（光学工程专业论文）基于稳健性优化的乘员约束系统性能改进.pdf

a p p l i c a t i o ns t u d yo nr o b u s t n e s so p t i m i z a t i o nd e s i g ni no c c u p a n t r e s t r a i n ts y s t e md e v e l o p m e n t b y p e il e i b e ( q i n g d a ot e c h n o l o g i c a lu n i v e r s i t y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g l n a u t o m o t i v ee n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a n u n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rc h e n g a i g u o m a y ，2 0 1 1 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：囔磊 日期：训年p 月c 尸日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在一年解密后适用本授权书。 2 不保密财。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名： 甏扔 导师签名：( 武曼 日期：锄i f年r 月f 7 日 日期：为l f 年s 月f 日 ， ：- ， 基于稳健性优化的乘员约束系统性能改进 摘要 随着社会的不断进步和国民经济的快速发展，汽车保有量不断增加，汽车在 改善人们生活品质的同时，汽车交通事故也成为危害人类生命财产安全的重大社 会问题。汽车安全已成为车辆工程产业界、学术界和政府部门关注的热点问题。 如何最大限度地保证碰撞时乘员的安全，提高汽车被动安全性能已经成为各汽车 厂商在研发新车型时的一项重要主题。 因为实车碰撞费用巨大加之实验数据难以收集且产品的开发周期过长，所以 计算机仿真模拟技术作为行之有效的汽车安全性研究方法被日益得到认可。目前 进行约束系统仿真性能优化的时候大部分都是针对安全带、安全气囊、方向盘和 座椅的特性进行优化，往往忽略不确定因素的影响。当设计变量产生波动或者碰 撞条件变化时，优化目标就会超出约束界限，导致设计失效，延长产品开发周期， 增加成本。传统的确定性的仿真优化结果不能保证系统对设计变量和不可控噪声 因素的稳健性。 标准配置的微型客车为降低成本往往不带安全气囊，在正面碰撞过程中，乘 员易受到严重伤害。本文建立并验证了某微型客车驾驶员侧正碰约束系统的分析 模型；并将试验设计、稳健性理论和田口鲁棒设计方法相结合，构造了乘员约束 系统的稳健性优化设计方法。从综合性能最好的角度进行参数的优化组合，最大 限度的发挥安全带上挂点位置、座椅刚度、下轮缘刚度及安全带刚度的约束效能， 在未配置安全气囊的情况下实现了对设计目标的优化并提高了目标函数的稳健性 及可靠度。 论文研究表明：在约束系统性能优化中，本文采用的基于田口鲁棒设计的稳 健性优化方法和优化流程是十分有效的。与仅采用试验设计得出的确定性优化结 果相比较，采用该方法既实现了对设计目标的优化，同时也大幅度提高了设计变 量的可靠度和目标函数的稳健性。该方法具有较强的工程实用性。 关键词：汽车安全；正面碰撞；约束系统仿真；稳健性优化；田口鲁棒设计； l l j 硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fs o c i e t ya n de c o n o m y , t h ea m o u n to fa u t o m o b i l e i n c r e a s e s ，t h ea u t o m o b i l eh a si m p r o v e dp e o p l e sq u a l i t yo fl i f e ，m e a n w h i l et r a f f i c a c c i d