轎車車身安全帶固定點(diǎn)設(shè)計(jì)優(yōu)化問(wèn)題研究

潘 路

（北京汽車研究總院有限公司，北京 101300）

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轎車車身安全帶固定點(diǎn)設(shè)計(jì)優(yōu)化問(wèn)題研究

潘 路

（北京汽車研究總院有限公司，北京 101300）

摘 要：安全帶固定點(diǎn)的設(shè)計(jì)是轎車車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要組成部分。傳統(tǒng)的安全帶固定點(diǎn)的設(shè)計(jì)方法往往將安全帶的安全性與舒適性分開(kāi)進(jìn)行設(shè)計(jì)，忽略了它們之間的關(guān)聯(lián)性，造成安全帶固定點(diǎn)的設(shè)計(jì)結(jié)果并非整體最優(yōu)。因此，本文對(duì)其進(jìn)行綜合考慮，即建立乘員的安全性與舒適性模型和安全帶約束系統(tǒng)模型，將安全帶固定點(diǎn)的非線性優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為多因素影響的線性優(yōu)化問(wèn)題，然后通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析。結(jié)果表明，本文方法能夠使安全帶很好地滿足安全性和舒適性，效果令人滿足。

關(guān)鍵詞：轎車 線性優(yōu)化 安全帶 固定點(diǎn) 安全性 舒適性

引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)的汽車保有量也越來(lái)越高，同時(shí)人們對(duì)汽車安全性能的要求也在逐漸提高。乘員艙內(nèi)安全帶是轎車結(jié)構(gòu)中的重要組成部分，它不僅事關(guān)乘員的安全，而且也影響著乘員的舒適程度。因此，如何確定安全帶的最優(yōu)固定點(diǎn)，以保證乘員的安全性和舒適性，已經(jīng)成為當(dāng)前轎車車身結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)中的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題。

由于在轎車車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，安全帶固定點(diǎn)的設(shè)計(jì)是轎車質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中強(qiáng)制性要求的項(xiàng)目，因此，安全帶的安全性必須滿足標(biāo)準(zhǔn)，這就需要對(duì)轎車車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中安全帶固定點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化選擇。本文將安全帶固定點(diǎn)的非線性優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為多因素影響的線性優(yōu)化問(wèn)題，并利用約束條件對(duì)安全帶固定點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，最后進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。

1 建立乘員的安全性與舒適性模型

乘員在轎車內(nèi)乘坐時(shí)，當(dāng)汽車平穩(wěn)行駛時(shí)，安全帶會(huì)對(duì)乘員的身體施加一個(gè)外力，乘員的肘關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、軀干關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)四個(gè)主要關(guān)節(jié)都會(huì)感受到安全帶束縛力的作用。因此，可以對(duì)乘員身體的這四個(gè)關(guān)節(jié)的受力情況進(jìn)行分析，以此建立乘員的舒適性模型。設(shè)置乘員的肘關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、軀干關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)分別表示為SE、SS、ST、SK，利用乘員身體這四個(gè)關(guān)節(jié)的受力強(qiáng)度準(zhǔn)確描述乘員的舒適性。當(dāng)關(guān)節(jié)受力強(qiáng)度最大化時(shí)，此時(shí)乘員的乘坐姿勢(shì)為最舒適的狀態(tài)。則這四個(gè)關(guān)節(jié)受力強(qiáng)度的計(jì)算方法能夠用下述公式進(jìn)行描述：

其中，βe為肘關(guān)節(jié)的角度，βs為肩關(guān)節(jié)的角度，βt為軀干關(guān)節(jié)的角度，βk為膝關(guān)節(jié)的角度，Gf為性別調(diào)整系數(shù)。

為了準(zhǔn)確評(píng)價(jià)安全帶的舒適性，利用加權(quán)強(qiáng)度函數(shù)來(lái)描述乘員感受到的舒適程度。由于Gf不是影響乘員舒適程度的因素，因此可以將其忽略。此外，關(guān)節(jié)受力強(qiáng)度的正負(fù)值只表示關(guān)節(jié)處于伸展?fàn)顟B(tài)或者彎曲狀態(tài)，因此取其絕對(duì)值。于是，乘員整體的舒適度的優(yōu)化函數(shù)為

在實(shí)際的安全帶固定點(diǎn)設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要綜合考慮乘員H點(diǎn)的位置、踵點(diǎn)的位置和方向盤(pán)的位置，從而通過(guò)多種因素綜合考慮來(lái)對(duì)乘員的舒適程度進(jìn)行估計(jì)。利用國(guó)內(nèi)成年人的標(biāo)準(zhǔn)體型，能夠?qū)⒐剑?-4）用人體的H點(diǎn)進(jìn)行表示：

其中，XS、ZS為肩關(guān)節(jié)中心點(diǎn)在坐標(biāo)系Oxz中的坐標(biāo)，XH、ZH為髖關(guān)節(jié)中心點(diǎn)在坐標(biāo)系Oxz中的坐標(biāo)，h為國(guó)內(nèi)成年人的平均身高，值為1678mm。為座椅后仰角度，設(shè)計(jì)值為110°，aS為乘員上臂長(zhǎng)度，bS為乘員下肢長(zhǎng)度，cS為乘員肩關(guān)節(jié)中心與方向盤(pán)中心之間的距離。由于H點(diǎn)、膝關(guān)節(jié)和踵點(diǎn)這三點(diǎn)構(gòu)成三角形，于是由三角形的幾何原理能夠得到下述關(guān)系：

