基于能量分析的乘员约束系统优化方法

摘要

本发明公开了基于能量分析的乘员约束系统优化方法，该方法首先建立某A级车的正面碰撞模型，通过仿真和试验的方法验证其有效性。然后结合能量理论，从乘员的能量传递方式出发，分析各个约束子系统的吸能情况，获得约束系统能量分配曲线。结合正交试验的多组数据，比较优化前后约束系统能量的分配差异，寻找到约束系统能量分配与乘员综合损伤值(WIC)的关系。再分析各个约束子系统的参数，构建参数与约束系统能量分配的关系，从而可调节相关参数，实现约束系统对乘员保护的性能优化。本发明对于提高乘员约束系统保护性能，缩短优化周期具有重要意义。

说明书

技术领域

本发明属于汽车安全领域，尤其涉及一种基于能量分析的乘员约束系统优化方法。

背景技术

车辆正面碰撞是交通事故中最常见的碰撞形式。在正碰过程中，乘员约束系统对乘员的保护作用十分显著，对其性能的研究非常有必要。目前，主要以乘员损伤值作为评价依据，对约束系统进行优化。然而，乘员自身存在很多不确定因素，以此来间接地评价约束系统，步骤繁琐而且并不精确。因此可以从能量的角度，分析各个约束子系统的吸能情况，寻找出约束系统能量分配与其对乘员保护之间的关系。根据约束系统参数与其吸能的关系，优化乘员约束系统的性能，使其达到更好的保护效果。

发明内容

针对乘员约束系统常规的优化方法中以乘员损伤值作为评价依据，步骤繁琐并存在不确定性因素，本发明提出一种基于能量分析的乘员约束系统优化方法，旨在更加便捷与精准地优化乘员约束系统，提高其保护性能。

根据本发明的一个方面，提出一种基于能量分析的乘员约束系统优化方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1：根据中国汽车技术研究中心2015年版的C-NCAP管理规则，进行车辆正面100％重叠刚性壁障碰撞试验。并在试验过程中测量车辆、约束系统以及乘员的相关曲线。

步骤2：根据车辆正面碰撞试验数据，建立正碰仿真模型。

步骤3：车辆正面碰撞仿真模型的验证。判断与实车碰撞试验是否相符。如果相符则转入步骤4；如果不相符，则转入步骤2。直至符合试验情形，即模型有效。

步骤4：采用常规方式优化车辆正碰模型，在优化过程中获得乘员损伤值，作为第一组数据。

步骤5：按照C-NCAP法规对乘员损伤值的评价以及乘员各部位间的连接关系，将乘员划分为头部、胸部、髋部和腿部四个部分。

步骤6：将汽车正碰仿真模型划分为5个子模型：Hybrid_III_50th假人多刚体模型，汽车车身多刚体模型，安全气囊有限元模型，安全肩带和安全腰带混合模型，汽车座椅有限元模型。根据能量分析理论，在正碰过程中，子模型之间主要产生四种形式的力，即惯性力、阻尼和摩擦力、弹性变形力、外界载荷作用力。由运动学方程的力学平衡可知能量也平衡。因此对应四种形式的能量，即动能、耗散能、内能、外能，依据如下所示的能量公式，计算并输出乘员各部位的能量曲线。

式中，W_Total为总能量；v为碰撞速度，单位为m/s；M为模型质量,单位为kg；a为碰撞加速度，单位为m/s²；C为阻尼系数；K为弹性模量；l为变形量，单位为m；F_ext为外界载荷作用力，单位为N。

步骤7：去除乘员各部位间内部的能量传递，获得各约束子系统的吸能曲线，并得到各约束子系统的吸能峰值，作为第二组数据。

步骤8：分析第一组数据和第二组数据，利用回归模型建立各个约束子系统吸能峰值与乘员损伤值之间的关系，得到关系A。

步骤9：选取与乘员损伤值存在较强相关关系(在相关系数R²大于0.6时，两者间存在较强的相关关系，见图6)的约束子系统，根据实际情况(实际情况是现实情形下每个参数都有一定的取值范围，比如安全带预紧器点火时间为8ms到28ms)，选择系统的主要参数及其取值范围，作为第三组数据。

