翟克寧，李學言，汪正玉，楊帥

偏置碰駕駛員約束系統(tǒng)多目標優(yōu)化設計

翟克寧1，李學言2，汪正玉1，楊帥2

（1.東風柳州汽車有限公司，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%偏置碰摸底試驗中，駕駛員頭部出現(xiàn)的擊穿現(xiàn)象及胸部傷害值超過設定目標的問題，應用DYNA軟件建立該車駕駛員約束系統(tǒng)模型，通過對標分析進行模型的有效性驗證。以氣囊、安全帶及點火時間為優(yōu)化變量，通過中心復合試驗設計采集仿真分析樣本點，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面模型，應用遺傳算法對響應面模型進行多目標優(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)果驗證了優(yōu)化方法的有效性，為該類約束系統(tǒng)的工程設計提供了思路和方法。

約束系統(tǒng)；碰撞；仿真分析；多目標優(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，都會將C-NCAP評級作為整車開發(fā)的重要評估依據(jù)[1]。獲得較高的C-NCAP安全星級需具備良好的主動與被動安全性能，被動安全性能又主要包括兩方面：設計合理的吸能式車身結(jié)構(gòu)與匹配合適的約束系統(tǒng)。設計合理的車身結(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，約束乘員的運動姿態(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]從乘員保護角度出發(fā)，對轉(zhuǎn)向管柱的布置和壓潰特性進行了優(yōu)化。姜峻嶺[4]以C-NCAP得分值為目標，對乘員約束系統(tǒng)的安全帶限力及預緊進行優(yōu)化。田國紅[5]對單雙級氣體發(fā)生器氣囊進行對比分析，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行優(yōu)化。本文研究對象為某自主品牌SUV，在C-NCAP摸底試驗中發(fā)現(xiàn)該車40%偏置碰撞胸部壓縮量超過目標值及頭部存在擊穿風險，傳統(tǒng)的經(jīng)驗類比與多種方案試算的方法難以同時優(yōu)化頭部與胸部的傷害狀態(tài)。為確保該車獲得C-NCAP五星安全評價，本文以頭部和胸部傷害值為目標，以點火時間、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)進行多目標優(yōu)化設計。

1 樣車碰撞試驗分析

為了確保車型在C-NCAP中獲得五星安全評價，對該車進行基于2015版C-NCAP的摸底試驗，其中正面剛性壁障碰撞結(jié)果達到項目設定目標值，但在40%偏置可變性壁障碰撞試驗中，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)設定的目標值27mm，未達到項目設定的目標分3.29。胸部傷害值曲線如圖2所示。

圖1 試驗頭部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

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)進行網(wǎng)格劃分，并添加材料與體屬性信息。根據(jù)實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)由零部件試驗獲取。以整車偏置碰撞試驗中左側(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 模型對標分析

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

圖4 仿真與試驗曲線對比

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、峰值與試驗結(jié)果一致，因此該模型具有較高的仿真精度。表1為對標后模型仿真與試驗對比，仿真值與試驗值誤差在15%以內(nèi)，且頭部均出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象，仿真結(jié)果。

表1 仿真值與試驗值對比

3 約束系統(tǒng)模型優(yōu)化

3.1 優(yōu)化參數(shù)的實驗設計

以對標后的約束系統(tǒng)模型為基礎進行優(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有直接關(guān)系。傳統(tǒng)的零部件參數(shù)確定多采用經(jīng)驗類比與反復試算的方法，導致其參數(shù)值往往不是最優(yōu)的，部分參數(shù)的匹配結(jié)果也難以達到整車碰撞安全性能要求。本文結(jié)合該款車型試驗中頭部與胸部出現(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，確定安全帶限力值F、安全帶預緊時間T1，氣囊氣孔直徑R、氣囊拉帶長度L及點火時間T2五個優(yōu)化變量，基于40%偏置碰工況對該款車型進行分析優(yōu)化。約束系統(tǒng)變量及設計空間如表2所示。

表2 約束系統(tǒng)優(yōu)化參數(shù)變量

中心復合試驗(Center Composite Design, CCD)是常用的擬合二階響應面的設計方法，原理為在一定的設計空間內(nèi)，選取一組設計變量分析其對設計結(jié)果的影響[7]。本文通過CCD實驗得到50個實驗樣本，以樣本點的變量值為參數(shù)，代入到約束系統(tǒng)模型進行仿真分析，記錄假人頭部HIC36值、3ms合成加速度a3ms及胸部壓縮量Def，完成所有樣本點的分析計算。

3.2 響應面的構(gòu)建

響應面常用于分析多變量對系統(tǒng)響應輸出的影響，建立變量與輸出響應的近似數(shù)學模型。本文根據(jù)樣本試驗點的仿真分析結(jié)果，采用最小二乘法對樣本點進行回歸分析，建立設計變量對頭部HIC36傷害值，頭部3毫秒合成加速度與胸部壓縮量的響應面模型如圖5所示。

圖5 優(yōu)化變量與傷害值的響應面模型

3.3 傷害值的多目標優(yōu)化

在上節(jié)響應面模型基礎上，對約束系統(tǒng)參數(shù)進行多目標遺傳算法優(yōu)化。遺傳算法通過計算初始群體中不同個體的適應度，來評價個體的優(yōu)劣，決定其遺傳機會的大小，得到適應度較高的個體[8]，即得到優(yōu)化結(jié)果。對優(yōu)化結(jié)果進行有限元分析，如果仿真結(jié)果滿足要求，則退出優(yōu)化流程。否則，需要重新擬合響應面進行優(yōu)化。

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

表3 優(yōu)化后設計變量參數(shù)值

4 優(yōu)化結(jié)果對比驗證

受制于試驗條件限制，得出的約束系統(tǒng)參數(shù)值暫時無法進行試驗驗證。在此將優(yōu)化后的參數(shù)值代入到約束系統(tǒng)模型中進行仿真驗證分析，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)的整車碰撞試驗中實施。

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)驗與類比的設計方法難以將約束系統(tǒng)各零部件參數(shù)同時匹配到最優(yōu)狀態(tài)。本文針對某自主車型C-NCAP試驗中假人傷害值超標的情況進行了分析研究，基于DYNA軟件建立了駕駛員約束系統(tǒng)模型，進行了模型的有效性驗證。通過對氣囊、安全帶與點火時間參數(shù)的試驗設計，采用最小二乘法建立了優(yōu)化參數(shù)與性能指標的響應面模型，并應用遺傳算法對模型進行了多目標優(yōu)化，通過對比分析驗證了結(jié)果的有效性。這種約束系統(tǒng)的優(yōu)化設計方法不僅能夠用于整車開發(fā)后期試驗結(jié)果不理想時的改進設計，也可作為約束系統(tǒng)設計前期難以選型時的零部件參數(shù)確定思路，為該類約束系統(tǒng)的工程設計提供方法指導。

[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,劉衛(wèi)國,等. 基于乘員保護的轉(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)性能改進研究[J]. 汽車工程, 2010(3)∶ 217-219.

[5] 田國紅,程海東,孫鵬雨,等. 雙級氣體發(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. 基于中心復合實驗設計的區(qū)間有限元方法[J], 機械設計與制造,2011(11)∶11-13.

[8] 呂杰武,雷毅. 基于遺傳算法的機械優(yōu)化設計[J].計算機輔助工程, 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，就職于東風柳州汽車有限公司。