汽车侧面碰撞中乘员约束系统的可靠性优化

第３　８卷　２　０　１　１　第９期　年９月　湖南大学学报（自然科学版）　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｈｕｎａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ）　Ｖｏ１．３８。ＮＯ．９　Ｓｅｐ．２　０　１　１　

文章编号：１６７４—２９７４（２０１１）０９—００３９—０５　

汽车侧面碰撞中乘员约束系统的可靠性优化　

肖　志”，叶映台　，李伟平　，杨济匡　

（１．湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室，湖南长沙４１００８２；　２．泛亚汽车技术中心有限公司，上海　２０１２０１）　

摘　要：在汽车侧面碰撞中，约束系统对降低乘员的伤害起到非常重要的作用．本文采　

用ＭＡＤＹＭＯ仿真分析软件，建立某车型侧面碰撞的约束系统仿真模型；考虑了髋部推动　

块的压溃力、气囊起爆时间、气体质量流量和气袋排气孔面积对乘员损伤的影响，建立了乘　

员损伤指标的响应面模型；基于蒙特卡罗随机模拟，进行了侧面碰撞乘员约束系统的可靠性　

优化．结果表明，优化后的约束系统设计方案满足可靠性目标要求．　

关键词：侧面碰撞；约束系统；可靠性；优化　

中图分类号：Ｕ４６１．９１　文献标识码：Ａ　

Ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　

Ｓｙｓｔｅｍ　ｉｎ　Ｓｉｄｅ　ｏｆ　Ｏｃｃｕｐａｎｔ　Ｒｅｓｔｒａｉｎｔ　

Ｉｍｐａｃｔ　Ｔｅｓｔｓ　

ＸＩＡＯ　Ｚｈｉ”。ＹＥ　Ｙｉｎｇ—ｔａｉ　。ＬＩ　Ｗｅｉ—ｐｉｎｇ　，ＹＡＮＧ　ｊｉ—ｋｕａｎｇ　

（１．Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ａｄｖａｎｃｅｄ　Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ　ｆｏｒ　Ｖｅｈｉｃｌｅ　Ｂｏｄｙ，Ｈ　ｕｎａｎ　Ｕｎｉｖ。　Ｃｈａｎｇｓｈａ．Ｈｕｎａｎ　４１００８２－Ｃｈｉｎａ；２．Ｐａｎ　Ａｓｉａ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ　Ｃｅｎｔｅｒ．Ｓｈａｎｇｈａｉ　２０１２０１。Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｒｅｓｔｒａｉｎｔ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｖｅｒｙ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｏｃｃｕｐａｎｔ　ｉｎｊ　ｕｒｙ　ｒｉｓｋｓ　ｉｎ　ｓｉｄｅ　ｉｍｐａｃｔ　

ｔｅｓｔｓ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｔｒａｉｎｔ　ｓｙｓｔｅｍ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃａｒ　ｄｒｉｖｅｒ　ｓｉｄｅ　ｉｎ　ｓｉｄｅ　ｉｍｐａｃｔ　ｗａｓ　ｂｕｉｌｔ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ＭＡＤＹＭＯ　ｓｉｍｕ—　

ｌａｔｉｏｎ　ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｙｉｅｌｄｉｎｇ　ｆｏｒｃｅ　ｏｆ　ｐｅｌｖｉｓ　ｅｎｅｒｇｙ　ａｂｓｏｒｂｅｒ，ａｉｒｂａｇ　ｔｒｉｇｇｅｒｉｎｇ　

ｔｉｍｅ，ｉｎｆｌａｔｏｒ　ｍａｓｓ　ｒａｔｅ　ａｎｄ　ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ　ｈｏｌｅ　ｓｉｚｅ　ｏｎ　ｄｕｍｍｙ　ｉｎｉ　ｕｒｙ　ｒｅｓｕｌｔｓ，ｔｈｅ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ｓｕｒｆａｃｅｓ　ｏｆ　ＯＣＣＵ—　

ｐａｎｔ　ｉｎｊ　ｕｒｙ　ｃｒｉｔｅｒｉａ　ｗｅｒｅ　ｃｒｅａｔｅｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｏｃｃｕｐａｎｔ　ｒｅｓｔｒａｉｎｔ　ｓｙｓｔｅｍ　ｗａｓ　ｃａｒ—　

ｒｉｅｄ　ｏｕｔ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｂａｓｉｓ　ｏｆ　Ｍｏｎｔｅ—Ｃａｒｌｏ　ｓｔｏｃｈａｓｔｉｃ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｈａｖｅ　ｓｈｏｗｎ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ　ｒｅ—　