步骤10：分别计算各个约束子系统在不同参数下的吸能峰值，作为第四组数据。

步骤11：分析第三组数据与第四组数据，建立约束系统参数与其吸能的关系，得出关系B。

步骤12：将关系A与关系B建立联系，利用此方法即可对乘员约束系统进行优化。具体地：从关系A中可知，安全肩带、安全腰带和汽车座椅吸能越多，防火墙及地板吸能越少时，乘员损伤值WIC越小，即约束系统对乘员的保护作用越好。所以在关系B得到的公式中，分别在参数范围内取对应的最大最小值，此时的参数组合，即为约束系统性能最优的组合。

优选地，在所述步骤1中，测量相关曲线包括车辆的碰撞减速度曲线，乘员头部加速度曲线、胸部加速度曲线、髋部加速度曲线、腿部径向力曲线，以及安全肩带力与安全腰带力对应曲线。

优选地，在所述步骤2中，建立车辆正碰仿真模型。包括构建车身模型，假人的导入与定位，建立乘员约束系统模型，定义各部件的载荷特性与接触，以及载入碰撞波形。

优选地，在所述步骤2中，构建车身模型，包括挡风玻璃、仪表板、转向系统、汽车座椅、油门踏板的建模。

优选地，在所述步骤2中，选用HybridШ第50百分位男性假人，采用预模拟和试验数据相结合的方式进行假人定位。

优选地，在所述步骤2中，建立乘员约束系统模型中安全肩带与腰带采用有限元和多刚体结合的方式建模。安全气囊首先三维建模，进行网格划分后，得到有限元模型。

优选地，在所述步骤2中，定义与实车试验数据一致的各部件载荷和接触特性。

优选地，在所述步骤2中，将实车试验中，车辆B柱下方测得的加速度曲线及重力场，赋予仿真模型。

优选地，在所述步骤3中，正面碰撞仿真模型的验证遵循从下至上原则，获取软件输出的大腿力曲线，髋部、胸部和头部的加速度曲线，将其与试验采集曲线进行对比。主要验证曲线的起始时刻，峰值大小，峰值时刻，波形形状是否基本相符。

优选地，在所述步骤4中，通过灵敏度分析的方式筛选出主要约束系统参数，作为设计变量。用头部损伤值HIC_36ms、胸部3毫秒加速度C_3ms、胸部压缩量D、大腿的径向力F_F以及小腿的径向力Fc作为约束变量，以乘员综合损伤指标WIC值作为优化目标。通过正交试验的方法获得各组试验中的乘员损伤值。其中，头部损伤值HIC_36ms的计算公式如下所示：

式中a(t)是在T₀≤t≤T_E时间段内，头部质心处合成加速度；T₀是碰撞开始时刻；T_E是碰撞结束时刻；法规中规定将计算前排乘员HIC的时间间隔(t₂-t₁)定为36ms。

乘员综合损伤指标WIC值的计算公式如下所示：

式中，0.6、0.35和0.05分别代表损伤指标加权系数；HIC_36ms为头部伤害评价指标；C_3ms为胸部3MS准则的值，单位为g；D为胸部压缩量，单位为m；F_l为左大腿骨轴向力，单位为kN；F_r为右大腿骨轴向力，单位为kN。

优选地，在所述步骤5中，乘员部位划分时，头部包括头部和颈部，胸部包括胸部和上肢，腿部包括大腿、小腿和脚。

优选地，所述步骤6的实现包括：用命令语句在MADYMO中定义多刚体、有限元及相互间的接触，并定义节点力和能量输出。经过MADYMO运算，利用HyperGraph，选取有限元能量和多刚体能量，计算和输出相应曲线。

优选地，所述步骤7的实现：根据乘员各部位的连接关系以及试验录像和仿真动画，分析乘员各部位的能量耗散方式。提取出各个约束子系统吸收乘员的能量曲线。

优选地，在所述步骤8中，采用直线拟合与二次多项式拟合回归模型构建约束系统吸能与乘员损伤值的关系。

优选地，在所述步骤8中，所得具体关系式如下所示：

安全肩带吸能峰值与WIC值关系：Y₁＝-1322X+2516。

式中，X为WIC值；Y₁为安全肩带吸能峰值，单位为J。

安全腰带吸能峰值与WIC值关系：Y₂＝-705.5X+2256。

式中，X为WIC值；Y₂为安全腰带吸能峰值，单位为J。

汽车座椅吸能峰值与WIC值关系：Y₃＝1721X²-1697X+766.5。

式中，X为WIC值；Y₃为汽车座椅吸能峰值，单位为J。

防火墙及地板吸能峰值与WIC值关系：Y₄＝388.5X+516。

式中，X为WIC值；Y₄为防火墙及地板吸能峰值，单位为J。

优选地，在所述步骤8中，所得关系A即为WIC值与约束系统能量峰值相关性较强、与安全肩带、安全腰带以及汽车座椅吸能峰值成负相关、与防火墙及地板的吸能峰值成正相关。当约束系统能量分配给安全肩带、安全腰带和汽车座椅的能量越多，分配给防火墙的能量越少时，WIC值越低，约束系统对乘员的保护性能越好。

