基于联合优化方法的汽车碰撞被动安全性研究

王国春，李奇奇，戴江璐，成艾国，李铁柱

(1.湖南大学，汽车车身先进设计制造国家重点实验室，长沙 410082； 2.安徽江淮汽车股份有限公司技术中心，合肥 230022)

基于联合优化方法的汽车碰撞被动安全性研究

王国春1，李奇奇1，戴江璐1，成艾国1，李铁柱2

(1.湖南大学，汽车车身先进设计制造国家重点实验室，长沙 410082； 2.安徽江淮汽车股份有限公司技术中心，合肥 230022)

针对在传统的整车被动安全性开发中，先整体后局部优化的开发策略不能考虑车身和乘员约束系统的交互效应，而直接全局优化的开发策略因对所有设计变量同时进行优化，使计算量过于庞大等问题，本文中提出了改进的直接全局优化开发策略—基于代理模型技术的多刚体约束系统与车身有限元模型联合优化方法。针对某开发车型进行100%正面碰撞的被动安全性开发，结果表明，在增加计算花费可以接受的前提下，相对于先整体后局部的开发策略，采用改进的直接全局优化开发策略，乘员损伤值有较大幅度的降低。

结构耐撞性；乘员约束系统；代理模型；联合优化

前言

整车的被动安全性开发包括先整体后局部的开发策略和直接全局优化的开发策略两种方法。对于先整体后局部的开发策略包括结构耐撞性研究和乘员约束系统分析两方面。在进行整车被动安全性开发时，其开发流程是：(1)先对车身进行结构耐撞性优化分析；(2)在获得较为理想的车身响应后，以车身响应为输入进行乘员约束系统的参数化匹配；(3)对乘员约束系统的匹配结果进行评价，若乘员损伤结果满足目标要求，则结束优化计算，若不满足要求，则返回车身结构耐撞性开发继续对车身进行优化；(4)重复以上过程，直到乘员损伤结果满足要求为止。流程图见图1。

对于实际的工程问题，虽然该方法需要反复进行多次优化迭代，但是其计算效率和精度依然能够满足工程需求，因此被工业界和学术界广泛应用。对于直接全局优化的开发策略，则是直接对车身和乘员约束系统进行联合建模，在同时考虑车身和约束系统所有设计变量的基础上进行优化分析。虽然理论上该方法相对于先整体后局部的开发方法具有更高的计算精度，但是在实际操作中却存在着模型的建模精度要求过高、涉及的约束参数过多、模型调试时间过长、计算花费过大等缺点，因此在目前的整车被动安全性开发中很少被应用。

3.2 视频反馈实验操作过程，及时矫正实验操作规范实验教学过程中，有很多的实验操作环节需要及时互动，特别是一些学生不规范操作需要及时反馈纠正，一些典型的实验现象需要及时分享与分析，而智能手机既可以拍照、拍视频，又可以利用无线网络与电脑连接，可及时传送到多媒体，实现及时互动与反馈。

文献[1]中参照法规ECE95，通过多刚体分析软件建立侧面碰撞仿真模型，研究了汽车侧面刚度对乘员损伤的影响；文献[2]中运用MADYMO建立正面碰撞乘员约束系统模型，并通过试验设计、灵敏度分析和响应面设计等方法进行最优化设计；文献[3]中通过运用1阶响应面模型和Kriging代理模型来进行灵敏度分析和约束系统的优化；文献[4]中通过建立某轿车的正面碰撞乘员约束系统模型就不同的座椅坐垫倾角对乘员损伤的影响进行分析；文献[5]中针对某乘用车新开发车型，通过建立乘员约束系统模型对胸部侧气囊和侧气帘进行参数化匹配；文献[6]中以ECE R94法规为依据，建立某车型的40%偏置碰撞的CAE仿真模型以研究整车的碰撞性能；文献[7]中针对整车正面碰撞提出了整车正面碰撞“顺序推进法”的对标方法；文献[8]中针对“汽车前横梁改进”项目要求进行整车碰撞的有限元分析。

