基于多学科优化的正碰约束系统参数设计

刘吉，傅林，张光辉，黄杰

基于多学科优化的正碰约束系统参数设计

刘吉1，傅林1，张光辉1，黄杰2

（1.威马汽车科技集团有限公司，四川 成都 610100；2.中国汽车工程研究院，重庆 401122）

约束系统是汽车被动安全的重要组成部分，为提高约束系统的有效性，以Hybrid III 50th男性假人在100%重叠正面碰撞工况下的得分为基础进行多学科优化分析，得到了安全带及安全气囊参数与假人胸部、小腿之间的变化关系。并通过调整安全带和安全气囊参数，得到了最优参数匹配，使假人得分从14.12分提高到14.46分，有效提高了假人得分，对约束系统参数设计具有一定的参考意义。

多学科优化；约束系统；正碰；参数设计

引言

随着人们对于汽车安全问题更加重视，各大厂商也在加大安全方面的研发投入，约束系统是汽车被动安全的重要组成部分，汽车碰撞过程中，安全带的使用可大大降低乘员伤亡[1]。安全带和安全气囊相互配合，在汽车碰撞瞬间可有效保护乘员的头部和胸部，驾驶员气囊还可有效防止汽车方向盘直接顶到驾驶员胸部，避免致命伤害。安全气囊充气展开后，通过气囊泄气孔的节流阻尼吸收碰撞能量，缓和乘员受到的冲击，从而减轻乘员伤害[2]。由此可见，针对约束系统尤其是安全带和安全气囊的设计对汽车安全具有重要意义。

1 模型简介

1.1 参数选取

多学科优化是在考虑多参数的情况下进行优化计算，进而得出最优解。因此，在优化前需要对计算模型设计输入参数。安全带和安全气囊作为汽车约束系统的重要组成部分[3]，可作为设计参数的优先选择。本文以Hybrid III 50th男性假人在100%重叠正面碰撞工况下的得分为分析基础，为尽可能提高碰撞过程中假人得分，选取了约束系统的几大关键参数作为多学科优化模型输入变量，即将安全带预紧时间、安全带限力、气囊点爆时间和气囊泄气孔直径，变量明细见表1，表1中给出了四个变量的取值范围和初始值。其中，安全带预紧时间、气囊点爆时间以及气囊泄气孔直径范围为实际工程推荐值。考虑到安全带限力的不稳定性，其变化区间不宜过大，在该模型中，取值范围选为3.0kN-4.5kN。

图1 optimus多学科优化计算流程图

1.2 分析流程

商业软件optimus是现在常用的多学科优化分析软件，可为本次参数设计提供帮助。在该软件中，搭建了本次分析所需的流程，如图1所示。流程中，包含了输入、执行和输出等最基本的模块，其中输入项为四个变量，执行选用外部计算软件，MADYMO作为主流的约束系统开发软件[4]，可用于本流程的执行器。有数据显示[5]，交通事故对人体各部位损伤情况：头部占35.3%，颈部占4.6%，胸部占6.7%，下肢占5.1%，人体的头部、颈部、胸部和腿部是交通事故中乘员死亡或伤残的主要部位。因此，对上述部位进行受伤等级评价显得尤为重要，流程输出项需要包括假人头部、颈部、胸部、大腿和小腿得分。

表1 输入变量明细表

在优化分析前，需要由原始模型计算得到基础值作为优化计算的初始条件，该计算通过由MADYMO计算得到，计算模型由图2所示。正碰工况下，前排假人采用的是Hybrid III 50th男性假人，得分依据中国新车评价规程（C-NCAP）工况为100%重叠正面碰撞。根据基础模型的计算结果，得到了假人头部、颈部、胸部、大腿和小腿的得分情况，见表2。其中，头部、颈部和大腿均为满分项，因此需重点优化失分项胸部和小腿得分。

表2 基础模型驾驶员得分

根据C-NCAP100%重叠正面碰撞50km/h评分标准，对于胸部得分，压缩量<22mm得满分5分，压缩量>50mm得0分；对于小腿得分而言，小腿指数TI<0.4得满分2分，TI>1.3得0分。胸部得分可由式（1）表示：

式中，Score_Chest_Deflection表示假人胸部得分，Chest_ Deflection_MAX表示假人胸部最大变形量。

同样的，小腿得分可用式（2）表示：

式中，Score_TI表示小腿得分，TI表示小腿指数，可由MADYMO软件计算得到。

2 响应面分析

在optimus分析流程中，首先需要通过试验设计（DOE）来获得分析所需样本点，根据样本点的结果，可建立输入（变量）与输出（得分）之间的响应面模型。由于碰撞过程为非线性，在建立响应面模型时可采用径向基函数（RBF）的方法，近似函数（x）可用式（3）表示：

