偏置碰駕駛員約束系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)

翟克寧，李學(xué)言，汪正玉，楊帥

偏置碰駕駛員約束系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)

翟克寧1，李學(xué)言2，汪正玉1，楊帥2

（1.東風(fēng)柳州汽車有限公司，廣西 柳州 545005；2.中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300162）

文章針對某自主品牌SUV在C-NCAP 40%偏置碰摸底試驗(yàn)中，駕駛員頭部出現(xiàn)的擊穿現(xiàn)象及胸部傷害值超過設(shè)定目標(biāo)的問題，應(yīng)用DYNA軟件建立該車駕駛員約束系統(tǒng)模型，通過對標(biāo)分析進(jìn)行模型的有效性驗(yàn)證。以氣囊、安全帶及點(diǎn)火時(shí)間為優(yōu)化變量，通過中心復(fù)合試驗(yàn)設(shè)計(jì)采集仿真分析樣本點(diǎn)，建立優(yōu)化變量對頭部HIC36值，頭部3毫秒合成加速度及胸部壓縮量的響應(yīng)面模型，應(yīng)用遺傳算法對響應(yīng)面模型進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，匹配出合適的約束系統(tǒng)參數(shù)值，降低該車型碰撞中駕駛員頭部和胸部傷害值，仿真分析結(jié)果驗(yàn)證了優(yōu)化方法的有效性，為該類約束系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)提供了思路和方法。

約束系統(tǒng)；碰撞；仿真分析；多目標(biāo)優(yōu)化

CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)16-93-03

前言

目前，各大汽車生產(chǎn)商為了提高整車安全性能與產(chǎn)品競爭力，都會(huì)將C-NCAP評(píng)級(jí)作為整車開發(fā)的重要評(píng)估依據(jù)[1]。獲得較高的C-NCAP安全星級(jí)需具備良好的主動(dòng)與被動(dòng)安全性能，被動(dòng)安全性能又主要包括兩方面：設(shè)計(jì)合理的吸能式車身結(jié)構(gòu)與匹配合適的約束系統(tǒng)。設(shè)計(jì)合理的車身結(jié)構(gòu)能夠吸收較多的碰撞能量，減小乘員空間的侵入量，降低傳遞到乘員上的加速度。匹配合適的約束系統(tǒng)可以有效的利用乘員生存空間，約束乘員的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，降低乘員受到的傷害。

約束系統(tǒng)主要包括氣囊、安全帶、轉(zhuǎn)向管柱、座椅等部件，劉玉云和翟錫杰[2,3]從乘員保護(hù)角度出發(fā)，對轉(zhuǎn)向管柱的布置和壓潰特性進(jìn)行了優(yōu)化。姜峻嶺[4]以C-NCAP得分值為目標(biāo)，對乘員約束系統(tǒng)的安全帶限力及預(yù)緊進(jìn)行優(yōu)化。田國紅[5]對單雙級(jí)氣體發(fā)生器氣囊進(jìn)行對比分析，優(yōu)化了假人頭部與頸部的傷害值。朱航彬[6]分析了不同碰撞加速度波形對假人傷害值的影響，通過控制加速度波形對乘員傷害值進(jìn)行優(yōu)化。本文研究對象為某自主品牌SUV，在C-NCAP摸底試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)該車40%偏置碰撞胸部壓縮量超過目標(biāo)值及頭部存在擊穿風(fēng)險(xiǎn)，傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)類比與多種方案試算的方法難以同時(shí)優(yōu)化頭部與胸部的傷害狀態(tài)。為確保該車獲得C-NCAP五星安全評(píng)價(jià)，本文以頭部和胸部傷害值為目標(biāo)，以點(diǎn)火時(shí)間、氣囊及安全帶的相關(guān)參數(shù)為變量，對40%偏置碰撞約束系統(tǒng)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 樣車碰撞試驗(yàn)分析