上述研究对于整车的被动安全性研发做了较多的工作，也取得了一定成果，但基本都是基于先整体后局部的开发策略对结构耐撞性或乘员约束系统中某一方面进行的分析。分析过程中将结构耐撞性和乘员约束系统之间看作线性关系，忽略了它们的交互效应，没有实现车身和乘员约束中各个参数的最优匹配。优化结果往往只是可行解而非最优解。因此，为了达到设计目标的要求，往往需要更高的开发成本。基于以上问题，本文中提出同时考虑车身碰撞加速度和乘员约束系统约束作用两方面因素的改进直接全局优化开发策略——基于代理模型技术的多刚体约束系统与有限元车身的联合优化设计方法，在增加计算花费可以接受的前提下，确保了优化过程的全局性和结果的最优性。同时，针对某CNCAP开发车型的100%正面碰撞的被动安全性设计，应用本文中的多刚体约束系统与车身有限元模型的联合优化方法，较好地实现了预期目标。同时通过与传统的先整体后局部的开发策略的结果进行对比，证明了该方法的有效性。

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1 约束系统模型的建立

整体模型的验证应该遵循由下往上的原则，即先验证下肢、再到髋部、再是胸部，最后才是头部；力和加速度信号曲线的基本特征应与试验保持基本一致[12]，如曲线的整体形状、起始时刻、峰值时刻和峰值等。整体模型验证的主要目的是确保仿真模型中假人的响应尽可能与试验结果保持一致，以达到真实碰撞再现的要求。理想的模型不仅能够预测各种方案对乘员起到的保护效果，还可用来进行约束系统参数优化设计。对于零部件的验证主要是通过一些静态或动态试验来得到零部件本身的一些特性。整车正面碰撞模型的验证过程如图4所示。

图2 车身加速度

图3 乘员约束系统模型

2 约束系统模型的验证

运用MADYMO[9-11]软件建立了主要包括车体、假人和安全带的乘员约束系统模型。由于在汽车的碰撞过程中，乘员舱的变形量较小，同时为了简化模型和提高计算效率，建立了车体的多刚体模型，车体主要包含座椅、地板、防火墙、仪表板和风窗玻璃等。对于安全带的模拟，本文中采用多刚体和有限元结合的混合安全带模型。所提到的乘员损伤值是利用MADYMO人体模型库中的HybridⅢ型第50百分位男性假人测量得到。该乘员约束系统模型的输入为整车碰撞试验中的中央通道和左B柱的平均加速度。由于该车型的开发前期采用先整体后局部的开发策略，因此，碰撞试验中的车身为优化后车身，加速度曲线为优化后加速度曲线。基于先整体后局部的开发思路认为此时车身响应已经满足了目标要求，无需对车身模型做进一步优化。具体的加速度曲线如图2所示，完整的乘员约束系统模型如图3所示。

图4 约束系统模型验证过程

另有研究结果显示，甚至国内的利率政策与A股涨跌的关联度也不甚明了，央行利率政策对股市的影响，在事后看基本是涨跌参半。因此，要获得清晰的大盘研判，应结合指数形态就“势”论市，而不宜就“事”论市，否则很容易在无穷无尽的基本面信息纷扰之中迷失方向。

云城乳业转型发展取得了成功，传统农业企业实现了华丽转身。如今，云城乳业的现代农业园区已被省市列为现代农业示范园区。

由图5可以看出，由于模型中的仪表板刚度和实际有点偏差，且仪表板的变形和破碎很难模拟，导致左右大腿力曲线的偏差较大，但是曲线的趋势和峰值仍然比较接近。而安全带力、骨盆X向加速度、胸部压缩量、胸部合成加速度和头部合成加速度等曲线在整体波形、起始时刻、峰值时刻和峰值等方面都与试验较好地吻合，说明本文中所选用的模型可用于约束系统的优化。

具体仿真得到的假人动力学响应特征曲线与碰撞试验得到的曲线结果对比情况如图5所示。

3 优化分析

对于本车型的开发，所关注的假人损伤指标包括头部的36ms损伤指标HIC36；头部3ms合成加速度指标H3ms；胸部压缩量C；胸部黏性系数VC；左/右大腿压缩力Fl/Fr。各损伤指标的仿真结果和试验结果的对比见表1。

图5 仿真与试验假人响应的对比

表1 CNCAP试验和仿真的损伤结果比较

从表1看出，假人头部的HIC36和H3ms两个指标值基本接近C-NCAP(中国新车评定规范)[13]中的低性能限值，意味着现有约束系统未能较好地保护头部，头部得分接近零分。胸部压缩量指标的得分则接近一半，即2.5分；但是，胸部的VC黏性指标则相对较差，非常接近于低性能限值1m/s。根据C-NCAP中各个部位的评分标准，胸部的得分也基本上接近于零分。因此为保证胸部的得分必须尽量降低胸部VC值，同时还需要尽量降低胸部的压缩量。而大腿力的损伤值远远低于C-NCAP中的高性能限值，对大腿起到了很好的保护作用。同时如果有必要，也可以适当牺牲腿部的性能来提高其他指标，保证系统的整体性能。