优选地，在所述步骤11中，所得具体关系式如下所示：

安全肩带参数与其吸能峰值的关系式：

Y₁＝1967.9-0.0078X₁+0.1365X₂-466.9286X₃-0.0045X₂²+1293.9X₃²

式中，Y₁为安全肩带吸能峰值；X₁为限力器限力值，单位为N；X₂为预紧器点火时间，单位为ms；X₃为织物延伸率。

安全腰带参数与其吸能峰值的关系式：

Y₂＝1881.1-0.0032X₁+0.2371X₂+1011.5X₃-0.0067X₂²-2060.7X₃²

式中，Y₂为安全腰带吸能峰值；X₁为限力器限力值，单位为N；X₂为预紧器点火时间，单位为ms；X₃为织物延伸率。

汽车座椅参数与其吸能峰值的关系式：

Y₃＝342.879+5.2778X₁+3.8992X₂-0.0976X₁²-0.3029X₁X₂-0.5556X₂²

式中，Y₃为汽车座椅吸能峰值；X₁为座椅倾角，单位为°；X₂为座椅刚度，单位为N/m。

汽车防火墙及地板参数与其吸能峰值的关系式：

Y₄＝683.3349-0.4925X₁+50.0686X₂-34.2943X₃+0.0143X₁²+7.7143X₂²+18.3571X₃²

式中，Y₄为汽车防火墙及地板吸能峰值；X₁为膝垫倾角，单位为°；X₂为地板摩擦系数；X₃为膝垫刚度，单位为N/m。

优选地，在所述步骤11中，所得关系B即为根据上述四个关系式，调节各个约束子系统参数，实现安全肩带、安全腰带以及汽车座椅的吸能峰值达最大值，地板与膝垫的吸能峰值达最小值，此时约束系统吸能达最优分布。

本发明创新性地提出了一种根据正面碰撞中约束系统的吸能情况来实现对其性能的优化。本发明的有益效果：

发明所提出的基于能量分析的乘员约束系统优化方法，从约束系统自身出发，分析其在正面碰撞过程中对乘员能量的吸收，调节约束系统参数，达到最优的保护性能。该方法可更加便捷地实现对乘员约束系统的优化，进而提高其性能。

附图说明

图1是本发明所述方法的流程图。

图2是本发明中车辆正面碰撞的仿真模型图。

图3是本发明中乘员部位划分示意图。

图4是本发明中乘员各部位的能量耗散图。

其中：(a)表示头部能量分布曲线；(b)表示胸部能量分布曲线；(c)表示髋部能量分布曲线；(d)表示腿部能量分布曲线。

图5是本发明中三种典型状态下各个约束子系统的吸能曲线分析图。

图6是本发明中乘员损伤值与各个约束子系统吸能峰值的关系图。

其中：(a)表示WIC值与安全肩带吸能峰值关系；(b)表示WIC值与安全腰带吸能峰值关系；(c)表示WIC值与汽车座椅吸能峰值关系；(d)表示WIC值与防火墙及地板吸能峰值关系。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细说明。

本发明针对现有的乘员约束系统优化方法，创新性地提出从能量分析的角度，选择合适的约束系统参数对其优化，提高其保护性能。

图1表示出了本发明具体实施方式中基于能量分析的乘员约束系统优化方法的流程步骤，具体实施步骤如下：

步骤1：根据中国汽车技术研究中心2015年版的C-NCAP管理规则，进行车辆正面100％重叠刚性壁障碰撞试验。并在试验过程中测量车辆、约束系统以及乘员的相关曲线。

在本发明具体实施例中，上述相关曲线包括车辆的碰撞减速度曲线，乘员头部加速度曲线、胸部加速度曲线、髋部加速度曲线、腿部径向力曲线，以及安全肩带力与安全腰带力对应曲线。