e n t sh a v eb e c o m eah a z a r dt oh u m a nl i f ea n dp r o p e r t ya sam a j o rs o c i a lp r o b l e m v e h i c l es a f e t yh a sb e c o m eah o t s p o ti nv e h i c l ee n g i n e e r i n gf i e l d s ；a c a d e m i aa n dt h e g o v e r n m e n ta l s op a ym u c ha t t e n t i o nt oi t h o wt oe n s u r et h es a f e t yo fo c c u p a n t s d u r i n gc o l l i s i o n sa n di m p r o v ep a s s i v es a f e t yp e r f o r m a n c eo fv e h i c l e sh a sb e c o m ea n i m p o r t a n tt o p i ca m o n gt h ea u t o m o b i l em a n u f a c t u r e r sw h od e v e l o p e dt h en e wm o d e l s b e c a u s eo ft h e h u g ec o s t so fr e a l v e h i c l ec o l l i s i o n ，t h e e x p e r i m e n t a ld a t a d i f f i c u l tt oc o l l e c ta n dt h ed e v e l o p m e n tc y c l eo fp r o d u c t sa r et o ol o n g ；t h ec o m p u t e r s i m u l a t i o nt e c h n o l o g yi s i n c r e a s i n g l yr e c o g n i z e d a sa ne f f e c t i v es a f e t yr e s e a r c h m e t h o do fv e h i c l e a tp r e s e n t ，w eo f t e nn e g l e c tt h ei n f l u e n c eo ft h eu n c e r t a i n t y d u r i n g p e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n t o f o c c u p a n t r e s t r a i n t s y s t e m ，m o s t l y f i x e do nt h e c h a r a c t e r i s t i co fs a f e t yb e l t ，a i rb a g ，s t e e r i n gw h e e la n ds e a t w h e nt h e d e s i g n v a r i a b l ef l u c t u a t i o n so rc h a n g e si nc o l l i s i o n ，i ta l w a y sl e a dt ot h eo p t i m i z a t i o no b j c o t b e y o n dc o n s t r a i n t s ，t h ed e s i g nf a i l u r e ，l e n g t h e n i n gp r o d u c t sd e v e l o p m e n tp e r i o da n d i n c r e a s i n gc o s t s c o n v e n t i o n a ld e s i g nc a n tg u a r a n t e et h er e l i a b i l i t yo ft h ed e s i g n p a r