYMO進(jìn)行16次仿真，得到A胸、D胸和L車(chē)對(duì)應(yīng)的仿真數(shù)值，如表1所示。所有樣本數(shù)值將用于下一步數(shù)學(xué)模型的系數(shù)計(jì)算中。

2.3.2 數(shù)學(xué)模型的建立

本文中，使用二次多項(xiàng)式響應(yīng)模型來(lái)近似設(shè)計(jì)變量與目標(biāo)量即胸部壓縮變形量與胸部合成加速度的非線性關(guān)系。同時(shí)，由于前艙潰縮空間可通過(guò)對(duì)加速度曲線兩次積分得到，前艙潰縮空間只與g1、g2、t有關(guān)。通過(guò)計(jì)算全部的未知系數(shù)和決定系數(shù)，獲得的3個(gè)目標(biāo)值對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型為

表1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)樣本值

式中:A胸、D胸和L車(chē)的數(shù)學(xué)模型決定系數(shù)R2分別為0.987、0.971和 0.999;調(diào)整決定系數(shù)分別為0.974、0.963和0.999。由決定系數(shù)和調(diào)整決定系數(shù)的數(shù)值可以看出，這3個(gè)數(shù)學(xué)模型的擬合精度能夠滿足預(yù)測(cè)精度的要求，可以替換乘員約束系統(tǒng)模型用于后續(xù)的多目標(biāo)優(yōu)化。

2.3.3 多目標(biāo)遺傳算法

本文中所采用的NSGA(non-dominated sorting genetical algorithm)-Ⅱ是帶精英策略的非支配算法[15]。該算法可使Pareto最優(yōu)解前沿中的個(gè)體均勻地?cái)U(kuò)展到整個(gè)Pareto域，保證種群的多樣性，克服了傳統(tǒng)NSGA算法計(jì)算復(fù)雜、父代中優(yōu)秀個(gè)體易被覆蓋和需要人為指定共享參數(shù)等缺點(diǎn)?；谏厦嫠玫?個(gè)數(shù)學(xué)模型，所采用的 NSGA-Ⅱ算法在iSIGHT軟件中實(shí)現(xiàn)，在前艙潰縮空間分別小于650、550和450mm下各選擇種群數(shù)為20，經(jīng)過(guò)100代遺傳，共進(jìn)行了2 020次迭代后得到20組最優(yōu)解。

3 優(yōu)化結(jié)果驗(yàn)證及分析

本文中目標(biāo)是在不同的前艙潰縮空間下，提高正面碰撞中乘員胸部損傷防護(hù)性能。所以，對(duì)此多目標(biāo)問(wèn)題優(yōu)化解的選擇原則是:在合適的前艙潰縮空間條件下，保證胸部合成加速度和胸部壓縮變形量最小。表2為前艙潰縮空間小于550mm優(yōu)化后的20組Pareto最優(yōu)解集。

根據(jù)上述原則，選擇了第8組解集，其胸部合成加速度為 380.45m/s2，胸部壓縮變形量為29.07mm，胸部保護(hù)得分為3.738。同理，在前艙潰縮空間為450和650mm的20組Pareto最優(yōu)解集中選取最優(yōu)解集。

表2 前艙潰縮空間小于550mm的Pareto最優(yōu)解集

將變量g1、g2、t、K和 f的優(yōu)化值賦予原乘員約束系統(tǒng)模型并進(jìn)行仿真分析。各設(shè)計(jì)目標(biāo)的優(yōu)化值、應(yīng)用優(yōu)化值的仿真值和優(yōu)化值與應(yīng)用優(yōu)化值的仿真值的相對(duì)誤差如表3所示。由于其相對(duì)誤差均低于5%，因此認(rèn)為該多目標(biāo)問(wèn)題的優(yōu)化結(jié)果可以接受。由表3可知，大型、小型和微型車(chē)優(yōu)化后的解集分別使胸部保護(hù)在C-NCAP得分達(dá)到了4.025、3.614和2.927，胸部得分率也分別達(dá)到了80.5%、72.3%和58.5%。比較2006～2008年C-NCAP的65種大型、小型和微型車(chē)的平均得分率，提高幅度分別為33.7%、41.5%和146.8%。在乘員約束系統(tǒng)仿真中，胸部損傷風(fēng)險(xiǎn)下降的同時(shí)，頭部損傷指標(biāo)HIC值分別為342.6、438.2和581.3，對(duì)應(yīng)的AIS 3+損傷風(fēng)險(xiǎn)均為10%以下，且在C-NCAP正面碰撞頭部評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)得分為滿分?？梢哉J(rèn)為結(jié)合了車(chē)身結(jié)構(gòu)與約束系統(tǒng)特性的優(yōu)化結(jié)果降低了乘員整體損傷的風(fēng)險(xiǎn)，整車(chē)正面碰撞安全性能有了明顯提高。