為了確保車型在C-NCAP中獲得五星安全評(píng)價(jià)，對該車進(jìn)行基于2015版C-NCAP的摸底試驗(yàn)，其中正面剛性壁障碰撞結(jié)果達(dá)到項(xiàng)目設(shè)定目標(biāo)值，但在40%偏置可變性壁障碰撞試驗(yàn)中，頭部和胸部出現(xiàn)如下問題：

問題一：頭部傷害值HIC36為485，3毫米合成加速度a3ms為51.09g，雖然得到滿分但分析試驗(yàn)結(jié)果曲線發(fā)現(xiàn)頭部存在擊穿現(xiàn)象，如圖1紅色虛線框內(nèi)所示。

問題二：胸部壓縮量Def為28.8mm，得分3.03，超過該車型五星安全開發(fā)設(shè)定的目標(biāo)值27mm，未達(dá)到項(xiàng)目設(shè)定的目標(biāo)分3.29。胸部傷害值曲線如圖2所示。

圖1 試驗(yàn)頭部X向加速度曲線

圖2 胸部壓縮量曲線

2 約束系統(tǒng)模型建立與對標(biāo)

2.1 約束系統(tǒng)模型建立

圖3 駕駛員約束系統(tǒng)模型

本文應(yīng)用Hybrid Ⅲ50th有限元假人，搭建了駕駛員Dyna約束系統(tǒng)模型。對車身、座椅、轉(zhuǎn)向管柱等結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并添加材料與體屬性信息。根據(jù)實(shí)車裝配情況建立各結(jié)構(gòu)件的連接關(guān)系。安全帶、氣囊、座椅與轉(zhuǎn)向管柱等約束系統(tǒng)零部件參數(shù)由零部件試驗(yàn)獲取。以整車偏置碰撞試驗(yàn)中左側(cè)B柱下端脈沖作為加載輸入，定義假人與約束系統(tǒng)零部件之間的接觸。駕駛員約束系統(tǒng)模型如圖3所示。

2.2 模型對標(biāo)分析

為確保仿真模型精度，需要以試驗(yàn)中安全帶力、假人加速度及傷害值曲線為參考進(jìn)行分析驗(yàn)證。假人坐姿按照試驗(yàn)中駕駛員空間數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整，安全帶和氣囊點(diǎn)火時(shí)間與試驗(yàn)保持一致，對模型進(jìn)行對標(biāo)分析。本模型的對標(biāo)結(jié)果如圖4所示 (實(shí)線為試驗(yàn)曲線，曲線為仿真曲線)。

圖4 仿真與試驗(yàn)曲線對比

由圖4可知仿真的受力曲線，加速度曲線及位移曲線的趨勢、峰值與試驗(yàn)結(jié)果一致，因此該模型具有較高的仿真精度。表1為對標(biāo)后模型仿真與試驗(yàn)對比，仿真值與試驗(yàn)值誤差在15%以內(nèi)，且頭部均出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象，仿真結(jié)果。

表1 仿真值與試驗(yàn)值對比

3 約束系統(tǒng)模型優(yōu)化

3.1 優(yōu)化參數(shù)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

以對標(biāo)后的約束系統(tǒng)模型為基礎(chǔ)進(jìn)行優(yōu)化分析。偏置碰駕駛員頭部、胸部的傷害值與氣囊、安全帶等約束系統(tǒng)零部件是否匹配得當(dāng)有直接關(guān)系。傳統(tǒng)的零部件參數(shù)確定多采用經(jīng)驗(yàn)類比與反復(fù)試算的方法，導(dǎo)致其參數(shù)值往往不是最優(yōu)的，部分參數(shù)的匹配結(jié)果也難以達(dá)到整車碰撞安全性能要求。本文結(jié)合該款車型試驗(yàn)中頭部與胸部出現(xiàn)的問題，以頭部HIC36值、3毫秒合成加速度a3ms及胸部壓縮量Def為目標(biāo)，確定安全帶限力值F、安全帶預(yù)緊時(shí)間T1，氣囊氣孔直徑R、氣囊拉帶長度L及點(diǎn)火時(shí)間T2五個(gè)優(yōu)化變量，基于40%偏置碰工況對該款車型進(jìn)行分析優(yōu)化。約束系統(tǒng)變量及設(shè)計(jì)空間如表2所示。