a m e t e r sa n dt h er o b u s t n e s so fo b j e c t i v ef u n c t i o n i no r d e rt ol o w e rc o s t s ，t h em i n i b u sw i t hs t a n d a r dc o n f i g u r a t i o nd o e sn o to f t e n b r i n gt h ea i rb a g ，t h ep a s s e n g e rv u l n e r a b l et ob ei n j u r e ds e r i o u s l yw h i l ef r o n t a li m p a c t a tt h ef o u n d a t i o no fe s t a b l i s h i n ga n dv e r i f y i n ga no c c u p a n tr e s t r a i n ts y s t e mo fa m i n i b u s ，t h ep a p e re s t a b l i s h e dar o b u s tb a s e d o p t i m i z a t i o nm e t h o do fo c c u p a n t r e s t r a i n ts y s t e m ，c o m b i n i n gt h ea p p l i c a t i o n so fe x p e r i m e n t a ld e s i g n ，r o b u s tt h e o r ya n d t a g u c h ir o b u s td e s i g n c a r r yo nt h eo p t i m i z a t i o ng r o u p i n go ft h ep a r a m e t e ra tt h e p o i n to ft h eb e s tc o m p r e h e n s i v ep e r f o r m a n c e m a xt h er e s t r a i n te f f i c i e n c yo fu p p e r s l i p p i n gp o s i t i o no ft h es e a tb e l t ，s e a ts t i f f n e s s ，b o t t o mr i ms t i f f n e s sa n dw e b b i n g s t i f f n e s s i ta c h i e v e st h eo p t i m i z a t i o no fd e s i g no b j e c ta n de n h a n c e st h er o b u s t n e s s a n dr e l i a b i l i t yo ft h eo b j e c t i v ef u n c t i o ni nt h ec a s eo ft h ea i r b a gi sn o tc o n f i g u r e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h em e t h o da n dp r o c e d u r eb a s e do nt a g u c h ir o b u s td e s i g n a r ee f f e c t i v ei nt h i sp a p e r c o m p a r i n gw i t ht h ed e t e r m i n i s t i co p t i m i z a t i o nr e s u l t sb y u s i n gd e s i g no fe x p e r i m e n t s ，t h em e t h o dn o to n l yt oa c h i e v et h eo p t i m i z a t i o no f d e s i g no b j e c t ，b u ta l s og r e a t l ye