步骤2：根据车辆正面碰撞试验的相关数据，利用MADYMO软件建立正碰仿真模型，如图2所示。

在本发明具体实施例中，建立车辆正面碰撞模型包括构建车身模型，假人的导入与定位，建立乘员约束系统模型，定义各部件的载荷特性与接触，以及载入碰撞波形。

其中构建车身模型，包括挡风玻璃、仪表板、转向系统、汽车座椅、油门踏板的建模。

上述假人的导入与定位，即调用MADYMO模型库中的HybridШ第50百分位男性假人，采用预模拟和试验数据相结合的方式进行假人定位。

建立乘员约束系统模型时，安全肩带与腰带采用有限元和多刚体结合的方式建模。安全气囊建立CAD模型，利用HYPERMESH进行网格划分，最后在MADYMO的FOLDER模块下自动折叠。

其中，定义各部件的载荷特性与接触时，定义与实车试验数据一致的各部件载荷和接触特性。

载入碰撞波形时，将实车试验中，将车辆B柱下方测得的加速度曲线及重力场赋予仿真模型。

步骤3：车辆正面碰撞仿真模型的验证。判断与实车试验是否相符。如果相符则转入步骤4；如果不相符，则转入步骤2。直至符合试验情形，即模型有效。

上述正面碰撞仿真模型的验证遵循从下至上原则，获取软件输出的大腿力曲线，髋部、胸部和头部的加速度曲线，将其与试验采集曲线进行对比。主要验证曲线的起始时刻，峰值大小，峰值时刻，波形形状是否基本相符，两者间误差应控制在5％以内。

步骤4：采用常规方式优化车辆正碰模型，在优化过程中获得乘员损伤值，作为第一组数据。

在本发明具体实施例中，用常规方式优化车辆正碰模型即通过灵敏度分析的方式筛选出主要约束系统参数，作为设计变量。用头部损伤值HIC_36ms、胸部3毫秒加速度C_3ms、胸部压缩量D、大腿的径向力F_F以及小腿的径向力Fc作为约束变量，以乘员综合损伤指标WIC值作为优化目标。通过正交试验的方法获得各组试验中的乘员损伤值。其中，头部损伤值HIC_36ms的计算公式如下所示：

式(1)中a(t)是在T₀≤t≤T_E时间段内，头部质心处合成加速度；T₀是碰撞开始时刻；T_E是碰撞结束时刻；法规中规定将计算前排乘员HIC的时间间隔(t₂-t₁)定为36ms。

乘员综合损伤指标WIC值的计算公式如下所示：

式(2)中，0.6、0.35和0.05分别代表损伤指标加权系数；HIC_36ms为头部伤害评价指标；C_3ms为胸部3MS准则的值，单位为g；D为胸部压缩量，单位为m；F_l为左大腿骨轴向力，单位为kN；F_r为右大腿骨轴向力，单位为kN。

步骤5：按照C-NCAP法规对乘员损伤值的评价以及乘员各部位间的连接关系，将乘员划分为头部、胸部、髋部和腿部四个部分，如图3所示。

上述乘员部位划分时，是进行广义的划分，即头部包括头部和颈部，胸部包括胸部和上肢，腿部包括大腿、小腿和脚。

步骤6：根据能量分析理论，以MADYMO和HyperGraph软件辅助，计算并输出乘员各部位的能量曲线，如图4所示。

在本发明具体实施例中，利用能量分析公式进行能量计算，公式如下所示：

式(3)中，W_Total为总能量；v为碰撞速度，单位为m/s；M为模型质量,单位为kg；a为碰撞加速度，单位为m/s²；C为阻尼系数；K为弹性模量；l为变形量，单位为m；F_ext为外界载荷作用力，单位为N。

在本发明具体实施例中，用命令语句在MADYMO中定义多刚体、有限元及相互间的接触，并定义节点力和能量输出。经过MADYMO运算，利用HyperGraph，选取有限元能量和多刚体能量，计算和输出相应曲线。

步骤7：去除乘员各部位间内部的能量传递，获得各约束子系统的吸能曲线，并得到各约束子系统的吸能峰值，作为第二组数据。

根据乘员各部位的连接关系以及试验录像和仿真动画，分析乘员各部位的能量耗散方式。提取出各个约束子系统吸收乘员的能量曲线，如图5所示。

步骤8：分析第一组数据和第二组数据，利用MATLAB拟合回归模型建立各个约束子系统吸能峰值与乘员损伤值之间的关系，如图6所示。

在本发明具体实施例中，主要采用直线拟合与二次多项式拟合回归模型构建约束系统吸能与乘员损伤值的关系，具体关系式如下所示：

安全肩带吸能峰值与WIC值关系：

Y₁＝-1322X+2516(4)