表2 約束系統(tǒng)優(yōu)化參數(shù)變量

中心復(fù)合試驗(yàn)(Center Composite Design, CCD)是常用的擬合二階響應(yīng)面的設(shè)計(jì)方法，原理為在一定的設(shè)計(jì)空間內(nèi)，選取一組設(shè)計(jì)變量分析其對設(shè)計(jì)結(jié)果的影響[7]。本文通過CCD實(shí)驗(yàn)得到50個(gè)實(shí)驗(yàn)樣本，以樣本點(diǎn)的變量值為參數(shù)，代入到約束系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真分析，記錄假人頭部HIC36值、3ms合成加速度a3ms及胸部壓縮量Def，完成所有樣本點(diǎn)的分析計(jì)算。

3.2 響應(yīng)面的構(gòu)建

響應(yīng)面常用于分析多變量對系統(tǒng)響應(yīng)輸出的影響，建立變量與輸出響應(yīng)的近似數(shù)學(xué)模型。本文根據(jù)樣本試驗(yàn)點(diǎn)的仿真分析結(jié)果，采用最小二乘法對樣本點(diǎn)進(jìn)行回歸分析，建立設(shè)計(jì)變量對頭部HIC36傷害值，頭部3毫秒合成加速度與胸部壓縮量的響應(yīng)面模型如圖5所示。

圖5 優(yōu)化變量與傷害值的響應(yīng)面模型

3.3 傷害值的多目標(biāo)優(yōu)化

在上節(jié)響應(yīng)面模型基礎(chǔ)上，對約束系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行多目標(biāo)遺傳算法優(yōu)化。遺傳算法通過計(jì)算初始群體中不同個(gè)體的適應(yīng)度，來評(píng)價(jià)個(gè)體的優(yōu)劣，決定其遺傳機(jī)會(huì)的大小，得到適應(yīng)度較高的個(gè)體[8]，即得到優(yōu)化結(jié)果。對優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行有限元分析，如果仿真結(jié)果滿足要求，則退出優(yōu)化流程。否則，需要重新擬合響應(yīng)面進(jìn)行優(yōu)化。

表3為模型各參數(shù)的優(yōu)化結(jié)果，將安全帶預(yù)緊時(shí)間T1，氣囊點(diǎn)火時(shí)間T2與氣孔直徑R進(jìn)行圓整處理，考慮到該款車型安全帶供應(yīng)商的產(chǎn)品型號(hào)，將安全帶限力值圓整為2800N。

表3 優(yōu)化后設(shè)計(jì)變量參數(shù)值

4 優(yōu)化結(jié)果對比驗(yàn)證

受制于試驗(yàn)條件限制，得出的約束系統(tǒng)參數(shù)值暫時(shí)無法進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。在此將優(yōu)化后的參數(shù)值代入到約束系統(tǒng)模型中進(jìn)行仿真驗(yàn)證分析，由表4優(yōu)化前后的傷害值對比可知，優(yōu)化后的頭部HIC36下降了19.3%，3毫秒合成加速度a3ms下降9.2%，胸部壓縮量Def下降6.4%，頭部擊穿現(xiàn)象消除。仿真結(jié)果驗(yàn)證了該優(yōu)化方法及優(yōu)化結(jié)果的有效性，優(yōu)化方案將在后續(xù)的整車碰撞試驗(yàn)中實(shí)施。