n h a n c e st h er e l i a b i l i t yo ft h ed e s i g np a r a m e t e r sa n d i i i t h er o b u s t n e s so fo b j e c t i v ef u n c t i o n t h i sm e t h o di sp r o v e dt oh a v es t r o n g e rp r o j e c t p r a c t i c a b i l i t y k e yw o r d s ：v e h i c l es a f e t y ；f r o n t a li m p a c t ；r e s t r a i n ts y s t e ms i m u l a t i o n ；r o b u s t o p t i m i z a t i o n ；t a g u c h ir o b u s td e s i g n i v 硕士学位论文 目录 学位论文原创性声明i 学位论文版权使用授权书i 摘j 1 9 邑i i a b s t r a c t i i i 目录v 插图索引。v i i i 附表索引x 第1 章绪论。1 1 1 汽车安全问题1 1 2 汽车被动安全研究的意义1 1 3 汽车被动安全研究内容及现状3 1 3 1 被动安全的研究内容3 1 3 2 被动安全国内外研究现状4 1 4 乘员约束系统的研究现状及方法5 1 4 1 乘员约束系统的研究现状5 1 4 2 乘员约束系统的研究方法6 1 5 课题研究内容6 第2 章汽车正面碰撞过程和评价方法8 2 1 正面碰撞过程分析8 2 1 1 正面碰撞的测试方法8 2 1 2 正面碰撞过程分析j 9 2 2 乘员约束系统的评价准则。1 0 2 2 1 乘员的伤害准则1 0 2 2 2 完全伤害评价准则1 4 2 3 车辆碰撞安全的技术法规1 4 2 3 1 国内外正面碰撞法规1 5 2 3 2c n c a p 碰撞评价方法1 7 2 4 本章小结1 7 第3 章仿真分析及稳健性优化理论基础1 9 3 1 仿真分析方法1 9 3 1 1 有限元法1 9 v 基于稳健性优化的乘员约束系统性能改进 3 1 2 多刚体动力学方法2 0 3 2 试验设计2 1 3 2 1 全因子试验设计2 2 3 2 2 正交试验设计2 3 3 2 3 拉丁方试验设计2 4 3 3 稳健性优化设计方法2 4 3 3 1 稳健性理论2 4 3 3 2 田口鲁棒设计2 6 3 4 本章小结2 7 第4 章乘员约束系统仿真模型的建立与验证2 8 4 1 引言2 8 4 2 模型数据的获取2 9 4 2 1 零部件试验2 9 4 2 2 整车碰撞试验3 4 4 3 约束系统仿真模型的建立3 5 4 3 1 车体模型3 6 4 3 2 假人模型3 8 4 3 3 安全带模型3 9 4 3 4 安全气囊模型4 1 4 3 5 接触定义4 2 4 3 6 模型的输入和输出。4 3 4 4 约束系统仿真模型的验证4 3 4 5 实际工程算例4 4 4 6 本章小结4 9 第5 章正面碰撞乘员约束系统性能优化5 0 5 1 引言5 0 5 2 设计变量的筛选及优化问题的定义5 0 5 2 1 设计变量的筛选5 0 5 2 2 优化问题的定义5 2 5 3 乘员约束系统的优化设计5 3 5 4 乘员约束系统的稳健性评价。5 6 5 5 本章小结5 8 结论与展望5 9 参考文献6 1 致谢6 4 硕士学位论文 附录a 攻读学位期间所发表的学术论文6 5 l ， 摹于稳健性优化的乘员约束系统性能改进 插图索引 图1 1 美国事故统计和分类3 图2 1g b l l 5 5 1 正碰示意图8 图2 2 汽车正面碰撞及其质量弹簧模型1 0 图2 3 采用等效加速度的车辆正碰质量弹簧模型1 0 图2 4 颈部拉伸和剪切力性能指标“1 2 图2 5 大腿压缩力性能指标图1 3 图2 6c n c a p 星级评价标准1 7 图3 1 空间物体的运动构形1 9 图3 2 空间刚体的运动2 1 图3 3 两因素两水平的全因子试验设计2 3 图3 4 两因素两水平的拉丁方试验设计2 4 图3 5 确定性优化和稳健性优化的差别2 5 图3 6 田口参数设计流程示意图2 6 图3 7 望小特性稳健性优化设计示意图2 7 图4 1 乘员约束系统框架。