比較3種不同車(chē)型優(yōu)化后的加速度曲線(圖7)，可以發(fā)現(xiàn)隨著前艙潰縮空間的減小，第1臺(tái)階加速度迅速增大，碰撞結(jié)束時(shí)間提前，整體碰撞過(guò)程趨于激烈。提高第1臺(tái)階加速度是有效減小潰縮長(zhǎng)度和防止胸部損傷的方法，這與文獻(xiàn)[5]和文獻(xiàn)[6]中的結(jié)論相符。結(jié)果顯示3種車(chē)型中，隨著前艙潰縮空間的增大，發(fā)動(dòng)機(jī)參與碰撞的時(shí)刻后延。分析認(rèn)為微型車(chē)中由于第2臺(tái)階加速度較大，且發(fā)動(dòng)機(jī)參與碰撞時(shí)刻為乘員響應(yīng)敏感的時(shí)間區(qū)間，故延遲發(fā)動(dòng)機(jī)參與碰撞的時(shí)刻可以減小胸部損傷，即發(fā)動(dòng)機(jī)在前艙布置的位置相對(duì)靠后有利于乘員的胸部保護(hù)。而對(duì)于約束系統(tǒng)特性，在把優(yōu)化值賦予原乘員約束系統(tǒng)模型后，對(duì)3種車(chē)型中安全帶肩帶拉力特性進(jìn)行簡(jiǎn)化后如圖8所示，可發(fā)現(xiàn)隨著前艙潰縮空間的增加，限力器的限力值減小，安全帶延伸率增大，對(duì)應(yīng)的安全帶剛度則相應(yīng)減小。這是因?yàn)樵谄骄彽呐鲎策^(guò)程中，整個(gè)碰撞系統(tǒng)的Ride-down效率得到提升，約束系統(tǒng)要吸收的能量減小。從圖8還可以看出，安全帶與假人之間還有一定的松弛量，在15ms安全帶肩帶才開(kāi)始有作用力，如果安全帶預(yù)緊器能提前觸發(fā)，會(huì)進(jìn)一步減小胸部損傷風(fēng)險(xiǎn)。

表3 優(yōu)化結(jié)果及驗(yàn)證

4 結(jié)論

基于國(guó)內(nèi)某乘用車(chē)的幾何和材料特性建立了正面碰撞中動(dòng)態(tài)響應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，將碰撞中的加速度曲線擬合為等效雙梯形波形，通過(guò)與實(shí)驗(yàn)的對(duì)比驗(yàn)證了模型的可靠性。

針對(duì)大型、小型和微型3種不同車(chē)型中前艙潰縮空間情況，采用NSGA-Ⅱ遺傳算法以C-NCAP乘員胸部損傷評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(胸部壓縮變形量和合成加速度)為目標(biāo)，通過(guò)調(diào)整雙梯形波形的第1和第2臺(tái)階加速度大小、發(fā)動(dòng)機(jī)參與碰撞時(shí)刻、安全帶剛度及限力器限力值等變量，進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化，使3種車(chē)型的平均得分率分別提高33.7%、41.5%和146.8%。車(chē)身結(jié)構(gòu)與約束系統(tǒng)特性的集成優(yōu)化為汽車(chē)的前期設(shè)計(jì)提供了一種新方法。

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