为提高计算效率，应用代理模型技术。对于给定的设计变量，通过拉丁超立方试验设计，产生100个设计样本点，用于构造出包括WIC，HIC36，H3ms，VC，C，Fr和Fl的Kriging代理模型。其中设计变量的取值范围见表2。

建立与职业化管理相配套的以绩效、能力、职业道德为核心的职业考核评价体系，出台各职级人员待遇、业绩考核、职业道德考核、立功奖励、职业晋升、责任追究等文件。通过审计职业考核评价体系，对审计人员的工作绩效、工作作风、职业道德遵守等进行全面的记录、考核和测定，作为确定职业等级升降的主要依据。使优秀审计人员能够脱颖而出，使违法违纪违规的审计人员能够得到应有的惩处，维护审计队伍的客观、公正、廉洁、高效。

3.1 先整体后局部的开发策略

式中：g为重力加速度，取9.81m/s2；xil，xiu分别为设计变量的下限和上限。

前面已给出优化后的车身加速度曲线，现在对乘员约束系统进行最优化匹配。其中，安全气囊的主要设计变量包括气囊触发的时间t、泄气孔直径d和拉带长度l，而持续限力式安全带的主要设计变量为限力器的限力水平f。为综合评价乘员的损伤程度，以气囊和安全带的变量为设计变量，以C-NCAP中损伤指标的低性能限值作为边界条件，以乘员损伤的加权指标WIC[17]为最优化目标，进行优化分析。优化模型为

采用单环渗透筒法(单环定水头逐次加水)测定水分在土壤中的渗透速度[10]。测定时将装有原状土柱的环刀下端套上有网孔且垫有滤纸的底盖，上端放置一个相同大小环刀并将接口密封，严防从接口处漏水。将结合好的环刀放在漏斗上，架上漏斗架，漏斗下面承接盛水容器。从上端向环内加水，保持水与环刀上沿基本相平。当漏斗下方滴下第一滴水开始计时，第1、3、5、10、15 min……称量并记录一次通过土柱渗透出的水量，直到单位时间内渗出水量相等为止。计算出不同时段的土壤入渗水量以及土壤的初渗速率和稳渗速率及渗透系数，计算方法参照国家标准《森林土壤渗透性的测定》(GB7838—87)。

本文中旨在改善驾驶员侧假人的头部和胸部的损伤值，提高该款轿车整体的被动安全性。该款轿车配备有安全气囊，可以通过对安全气囊[14-15]进行最优化匹配来提高对头部的保护效果。然而，安全气囊的匹配对胸部的损伤指标如胸部压缩量C，可能起不到显著的效果。因此考虑通过把现有的普通安全带更换为持续限力式安全带来降低安全带对人体作用的峰值载荷，保护乘员的胸部，降低胸部损伤值[16]。通过对安全气囊的优化匹配和采用持续限力式安全带，实现了对乘员头部和胸部的更好保护。

表2 设计变量范围及分布

为验证构造出的WIC的Kriging代理模型精度，从100个试验样本点和全局设计空间内分别随机抽取10个样本点来计算模型的相对误差。图6为代理模型在随机抽取的试验样本点处的相对误差，图7为代理模型在随机抽取的设计空间内的测试样本点处的相对误差。

图6 Kriging模型中各个试验点的相对误差

图7 Kriging模型中各个测试点的相对误差

3.2 改进的直接全局优化开发策略

由图6和图7可以看出，Kriging代理模型各个样本点的相对误差均控制在5%以内，具有较高的精度，可用于代替真实的模型进行最优化分析。在对代理模型的精度进行验证的基础上，通过应用模拟退火方法对代理模型进行优化分析，经过反复迭代得出了确定性的最优解。优化过程见图8。

车身和约束系统的联合参数化方法同时考虑车身关键部件参数和约束系统参数对乘员损伤的影响，利用汽车的正面碰撞加速度曲线来表征汽车的结构耐撞性能，并将其作为离散型设计变量进行输入，同时在考虑约束系统优化的相关输入变量的前提下建立起全局最优化的Kriging模型，结合优化方法来降低乘员损伤。为验证该方法的有效性，将该方法和传统方法同时应用于同一实际工程问题中。具体优化流程如图9所示。