2 8 图4 2 座垫试验3 0 图4 3 坐垫刚度仿真分析3 0 图4 4 方向盘静态试验3l 图4 5 方向盘动态试验3 1 图4 6 膝垫静态刚度试验一3 2 图4 7 膝垫结构的强度要求3 2 图4 8 安全带静态拉伸试验3 3 图4 9 预紧器织带回拉特性3 3 图4 1 0 限力器示意图“3 4 图4 1 14 0 0 0 n 限力器的试验特性3 4 图4 1 2 撕裂式安全带的拉伸特性3 4 图4 1 3b 柱加速度曲线3 5 图4 1 4 约束系统仿真模型的建立和确认验证流程3 6 图4 1 5 驾驶员侧车体模型3 6 图4 1 6 车体模型的树形结构及连接关系3 8 图4 1 7 假人及数学模型简图3 9 硕士学位论文 图4 1 8 安全带模型示意图_ 4 0 图4 1 9 安全带的定位4 1 图4 2 0 安全气囊的建模流程4 1 图4 2 1 压力容器试验装置4 2 图4 2 2 模型输入条件示意图4 3 图4 2 3 正面碰撞模型验证流程图：4 4 图4 2 4 某车驾驶员侧正面碰撞约束系统模型4 5 图4 2 5 试验与仿真假人响应对比4 7 图4 2 6 试验与仿真动画对比4 9 图5 1 设计变量对w i c 的主要影响图5 1 图5 2 整个优化设计的流程图5 3 图5 3 头部伤害指标响应图。5 4 图5 4 胸部压缩量响应图5 4 图5 5 各变量对头部伤害指标的贡献率5 5 图5 6 各变量对胸部压缩量的贡献率5 5 i x 基于稳健性优化的乘员约束系统性能改进 附表索引 表1 1 碰撞中各种因素的影响l 表1 22 0 0 1 年一2 0 0 9 年我国道路交通事故统计表2 表2 1 简明伤害标准a i s 1 1 表2 2 假人模型的s z 和s f 值1 3 表2 3 各国正面碰撞法规试验方法及评价指标1 5 表3 1l 4 ( 2 3 ) 正交表2 3 表4 1 安全带建模方法优缺点对比表4 0 表4 2 试验和仿真主要损伤指标对比4 7 表5 1 初始设计表5 0 表5 2 正交试验设计5 1 表5 3 变量的取值范围5 2 表5 4 损伤指标的约束范围及参考标准。5 2 表5 5 试验设计及田口方法确定的最优方案比较5 6 表5 6 试验设计的分析因素和水平关系表5 7 表5 7 稳健性分析对比一5 8 x 硕上学位论文 1 1 汽车安全问题 第1 章绪论 自从1 8 8 6 年德国人戴姆勒和本茨发明汽车至今，与汽车相关的安全问题一直 是困扰着汽车制造商、政府部门和整个社会的一大技术难题。汽车安全分为主动 安全和被动安全，其中主动安全是汽车避免发生意外事故的能力；被动安全是汽 车发生意外事故时对乘员进行有效保护的能力1 1 1 。 从技术层面上讲，汽车安全是一个复杂的系统工程，而不是仅仅局限于我们 平常所说的主动安全和被动安全。汽车安全主要涉及人、车和路三个方面，但是 核心内容是对“人 的保护【2 1 。根据时间我们可以将碰撞划分为碰撞前、碰撞中 和碰撞后三个阶段，如表1 1 所示：事故避让和降低碰撞强度是汽车安全的上策， 在事故无法避免时提高汽车耐撞性和加强对乘员的保护是中策，碰撞后对伤员进 行及时有效的救治只能是汽车安全的下策，以上三个环节都很重要，每个环节都 需尽量做到最好，最大限度降低损失。 表1 1 碰撞中各种因素的影响 剿卜强峨 飘 胡鞠叠节j 圈一i 一 一g一 人车路 碰撞前研究事故避让 事故避让的道路设计 ( 事故避让) 教育主动安全交通管理 碰撞中技术及合理应用被动安全 减少伤害的道路设计 ( 乘员保护) 碰撞后通信自动报警 紧急医疗救助 f 伤员救治) 1 2 汽车被动安全研究的意义 众所周知，道路交通事故已成为当今世界人类受伤和死亡的一大公害，严重 威胁人类健康。全世界每年大约1 2 0 万人死于交通事故，另外大约5 0 0 0 万人因道路 交通事故终身致残。据世界卫生组织( w o r l dh e a l t ho r g a n i z a t i o n ) 全世界范围内统 计，每年因道路交通事故造成的经济损失大约在5 1 8 0 亿美元，占全球生产总值的 基于稳健性优化的乘员约束系统十牛能改j f 1 2 。