ｓｔｒａｉｎｔ　ｓｙｓｔｅｍ　ｓｃｈｅｍｅ　ｃａｎ　ｍｅｅｔ　ｔｈｅ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　ｄｅｓｉｇｎ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｉｄｅ　ｉｍｐａｃｔ；ｒｅｓｔｒａｉｎｔ　ｓｙｓｔｅｍ；ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ；ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　

乘员约束系统是汽车碰撞安全性开发的重要组　

成部分．现在的乘员约束系统优化设计，通常是基于　

确定性的设计条件和载荷参数条件的，其目的是提　

高对乘员的保护效果，使损伤风险降到最低水平．然　

而，在现实世界中，系统特性、载荷和边界条件的离　散性是不可忽略的．由于这些输入参数的离散性，造　

成系统的失效几率较高，这对设计工程师来说是不　

能接受的．由于汽车乘员约束系统的高度复杂性和　

非线性，设计方案的可靠性变得非常重要　．　

一个只是在理想情况下才表现出很好性能的系　

收稿日期：２０１ｌ一０３－１７　基金项目：湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室自主研究课题项目资助（６１０７５００４）；中国高水平汽车自主创新能力建设　项目　作者简介：肖　志（１９７７一），男，湖南浏阳人，湖南大学讲师，博士　十通讯联系人，Ｅ—ｍａｉｌ：ｈｎｕｘｉａｏ＠１６３．ｃｏｒｎ

　４０　湖南大学学报（自然科学版）　

统是没有意义的．如图１，如果与理想情况很小的偏　

离（这是在现实世界中无法避免的）会显著地恶化系　

统的性能，这个系统是非稳健的．可靠性意味着在输　

入的离散性和性能的离散性之间寻找一个可接受的　

平衡　．　

输入量ｌ　

输入量２　

输入量１　

输入量２　输入　输出　输出量１　

输出量２　

输出量３　

输出量１　

输出量２　

输出量３　的部位也使用了ＰＳＭ方法控制其强制运动　］．　

座椅使用多刚体方法进行模拟，其运动通过给　

座椅的固定点施加给定运动来进行控制．　

仿真模型建立之后，对仿真计算结果和碰撞试　

验结果进行对比，结果如表ｌ所示．从表１可以看　

到，胸部、腹部和骨盆的伤害指标误差均控制得较　

好，模型可用于下一步的研究．　表１试验和仿真结果的对比　Ｔａｂ．１　Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｏｆ　ｔｅｓｔ　ａｎｄ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　