式(4)中，X为WIC值；Y₁为安全肩带吸能峰值，单位为J。

安全腰带吸能峰值与WIC值关系：

Y₂＝-705.5X+2256(5)

式(5)中，X为WIC值；Y₂为安全腰带吸能峰值，单位为J。

汽车座椅吸能峰值与WIC值关系：

Y₃＝1721X²-1697X+766.5(6)

式(6)中，X为WIC值；Y₃为汽车座椅吸能峰值，单位为J。

防火墙及地板吸能峰值与WIC值关系：

Y₄＝388.5X+516(7)

式(7)中，X为WIC值；Y₄为防火墙及地板吸能峰值，单位为J。

在本发明具体实施例中，所得关系A即为WIC值与约束系统能量峰值相关性较强，与安全肩带、安全腰带以及汽车座椅吸能峰值成负相关，与防火墙及地板的吸能峰值成正相关。当约束系统能量分配给安全肩带、安全腰带和汽车座椅的能量越多，分配给防火墙的能量越少时，WIC值越低，约束系统对乘员的保护性能越好。

步骤9：选取与乘员损伤值存在较强相关关系的约束子系统，根据实际情况，选择系统的主要参数及其取值范围，作为第三组数据。

在本发明具体实施例中，与乘员损伤值存在较强相关关系的约束子系统为安全肩带、安全腰带、座椅、地板与膝垫。

其中，影响安全肩带与安全腰带性能的主要参数是安全带限力器限力值、安全带预紧器点火时间和安全带织物刚度；影响座椅性能的主要参数是座椅倾角和座椅刚度；影响地板的主要参数是摩擦系数；影响膝垫性能的主要参数是膝垫刚度和安装角度。

步骤10：分别计算各个子约束系统在不同参数下的吸能峰值，作为第四组数据。

步骤11：分析第三组数据与第四组数据，建立约束系统参数与其吸能的关系，得出关系B。

在本发明具体实施例中，所得具体关系式如下所示：

安全肩带参数与其吸能峰值的关系式：

Y₁＝1967.9-0.0078X₁+0.1365X₂-466.9286X₃-0.0045X₂²+1293.9X₃²(8)

式(8)中，Y₁为安全肩带吸能峰值；X₁为限力器限力值，单位为N；X₂为预紧器点火时间，单位为ms；X₃为织物延伸率。

安全腰带参数与其吸能峰值的关系式：

Y₂＝1881.1-0.0032X₁+0.2371X₂+1011.5X₃-0.0067X₂²-2060.7X₃²(9)

式(9)中，Y₂为安全腰带吸能峰值；X₁为限力器限力值，单位为N；X₂为预紧器点火时间，单位为ms；X₃为织物延伸率。

汽车座椅参数与其吸能峰值的关系式：

Y₃＝342.879+5.2778X₁+3.8992X₂-0.0976X₁²-0.3029X₁X₂-0.5556X₂²(10)

式(10)中，Y₃为汽车座椅吸能峰值；X₁为座椅倾角，单位为°；X₂为座椅刚度，单位为N/m。

汽车防火墙及地板参数与其吸能峰值的关系式：

Y₄＝683.3349-0.4925X₁+50.0686X₂-34.2943X₃+0.0143X₁²+7.7143X₂²+18.3571X₃²(11)

式(11)中，Y₄为汽车防火墙及地板吸能峰值；X₁为膝垫倾角，单位为°；X₂为地板摩擦系数；X₃为膝垫刚度，单位为N/m。

在本发明具体实施例中，所得关系B即为根据上述四个关系式(8)～(11)，调节各个约束子系统参数，实现安全肩带、安全腰带以及汽车座椅的吸能峰值达最大值，地板与膝垫的吸能峰值达最小值，此时约束系统吸能达最优分布。

步骤12：将关系A与关系B建立联系，利用此方法即可对乘员约束系统进行优化。具体地：从关系A中可知，安全肩带、安全腰带和汽车座椅吸能越多，防火墙及地板吸能越少时，乘员损伤值WIC越小，即约束系统对乘员的保护作用越好。所以在关系B得到的公式中，分别在参数范围内取对应的最大最小值，此时的参数组合，即为约束系统性能最优的组合。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。