另外w h o 还预测：至1 j 2 0 2 0 年，全球每年因交通事故所引起的伤残和死 亡人数将增j j l ：1 6 5 以上，可见交通事故损伤已经成为整个社会的负担，必须引起 全社会的广泛关注。 随着社会的不断进步和国民经济的快速发展，人民生活水平日益提高，我国 汽车保有量不断增加，从1 9 7 8 年1 4 9 1 万辆的汽车产量发展至u 2 0 0 8 年的9 5 0 万辆， 产量增长了超过6 0 倍，从不足世界产量的1 发展到近1 3 1 3 】1 4 】1 5 】。经历y 2 0 0 8 年 全球金融危机后，2 0 0 9 年在国家振兴政策的推动下全国汽车产销量更是达到了 1 3 7 9 万辆和1 3 6 4 5 万辆，同比分别增长4 8 3 和4 6 1 5 ，产销率高达9 8 9 4 ，2 0 1 0 年全国汽车产销量更是双双突破1 8 0 0 万辆。 汽车工业的高速发展也带来了一系列的问题，如环境污染、能源短缺、交通 安全等。同西方和美国等汽车强国相比，我国的交通安全问题则显得更加严重。 我国是世界上道路交通事故最多的国家之一，近几年，每年的交通事故都有几十 万，致死致伤者数十万，直接经济损失达几十亿元l l j 。 表1 22 0 0 1 年一2 0 0 9 年我国道路交通事故统计表 如表1 2 【6 j 所示，从2 0 0 3 年起，全国交通事故总数、死亡人数和受伤的人数逐 年下降，2 0 0 9 年的事故总数降到不足2 0 0 1 年的3 0 ，受伤人数也大幅度降至1 j 2 0 0 2 年的约5 0 。分析其原因：一方面是人们交通法规意识逐渐加强，另一方面是国 家一些强制性法规的实施，迫使汽车制造厂商努力提高汽车的安全性能，但是从 整体上看我国的交通事故数和死伤人数仍然处在很高的位置。 随着国民经济的快速发展，人民生活水平的不断提高和人们对道路交通安全 意识的增强，汽车工业和道路交通将向更高层次发展，汽车的安全性将被放在更 为重要的位置。由于驾驶员本身、道路环境、车辆技术状况等各种因素的原因， 道路交通事故不可能完全避免，因此如何最大限度地提高车辆的安全性能，加强 碰撞过程中的乘员安全，减少人员伤亡和财产损失，具有十分重要的现实意义。 2 硕士学位论文 汽车作为一个具有复杂结构的高速运动物体，发生碰撞事故时，其碰撞形式 也各式各样，归纳起来与车辆有关的事故包括车与车的碰撞、车与道路上行人的 碰撞、车与障碍物的碰撞。汽车之间的碰撞大致可以分为三大类：正面碰撞、侧 面碰撞和翻滚【7 1 。如图1 1 所示【8 1 ，在美国汽车发生正面碰撞的概率在4 0 左右， 而在日本，正面碰撞中的死亡人数占总死亡人数的7 1 6 【9 1 。因此，研究正面碰撞 中乘员约束系统的保护性能，对降低乘员的伤害非常重要。 r e a r 3 f r o n t 4 0 图1 1 美国事故统计和分类 一 1 3 汽车被动安全研究内容及现状 1 3 1 被动安全的研究内容 汽车安全性与汽车的制动性、动力性、操作稳定性及平顺性等直接或间接相 关，最初对汽车安全性的研究并没有足够的重视，而是和其他的性能交织在一起 研究。随着各国安全法规的相继制定和颁布实施，在法规的制约下各大汽车制造 商为提高产品的竞争力，连同一些研究机构共同开展了汽车安全性的专门研究， 汽车安全性研究逐渐从汽车技术研究的其他领域中分离出来形成了一个独立的分 支【1 0 1 。汽车的安全性包括两方面内容：汽车主动安全性和汽车被动安全性。汽车 被动安全技术主要包括以下三方面的内容： 1 3 1 1 车身结构耐撞性研究 研究汽车车身在碰撞过程中的吸能特性，主要通过改变车身主要吸能部件的 结构，最大限度地通过碰撞过程中车身变形来吸收碰撞能量，降低车体传递给车 内乘员的能量，进而降低乘员损伤。车身结构耐撞性的研究是整个被动安全性研 究的基础。目前汽车前车身普遍采用的不同界面形状的薄壁吸能筒，就是利用产 生的折叠式塑性变形来消耗大量的碰撞动能，达到缓冲吸能的目的【儿j 。 1 3 1 2 碰撞生物力学研究 研究人体各部位在不同碰撞形式下的伤害机理、人体各部位的伤害极限、人 3 基于稳健性优化的乘员约束系统性能改进 体各部位对碰撞载荷的机械响应特性以及碰撞人体替代物等1 1 2 】。