表4 優(yōu)化前后仿真?zhèn)χ祵Ρ?/p>

5 結(jié)論

約束系統(tǒng)匹配的好壞直接影響整車碰撞安全性能，傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)與類比的設(shè)計(jì)方法難以將約束系統(tǒng)各零部件參數(shù)同時(shí)匹配到最優(yōu)狀態(tài)。本文針對某自主車型C-NCAP試驗(yàn)中假人傷害值超標(biāo)的情況進(jìn)行了分析研究，基于DYNA軟件建立了駕駛員約束系統(tǒng)模型，進(jìn)行了模型的有效性驗(yàn)證。通過對氣囊、安全帶與點(diǎn)火時(shí)間參數(shù)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)，采用最小二乘法建立了優(yōu)化參數(shù)與性能指標(biāo)的響應(yīng)面模型，并應(yīng)用遺傳算法對模型進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化，通過對比分析驗(yàn)證了結(jié)果的有效性。這種約束系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法不僅能夠用于整車開發(fā)后期試驗(yàn)結(jié)果不理想時(shí)的改進(jìn)設(shè)計(jì)，也可作為約束系統(tǒng)設(shè)計(jì)前期難以選型時(shí)的零部件參數(shù)確定思路，為該類約束系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)提供方法指導(dǎo)。

[1] 中國汽車技術(shù)研究中心. C-NCAP 管理規(guī)則[M]. 天津∶中國汽車技術(shù)研究中心, 2015∶3-4.

[2] 劉玉云,盧靜,亓向翠,等. 轉(zhuǎn)向管柱潰縮特性對駕駛員損傷的影響[J]. 汽車工程師, 2017(2)∶47-50.

[3] 翟錫杰,吳勇強(qiáng),劉衛(wèi)國,等. 基于乘員保護(hù)的轉(zhuǎn)向管柱布置角度的優(yōu)化方法[J]. 汽車工程師, 2015(2)∶26-30.

[4] 姜峻嶺,朱大勇,沈海東. 面向C-NCAP的轎車乘員約束系統(tǒng)性能改進(jìn)研究[J]. 汽車工程, 2010(3)∶ 217-219.

[5] 田國紅,程海東,孫鵬雨,等. 雙級(jí)氣體發(fā)生器安全氣囊性能仿真[J].汽車工程師, 2016(11)∶23-25.

[6] 朱航彬,劉學(xué)軍.正面碰撞波形對乘員傷害值的影響[J]. 汽車工程,2008(11)∶964-967.

[7] 潘林鋒,周昌玉,陳士誠. 基于中心復(fù)合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的區(qū)間有限元方法[J], 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2011(11)∶11-13.

[8] 呂杰武,雷毅. 基于遺傳算法的機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)輔助工程, 2003(2) ∶41-45.

Multi-objective Optimization of the Driver Restraint System in the Offset Crash

Zhai Kening1, Li Xueyan2, Wang Zhengyu1, Yang Shuai2
（1.Dongfeng Liuzhou MOTOR CO., LTD., Guangxi Liuzhou 545005; 2.China Automotive Technology & Research Center, Tianjin 300300）

The problems of the head hitting the steering wheel and the chest deflection value exceeding the project target appear in the SUV frontal 40 % offset deformable barrier crash test. In order to decrease the head and chest injury, the method of multi-objective optimization based on the response surface model was applied for optimizing parameters of the restraint system. The design variables are the hole diameter and strap length of the airbag, the belt load limit value, and ignition time of the belt and airbag. Sample points were obtained by the central composite design experiment and responses of sample points were analyzed by DYNA. The injury value of the head and chest are extracted to fit the response surface model by least square method. The design parameters of the restraint system are optimized through the application of multi-objective genetic algorithms. The results verify the validity of the optimization method, and the paper provides methodological guidance for optimization of the restraint system.

Restraint System; Crash; Simulation Analysis; Multi-objectives Optimization

U462.1

A

1671-7988 (2017)16-93-03

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.16.033

翟克寧，就職于東風(fēng)柳州汽車有限公司。