其中，lS為乘員大腿的長(zhǎng)度，mS為乘員小腿的長(zhǎng)度，nS為H點(diǎn)與踵點(diǎn)之間的距離，XP、ZP為踵點(diǎn)在坐標(biāo)系Oxz內(nèi)的坐標(biāo)。

根據(jù)上述公式能夠得知，加權(quán)強(qiáng)度函數(shù)能夠轉(zhuǎn)換為乘員H點(diǎn)位置、踵點(diǎn)位置和方向盤(pán)中心位置的函數(shù)。因此，在安全帶固定點(diǎn)的設(shè)計(jì)中，需要對(duì)上述三個(gè)位置點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化。首先確定踵點(diǎn)位置，然后依次對(duì)乘員H點(diǎn)位置和方向盤(pán)中心點(diǎn)的位置進(jìn)行優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)乘員舒適度的優(yōu)化。

需要注意的是，乘員舒適度優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)為：

2 建立安全帶約束系統(tǒng)模型

為了確定轎車內(nèi)安全帶的最優(yōu)固定點(diǎn)，需要建立安全帶的約束系統(tǒng)模型。該模型主要包括車身、安全帶和假人。其中，安全帶模型為多體模型，用于優(yōu)化安全帶的固定點(diǎn)和座椅H的位置點(diǎn)。假人模型采用的男性假人，其身高體重符合國(guó)內(nèi)成年男性的平均值，用于估計(jì)乘員的損傷程度。轎車進(jìn)行正面實(shí)體墻碰撞試驗(yàn)，并根據(jù)碰撞結(jié)果對(duì)假人各關(guān)節(jié)的受力情況進(jìn)行分析。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，假人各關(guān)節(jié)的加速度和壓縮量與試驗(yàn)結(jié)果相一致，表明該模型能夠用于安全帶固定點(diǎn)的優(yōu)化。為了對(duì)乘員的安全性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，利用加權(quán)傷害指標(biāo)作為安全帶安全性的評(píng)價(jià)指標(biāo)，其公式為：

其中，CH136為乘員頭部在36ms內(nèi)的損傷指標(biāo)，C為乘員胸部的壓縮量，F(xiàn)1和Fr分別為乘員左、右大腿受到的力。

3 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為了驗(yàn)證本文方法在轎車車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中安全帶固定點(diǎn)優(yōu)化方面的優(yōu)越性，需要進(jìn)行一次仿真實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中各參數(shù)的初始值和變化范圍分別為：座椅H點(diǎn)x方向坐標(biāo)XH的初始值為1150mm，下限值為1120mm，上限為1195mm；座椅H點(diǎn)z方向坐標(biāo)ZH的初始值為504mm，下限值為470mm，上限值為550mm；方向盤(pán)中心點(diǎn)x方向XSW的初始值為-120mm，下限值為165mm，上限值為-75mm；限力級(jí)別L的初始值為5kN，下限值為3kN，上限值為7.2kN。利用仿真軟件MATLAB7.0構(gòu)建實(shí)驗(yàn)環(huán)境，利用上述參數(shù)進(jìn)行安全帶固定點(diǎn)的優(yōu)化，得到結(jié)果為：假人頭部的指標(biāo)CH136的實(shí)際初始值為1192，最優(yōu)值為794；胸部壓縮量C的初始值為54.2mm，最優(yōu)值為39.3mm；加權(quán)損傷指標(biāo)CWI的初始值為0.95，最優(yōu)值為0.67；加權(quán)強(qiáng)度F的初始值為702.4，最優(yōu)值為852.7。

從得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，假人頭部的CH136得到了明顯改善，完全能夠滿足轎車質(zhì)量相關(guān)法規(guī)的要求，胸部也有了一定程度的改善，提高了轎車整體的安全性。同時(shí)，乘員的舒適程度也有了很大提高。

4 結(jié)束語(yǔ)

如何在轎車車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中確定安全帶的最優(yōu)固定點(diǎn)，以滿足乘員對(duì)安全帶的安全性和舒適性不斷提高的要求，是轎車車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域一個(gè)永恒的課題。本文將安全帶的安全性與舒適性綜合考慮，通過(guò)建立乘員的安全性與舒適性模型和安全帶約束系統(tǒng)模型，得到安全帶固定點(diǎn)的約束條件，并結(jié)合轎車質(zhì)量的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)安全帶固定點(diǎn)的位置進(jìn)行優(yōu)化，最后進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，本文方法能夠使轎車整體的安全性和乘員的舒適性得到明顯提高，取得了令人滿意的效果。

Research on Design Optimization of Car Body Safety Belt Fixed Point

PAN Lu
（Beijing Automobile Research Institute Co. Ltd， Beijing 101300）

Abstract:The design of the safety belt is an important part of the car body structure design. Traditional safety belt fixed point design method often safety belt s afety and comfort are designed separately， ignoring the correlation between them， resulting in a safety belt fixed point of the design results is not the overall optimal. Therefore， in this paper the were considered， namely the establishment of passenger safety and comfort model and safety belt restraint system model， the safety belt fixed point of nonlinear optimization problem into the influence factors of linear optimization problem， and then through the simulation experiments were analyzed. The results show that this method can satisfy the safety and comfort， and the effect is satisfactory.

Key words:car， linear optimization， safety belt， fixed point，safety， comfort