碰撞试验本身所 具备的的伤害性决定了在进行碰撞试验时不可能采用真人进行，到目前为止，对 头部、颈部在正碰和侧碰中的伤害机理与忍受极限的研究已经广泛开展并取得了 丰硕的成果，对肩部、胸部和骨盆在侧碰中的伤害也已进行探索。目前，在进行 正碰试验中最常用的假人是福特公司于7 0 年代开发的h y b r i di i 型和h y b r i di i i 假 人。 1 3 1 3 乘员约束系统的研究 研究不同形式的安全气囊和安全带的机械特性，尽量避免人体与驾驶室内饰 部件发生二次碰撞，达到最优的保护性能；研究开发新型座椅、仪表板、吸能式 转向机构与内饰件的吸能衬垫材料，降低二次碰撞时人体的伤害强度，使人体所 受的伤害最小。统计数据表明：佩戴安全带使碰撞事故中乘员伤亡率减少 1 5 3 0 【1 3 】，单独使用安全气囊可以减少3 0 的死亡率，而与安全带配合使用可 以减少4 7 的死亡率1 1 4 j 。 1 3 2 被动安全国内外研究现状 国外从二十世纪五六十年代开始就陆续开展汽车被动安全性的研究，较早开 展汽车被动安全性研究的是美国。早期的汽车被动安全性研究主要是进行简单的 实车碰撞试验，然后发展到台车模拟碰撞试验。8 0 年代以后随着计算机技术的发 展，人们开始了计算机模拟碰撞仿真技术，目前国外在这一领域的相关研究大多 采用该技术。市场上有许多成熟的用于碰撞仿真的商业化有限元软件，较常用的 有：l s d y n a d 5 】1 1 6 】，p a m c r a s h 17 1 ，m a d y m o 1 8 】等。 国外对汽车安全性的仿真研究涉及面相当广泛，在研究内容方面不但包括基 本的车身结构耐撞性、碰撞乘员保护措施、人体生物力学等，而且安全工况复杂， 除正碰、侧碰和偏置碰外，对后碰和翻滚的研究也非常多，目前对于后碰和翻滚 还没有形成正式的政府法规；在保护对象方面除研究第5 0 百分位男性的保护效果 外，还研究第5 百分位女性，1 2 个月、3 岁和6 岁的儿童甚至孕妇的保护效果也被广 泛研究。为促进汽车生产厂商通过技术改进以获得更好的乘员保护效果，美国新 的f m v s s 法规比较详细的规定了对上述乘员保护的试验方法1 1 引。 我国对汽车被动安全性的研究起步较晚，始于上世纪8 0 年代末9 0 年代初，但 在清华大学、湖南大学、吉林大学等高校以及中国汽车技术研究中心的共同努力 下取得了许多可喜的成果。1 9 9 1 年清华大学黄世霖等人建成了中国第一座碰撞模 拟实验台，从此汽车被动安全性的实验研究在中国广泛开展起来。1 9 9 2 年湖南大 学宗子安将d y n a 3 d 介绍进国内，将其应用于汽车碰撞和碰撞假人伤害的模拟计 算。1 9 9 5 年清华大学成立了全国第一个专业研究汽车被动安全机构：汽车安全与 节能国家重点实验室。在汽车乘员的计算机仿真方面，1 9 9 2 年清华大学于旭光【2 0 j 4 硕七学位论文 等人应用多刚体系统动力学中的k a n e 方法，建立了二维人体模型，并对碰撞中安 全带对人体的保护作用进行了研究。1 9 9 7 年吉林工业大学郭九大、林逸等人【2 1 】 利用荷兰国家技术研究院开发的m a d y m o 软件，建立了三维乘员人体模型。截 止到目前北京理工大学、同济大学、湖南大学等都相继完成了轿车车身或轿车整 车的碰撞模拟仿真研究工作【。同时湖南大学在杨济匡教授的带领下进行了大量 的关于人体损伤生物力学研究，建立了头颈部有限元模型并进行了验证，从2 0 0 6 年开始通过与交警合作对大量的交通事故进行调查研究，积累了大量研究数据， 为我国行人方面的研究工作做出突出的贡献1 2 2 j 。 目前在参考国外文献和标准的情况下，我国对正碰第5 0 百分位假人的研究工 作也取得了可喜成绩，保护标准及检测方法已经完善，侧面碰撞、行人保护、追 尾、钻入以及人体损伤生物力学的研究工作正在进行，一些领域如对儿童乘员的 保护和汽车翻滚的研究则刚开始，关于这方面的论文和文献在国内也比较少。计 算机仿真模拟在车身结构碰撞性、约束系统集成优化以及安全气囊模拟和一些接 触算法上也有很大进展。 1 4 乘员约束系统的研究现状及方法 1 4 1 乘员约束系统的研究现状 随着我国制定了汽车被动安全规范关于车辆正面碰撞乘员保护法则 ( c m v d r 2 9 4 ) ，近几年又建立了中国新车评价规程c n c a p ，汽车安全性成为一项 和动力性、经济性同等重要的性能，乘员约束系统的优化则是其中的一个研究重 点。