集成式儿童乘员约束系统优化匹配及设计理论研究

摘要

由于儿童和成人在生理解剖学特征上的差异，针对成人设计的乘员约束系统，不能对儿童提供有效保护，甚至可能导致儿童在交通事故中受伤或死亡;儿童乘员约束系统可以在汽车碰撞事故中有效降低儿童乘员严重损伤和死亡发生的概率。但由于儿童的快速生长发育，对于父母来说正确有效地使用儿童约束系统非常困难。据统计，对于3岁以上儿童，在美国、加拿大、澳大利亚、日本和欧洲儿童乘员约束系统的误用率均在50％以上;如何解决约束系统与儿童的身高和体重匹配不当已经成为国际汽车安全领域的热点问题。针对上述问题，本文在研究了大量文献基础上，主要做了以下三方面工作:
　　 1.基于一款可以无级调节座椅高度的集成式儿童座椅，研究了集成式儿童约束系统中各个已实现或潜在可实现的可调约束参数对儿童乘员损伤的影响，并对某集成式儿童乘员约束系统进行了改进研究。研究结果表明，座椅高度、安全带限力值、靠背角度儿童乘员损伤的影响最大;座垫长度和座垫角度对儿童乘员胸部和头部的损伤影响较小，但对腹部损伤影响较大;有侧面护板且位置靠下能对儿童乘员提供更好的保护作用;将安全带下固定点位置从成人座椅移到儿童座椅上之后无论是正面碰撞下还是侧面碰撞下都能给儿童乘员头部和胸部提供更好的保护作用，但会增加儿童乘员腹部的伤害。
　　 2.研究了近似方法技术及多目标优化在儿童乘员约束系统中的应用必要性。以座椅高度、靠背角度、安全带限力值作为优化参数，采用多项式回归近似模型和多目标遗传算法NSGA-Ⅱ就集成式儿童约束系统保护3岁、6岁、10岁儿童时进行了多目标优化;在得到的3组较优约束参数上，忽略约束参数与儿童身体特征之间的交互作用，提出了一种儿童身高决定座椅高度、儿体重决定安全带限力值、年龄决定座椅靠背角度的新型匹配关系。研究结果表明，多目标优化可以避开难以确定的乘员损伤准则为研究者提供多种可供选择的较优方案，仿真试验验证了多目标优化结果能给儿童乘员提供较好的保护作用;提出的新型匹配关系可以较好的解决儿童乘员约束系统与不同身材儿童乘员的参数匹配问题。
　　 3.研究了国内外关于汽车座椅的法规，结合集成式儿童安全座椅的特点，提出了针对集成式儿童座椅的标准。以提出的标准为依据，对本项目组设计的集成式儿童座椅进行了前碰撞和后碰撞试验，并通过分析试验结果对制定标准及集成式儿童约束系统的设计方面提出了合理的改进意见。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 自适应儿童约束系统研究背景及意义

1．2 汽车儿童约束系统组成及固定装置

1．2．1 汽车儿童约束系统组成

1．2．2 约束系统类型及使用情况对儿童损伤的影响

1．2．3 汽车儿童约束系统标准固定装置

1．3 儿童乘员损伤评价准则

1．3．1 欧洲法规ECE R44中儿童乘员损伤评价准则

1．3．2 美国法规FMVSS 213中儿童乘员损伤评价准则

1．3．3 美国法规FMVSS 208中儿童乘员损伤评价准则

1．4 自适应儿童约束系统及研究现状

1．4．1 自适应儿童约束系统及先进技术

1．4．2 自适应儿童约束系统研究现状

1．4．3 自适应儿童约束系统匹配方法研究

1．5 本文的主要研究内容及意义

第2章 仿真模型的建立及约束系统参数研究

2．1 集成式儿童约束系统仿真模型

2．1．1 儿童安全座椅模型

2．1．2 座椅安全带模型

2．1．3 儿童假人模型

2．2 可调约束参数对儿童乘员损伤的影响研究

2．2．1 座椅高度对儿童乘员损伤的影响

2．2．2 靠背角度对儿童乘员损伤的影响

2．2．3 安全带限力值对儿童乘员损伤的影响

2．2．4 座垫角度对儿童乘员损伤的影响

2．2．5 座垫长度对儿童乘员损伤的影响

2．2．6 侧面护板对儿童乘员损伤的影响

2．3 集成式儿童约束系统的改进研究

2．3．1 正碰下改进前后儿童乘员损伤对比分析

2．3．2 侧碰下改进前后儿童乘员损伤的影响分析

2．4 本章小结

第3章 代理模型及多目标优化方法的研究

3．1 代理模型研究

3．1．1 试验设计方法研究

3．1．2 代理模型的建立方法研究

3．1．3 代理模型准确度的评价方法研究

3．2 多目标优化问题研究

3．2．1 多目标优化问题的数学描述

3．2．2 多目标优化的Pareto非劣解集

3．3 遗传算法及多目标遗传算法NSGA-Ⅱ研究

3．3．1 基本遗传算法研究

3．3．2 多目标遗传算法NSGA-Ⅱ研究

3．4 多目标优化在乘员约束系统中的应用研究

3．5 多目标优化流程的设计

3．6 本章小结

第4章 集成式儿童约束系统参数的优化匹配

4．1 可调约束参数在保护3岁儿童时的多目标优化

4．1．1 保护3岁儿童时可调约束参数变化范围的确定

4．1．2 保护3岁儿童时可调约束参数的试验设计

4．1．3 基于响应面的代理模型建立及其验证

4．1．4 基于NSGA-Ⅱ的多目标优化

4．1．5 多目标优化结果的验证

4．2 可调约束参数在保护6岁儿童时的多目标优化

4．2．1 保护6岁儿童时可调约束参数变化范围的确定

4．2．2 保护6岁儿童时可调约束参数的试验设计

4．2．3 基于响应面的代理模型建立及验证

4．2．4 基于NSGA-Ⅱ的多目标优化

4．2．5 多目标优化结果的验证

4．3 可调约束参数在保护10岁儿童时的多目标优化

4．3．1 保护10岁儿童时可调约束参数变化范围的确定

4．3．2 保护10岁儿童时可调约束参数的试验设计

4．3．4 基于NSGA-Ⅱ的多目标优化

4．3．5 多目标优化结果的验证

4．4 儿童约束系统自适应匹配关系的提出

4．5 本章小结

第5章 集成式儿童座椅标准制定及试验研究

5．1 集成式儿童安全座椅标准制定研究

5．1．1 不同座椅标准中试验方法及要求的对比

5．1．2 集成式儿童座椅的制定

5．2 动态性能试验方法研究

5．2．1 台车和吸能管仿真模型的建立

5．2．2 前碰撞加速度曲线拟合及试验验证

5．2．3 后碰撞加速度曲线拟合及试验验证

5．3 前碰撞下动态性能试验

5．3．1 试验准备

5．3．2 试验结果

5．4 后碰撞下动态性能试验

5．4．1 试验准备

5．4．2 试验结果

5．5 集成式儿童座椅标准改进建议

5．6 本章小结

总结与展望

参考文献

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录

附录B 集成式儿童座椅企业标准

致谢