车身变量主要是车身前部结构的板料厚度，分别为T1～T10，如图10所示，其变化范围见表3。

具体的优化过程如下：首先采用拉丁超立方的试验方法，以车身前部结构的板料厚度为设计变量生成100个样本点；然后通过100个样本点获得了100条车身加速度曲线作为约束系统的输入，约束系统的设计变量和范围同上。设计变量为t，d，l和f；接着以车身加速度为离散型设计变量，以约束系统变量为连续型设计变量，通过拉丁超立方试验设计再产生100个样本点，在构造Kriging近似模型时，将不同的加速度编号用车身的设计变量的不同组合来代替，这样就构造了车身和约束系统参数联合的近似模型，构造出WIC，HIC36，H3ms，VC，C，Fl和Fr的Kriging近似模型，即构造了关于T1～T10，t，d，l和f的Kriging近似模型。通过模拟退火方法对近似模型进行最优化分析，经过多次迭代计算得出车身结构和乘员约束系统的联合优化仿真的最优解。

中国作为农业大国，每年产出9亿吨农作物秸秆，即使只用10%来制造秸秆板材，就能消耗掉9000万吨秸秆，并避免秸秆焚烧给环境带来的危害。同时，中国作为人造板需求大国，利用秸秆可减少大量木材需求，从而有效保护森林资源。用秸秆取代木材，利国利民。

图8 传统最优化流程图

图9 联合优化设计方法

图10 优化厚度的零件

表3 车身设计变量的初始值及上下限mm

4 优化结果对比

表4给出了传统的先整体后局部的开发方法和车身与约束系统联合优化方法的最优解，表5给出了车身和约束系统联合优化最优解下的车身板料厚度的匹配情况。

从表4和表5中可以看出，两种方法对于乘员的损伤降低均具有较好的优化效果。对于头部，两种方法优化后两个损伤指标均得到了较大程度的改善。其中，车身和约束系统的联合优化方法所获得的优化结果相对更优，确保了C-NCAP中头部得满分。对于胸部，车身和约束系统联合优化方法相对于传统的优化方法大幅地降低了乘员胸部的损伤值，明显提高了整车对乘员胸部的保护性能。而对于大腿力来说，两种优化方法的优化结果基本持平，其损伤值依然远远低于高性能指标。对比两次优化结果，所采用的车身和约束系统的联合优化方法同时考虑了约束系统参数和车身参数的影响，有效地避免了传统的先整体后局部方法中忽略了约束系统和车身之间交互效应的不足，显著提高了整车的被动安全性，降低了假人损伤。同时该方法在计算花费可以接受的前提下，为车身耐撞性的改进提供了方向。通过对工程算例的应用，表明了该方法具有较高的工程实用价值。

表4 优化设计结果对比

表5 车身板料厚度优化前后结果对比mm

5 结论

分析汽车被动安全性开发中先整体后局部的开发策略和直接全局优化的开发策略两种方法，并针对两种开发策略的优点和不足提出折衷的改进直接全局优化开发策略——基于代理模型技术的汽车多刚体约束系统与有限元车身联合优化设计方法。相对于先整体后局部的开发策略，该方法能同时考虑车身设计参数和约束系统参数的影响，较好地协调了各个参数之间的关系，指导车身修改；而相对于直接全局优化开发策略，该方法免去了模型调试和计算上的巨大花费，具有更高的效率。在增加计算花费可以接受的前提，该方法相对于先整体后局部的开发策略获得了更好的乘员响应结果，为整车的被动安全性设计提供了优化方向。工程算例表明，这种联合优化技术能较好地应用于工程实际问题。

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A Research on the Passive Safety of Vehicle Crash Based on Combined Optimization

Wang Guochun1，Li Qiqi1，Dai Jianglu1，Cheng Aiguo1＆Li Tiezhu2
1.Hunan University，State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body，Changsha410082；2.Center of Technology，Anhui Jianghuai Automobile Co.，Ltd.，Hefei230022

In view of that in traditional vehicle passive safety development，the development strategy with first global then local optimization cannot consider the interaction between car body and occupant restraint system，while the development strategy with direct global optimization requires huge computation efforts due to optimization on all design variables，a modified development strategy with direct global optimization，i.e.surrogate model-based multi-rigid-body restraint system/finite element model combined optimization scheme is proposed in this paper.A passive safety development is conducted on the 100%frontal crash of a vehicle under development with a result showing that compared with the traditional development strategy with first global then local optimization，the modified development strategy with direct global optimization results in significant reduction of occupants injuries with an acceptable minor increase in computing cost.

structural crashworthiness；occupant restraint system；surrogate model；combined optimization

原稿收到日期为2015年7月22日，修改稿收到日期为2015年12月6日。

成艾国，教授，E-mail：cheng_aiguo＠163.com。

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.02.008