因碰撞试验过于依赖实物，还要反复进行试验修改再试验的迭代过程，不 仅费用高而且开发周期长，随着计算机技术的发展，与车辆碰撞相关的计算机仿 真技术得到了广泛应用，并在乘员保护约束系统的优化设计中发挥着作用。张学 荣等【2 3 j 针对某轿车约束系统进行了试验设计、响应面模型分析和灵敏度分析最终 得出确定性优化结果；林逸等1 2 4 】针对某微型客车对乘员约束系统参数进行分析优 化，对配置区间进行了稳定性分析研究。目前国内对乘员约束系统性能进行优化 设计时，大部分都是针对安全气囊、安全带和座椅的特性进行优化，很少对优化 设计得到的最优目标值的波动进行分析和控制，从而使得到的优化结果的稳健性 和可靠度较差【2 5 1 。当设计变量产生波动或者碰撞条件变化时，优化目标就会超出 约束界限导致设计失效，延长产品开发周期增加成本。 近年来，以试验设计为基础的田口鲁棒设计方法逐步成为产品质量稳健设计 的重要工具。美国通用公司的s b a s k a r l 2 6 j 等采用田口鲁棒设计方法从车门垂直位 移、车身加强板应力和车门应力考虑对车门悬挂系统进行优化，提高了系统稳定 性增强了客户满意度。韩国现代公司的s e y b o kl e e l 2 7 】等将田1 2 1 鲁棒设计方法应用 5 基于稳健性优化的乘员约束系统性能改进 于汽车偏置碰的乘员保护中，在提高保护效能的同时提高了设计的稳定性。目前 国内在汽车研发过程中采用该方法的例子还很少，将该方法应用于汽车被动安全 的研究基本空白。 如何建立正面碰撞乘员约束系统的仿真模型，并对模型的有效性进行验证， 结合试验设计、稳健性理论和田口鲁棒设计方法构造出乘员约束系统的稳健性优 化设计方法，确定各设计变量对设计目标函数值的影响趋势，从综合性能最好的 角度进行参数的优化组合，最大限度的发挥约束系统的约束效能，提高目标函数 的稳健性及可靠度成为本文的主要工作。 1 4 2 乘员约束系统的研究方法 对于汽车正面碰撞乘员约束系统的研究主要从两个角度出发：第一，从约束 系统参数到约束系统性能，即主要研究系统的参数变化对汽车被动安全性能的影 响，被称为正问题；第二，从约束系统性能到约束系统参数，即主要研究如何进 行系统参数的选择和匹配来实现系统安全性能指标，被称为逆问题。随着世界各 国在汽车碰撞安全技术法规中对安全性能的要求越来越高，汽车的安全性能越来 越受到消费者的关注，对汽车碰撞乘员约束系统中逆问题的研究已经得到了人们 的高度重视。 对汽车乘员约束系统的研究途径主要有试验法和仿真法两种。试验法是一种 直接且客观的设计和验证方法，基于实车碰撞试验与事故情形最为接近，更具有 说服力，虽然开发周期相对来说较长，费用昂贵且重复性较差，但截止到目前却 是不可替代的研究途径。随着计算机软、硬件技术的发展和计算方法的不断进步， 汽车市场的竞争日益激烈，为降低开发费用缩短开发周期，提高车型竞争力，在 汽车产品的开发设计过程中各大生产设计厂商必须采用先进的计算机辅助手段， 即仿真模拟方法。 在乘员约束系统的设计开发中，通过仿真模拟方法可以真实的再现碰撞事故 发生时车身结构和内饰部件的变形状态、车内乘员的运动状态、乘员与约束系统 部件的接触关系以及乘员的损伤情况。不能说计算机仿真模拟可以完全脱离试验 或者完全代替试验，因为计算机仿真模拟中建立的汽车整车和人体模型，本身就 存在一定的局限性，如参数设置、材料定义、接触定义等误差或波动，不可能完 全真实反映汽车的整个碰撞过程，计算机仿真结果的正确与否，模型的有效性和 可靠性最终还是需要通过试验来进行验证。 1 5 课题研究内容 乘员约束系统是汽车被动安全研究领域的重要内容，对加强碰撞过程中的乘 员安全，减少人员伤亡，具有十分重要的现实意义。本文以某款正在开发的微型 6 硕士学位论文 客车为研究对象，以g b l l 5 5 1 和c n c a p ( 中国新车安全评价规程) 为评价标准对 其正面碰撞约束系统的保护效能进行研究和改进。本文为改善该车的正面碰撞安 全性和缩短开发周期做了一些大胆有益的尝试，并且得出一套行之有效的方法。 具体研究内容如下： 1 对汽车正面碰撞的过程及测试方法