图Ｉ　可靠性系统和非可靠性系统　Ｆｉｇ・　Ｒ　ｅ　ａ“ｄ　ｕｍ　ｙｓ　ｍ　２　约束系统的可靠性优化　

本文在Ｃ—ＮＣＡＰ　５０　ｋｍ／ｈ的侧面碰撞乘员约　

束系统模型中引入了离散性，在此基础上对乘员约　

束系统进行了可靠性优化，提高了系统的可靠性．　

１侧面碰撞约束系统模型的建立　

采用多刚体动力学分析软件ＭＡＤＹＭＯ建立　

了侧面碰撞的乘员约束系统仿真模型．该模型包括　

整车中的一些能直接影响乘员载荷传递的部件．模　

型主要包括车门、Ａ柱、Ｂ柱、座椅、地板、假人和侧　

碰胸部气囊等．车门包括内板、内饰板和多刚体的髋　

部泡沫推动块，模型如图２所示．　

图２侧面碰撞乘员约束系统仿真模型　Ｆｉｇ．２　Ｏｃｃｕｐａｎｔ　ｒｅｓｔｒａｉｎｔ　ｓｙｓｔｅｍ　ｍｏｄｅｌ　ｉｎ　ｓｉｄｅ　ｉｍｐａｃｔ　

车门内板、Ａ柱、Ｂ柱和地板等部件采用有限元　

方法准确模拟外形，其边界条件通过ＭＡＤＹＭＯ软　

件中的规定结构运动（ＰＳＭ）的方法来设定，部件的　

运动由节点位移来描述，节点位移从整车侧面碰撞　

有限元分析结果中得出．车门内饰板在与车门连接　在汽车侧面碰撞中，髋部推动块的压溃力（Ｆ）、　

胸部气囊的起爆时间（了、）、气体发生器质量流量　

（Ｍ）和排气孔大小（Ａ）对假人的伤害值有很大的影　

响，所以被作为设计参数．本文通过对这些参数的优　

化，提高侧面碰撞的安全性．　

２．１优化问题　

参照ＦＭＶＳＳ２０８中提出的正面碰撞伤害评估　

值ＷＩＣ，根据侧面碰撞各项伤害值，提出将侧面碰　

撞中乘员各项伤害值（多目标）用正则化并加权的方　

法综合到一起，定义一个侧面碰撞的综合伤害评估　

值ＷＩＣ，定义如下　］：　

ＷｌＣ－－０．３（　＋　）＋　

Ｏ．２（　＋　）　

式中０．３和０．２为伤害指标的加权系数，表明该类　

型伤害的重要程度．ＷＩＣ值越低，表明侧面碰撞中　

乘员的损伤程度越小．ＲＤＣ为胸部肋骨压缩变形量　

（ｒａｍ），ＶＣ为胸部粘性指标（ｍ／ｓ），ＡＰＦ为腹部性　

能指数（ｋＮ），ＰＳＰＦ为骨盆性能指数（ｋＮ）．　

侧面碰撞约束系统的确定性优化描述如下．　

目标：　

Ｍｉｎｉｍｉｚｅ　ＷＩＣ　

约束条件：　

ＲＤＣ≤３２　ｍｍ　

ＶＣ≤０．４　ｍ／ｓ　

ＡＰＦ≤１．２　ｋＮ　

ＰＳＰＦ≤３．２　ｋＮ　第９期　肖　志等：汽车侧面碰撞中乘员约束系统的可靠性优化　４１　

相应的，如果要求系统的可靠性为９５　，则侧　

面碰撞约束系统的可靠性优化可描述如下．　

目标：　

Ｍｉｎｉｍｉｚｅ　ＷＩＣ９５　

约束条件：　

Ｐ　ｒ　ＲＤＣ＜３２ｍｍ］≥９５％　

Ｐ［ＶＣ＜０．４ｍ／ｓ］≥９５　

Ｐ　ｒ　ＡＰＦ＜１．２ｋＮ］≥９５　

Ｐ　ｒ　ＰＳＰＦ＜３．２ｋＮ］≥９５％　

其中Ｐ　ＥＲＤＣ＜３２ｍｍ］是指采用某个设计样　

本点时，考虑输入变量的随机性，ＲＤＣ＜３２　ｍｍ的　

概率，其他类推．ＷＩＣ。　表示是指采用某个设计样　

本点时，考虑输人变量的随机性，ＷＩＣ随机输出离　

散点中较小的９５　子集的最大值．虽然可靠性目标　

越接近于１００％越好，但由于系统输入变量的随机　性较大，本文取９５　为可靠性设计目标．　

２．２优化过程　

本研究的可靠性性优化过程包括３个步骤：正　

交试验设计、数学模型回归拟合和可靠性优化设计．　

流程如图３所示，首先，通过正交试验设计获得足够　

的样本点，进行模型的运算；然后基于这些样本拟合　

输出量和输入量的数学近似模型；最后对该数学模　

型进行可靠性优化计算　］．　

为进行试验设计，取各参数的变化范围为：髋部　

推动块的压溃力２～３　ｋＮ；气囊起爆时间０．００６～　

０．０１０　Ｓ；气体质量流量（与初始模型的比值）０．７０～　

１．３０；排气孑Ｌ面积３０６．０～４０８．０　ｍｍ。．在设计空间　

内设计变量Ｆ，丁，Ｍ和Ａ各自选取了５个水平，试　

验设计选择了Ｌ。　（５　）正交试验设计表，如表２　

所示．　

表２试验设计样本值　Ｔａｂ．２　Ｔｅｓｔ　ｍａｔｒｉｘ　ａｎｄ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　

使用ＭＡＤＹＭＯ进行了２５次计算，得到侧碰　假人伤害指标ＲＤＣ，ＶＣ，ＡＰＦ和ＰＳＰＦ的仿真值，　如表２所示，试验设计样本值将用于下一步的数学　

模型回归中．　

在本研究中，使用二次多项式响应模型来近似　

拟合设计变量和侧碰假人损伤指标之间的关系，所　获得的数学模型如下：　

ＲＤＣ一３２．３７９　９５＋２７．８７５　４６Ｍ一４　５７０．７５Ｔ＋　１９．４６８　９２月　一０．１１４　３４ＦＡ　＋２６０．７４９Ｆ『一　０．１４４　８１Ｍ　＋８．６１１　６ＡＴ＋２．７９４　３８９　６１４Ｕ＋　

０．０００　５２７Ａ　

ＶＣ一一０．１５５　５４７＋０．２６２　７８１　８２Ｆ＋０．２４４　８３８ＦＭ