式中，p是多项式，λ为权重，|•|表示欧式空间，Φ是基函数，|-x|是点与x之间的距离。

由此可得到胸部得分响应面模型，由图3所示，图中可以看出安全带预紧时间、安全带限力和气囊点爆时间与胸部变形得分几乎呈负相关，即安全带预紧时间越短、安全带限力越小以及气囊点爆时间越短，胸部得分将越高；而气囊泄气直径孔尺寸对胸部得分没有明显的单调特性，在泄气孔取值范围内，当泄气孔由小变大时，胸部得分先升高后降低，最后再升高，在泄气孔直径为22.5mm时取得最高得分。

图3 胸部得分响应面

同理，可得到小腿得分与上述四个参数之间的关系，由图4所示，从图可以看出，四个参数与得分之间的关系各不相同，但对得分的影响都不大，参数变化范围内对得分的影响最大不超过0.05分。由此可见，想要提高小腿得分是很困难的。

图4 小腿得分响应面

3 优化分析

根据基础模型计算结果，正碰工况下，驾驶员得分项中，头部、颈部和大腿得分项为满分，并且余量充足，无需考虑优化。胸部和小腿得分偏低，因此需要通过约束系统参数匹配设计，将这两项分数尽可能提高，该优化问题在于求解目标函数最大值，属于单目标优化问题，可用式（4）表示。

式中，表示在不等式约束（）≤0，=1，…，和等式约束h（）=0，=1，…，下用以优化目标函数（）取得最大值的设计变量。优化目标值为胸部和小腿得分之和，即可用式（5）表示。

式中OPT_Function表示需要求解的优化函数，经过多学科优化分析，得到了最佳参数匹配，见表3，表中Nominal列表示模型初始值，Optimization列为优化后的值，从表中可以发现，当安全带预紧时间由16ms调整为23ms，安全带限力由3500N调为3000N，气囊点爆时间由20ms变为19ms，气囊泄气孔直径由25mm变为27.56mm时为最佳参数匹配，在此参数下，小腿和胸部得分之和将由5.12分提高到5.46分，总得分从14.12分提高到14.46分，有效提高了假人得分，为此模型在正碰工况下的最高得分。

表3 约束系统参数优化结果

4 结论

通过对正碰约束系统的多学科优化分析，得到了安全带预紧时间、安全带限力、气囊点爆时间以及气囊泄气孔直径等变量与假人得分之间的关系，为约束系统的参数匹配设计提供了参考。最后，还得到了在基础模型上提高得分的最优参数匹配，使得假人得分从14.12分提高到14.46分，有效提高了得分，为提高约束系统有效性提供了支撑。

[1] Klima M E,Toomey D E, Weber M J. Seat Belt Buckle Performance in High Energy Wheel-to-Ground Impacts[C]//SAE Paper,2005-01- 1709.

[2] 施卢丹,颜先华.驾驶员安全气囊有限元模型建立及对标分析[J]. 公路与汽车,2015, 4:10-13.

[3] 胡远志,梁永福,蒋成约等.人体有限元模型THUMS用于正面碰撞乘员损伤研究[J].汽车安全与节能学报, 2015, 4(6): 379-383.

[4] 胡志远,潘华等.基于模块化的约束系统高精度建模方法研究[J].重庆理工大学学报(自然科学), 2017, 31(7):1-11.

[5] HU Jingwen,Klinich K D.Toward designing pedestrian friendly vehicles[R].Michigan: The University of Michigan Transportation Research Institute, 2012(19).

Frontal Impact Restraint System Parameter Design Based on Multidisciplinary Optimization

Liu Ji1, Fu Lin1, Zhang Guanghui1, Huang Jie2

( 1.Weltmeister Motor Technology Co., Ltd., Sichuan Chengdu 610100; 2.China Automotive Engineering Research Institute, Chongqing 401122 )

Restraint system is a significant component of vehicle passive safety. In order to improve the effectiveness of the restraint system, multidisciplinary optimization analysis has been completed based on the score of Hybrid III 50th male dummy under 100% overlapping frontal impact condition. The relationship between the parameters of safety belt and airbag and the dummy chest and lower leg was obtained. And the optimal parameter matching was obtained by adjusting the parameters of seat belt and airbag. The dummy score was increased from14.12 to 14.46, which effectively improves the dummy score. It has a certain reference significance for the parameter design of restraint system.

Multidisciplinary optimization; Restraint system; Frontal impact; Parameter design

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.07.021

U462.2

A

1671-7988(2021)07-62-04

U462.2

A

1671-7988(2021)07-62-04

刘吉，硕士学位，CAE工程师，就职于威马汽车科技集团有限公司，主要从事新能源汽车整车轻量化及多学科优化相关工作。