轿车小偏置碰撞工况中的约束系统仿真分析与优化

摘要

小偏置碰撞工况以64km/h的车速、25%重叠率正面撞击刚性壁障，由于前纵梁等结构吸能不足，导致车身绕Z轴方向转角与乘员舱侵入量相比其他工况明显增大，即使车体结构与约束系统满足100%正面碰撞和40%偏置碰撞工况的法规要求，小偏置碰撞工况下的乘员保护效果仍存在比较大的缺陷。2016年国内女性驾驶员人数9738万人，占驾驶员总人数的27.23%，并且该人数呈逐年上升的趋势，所以女性乘员保护的重要性日益凸显。由于女性乘员在身型和体质等方面与男性存在比较大的差异，导致其在碰撞过程中的伤害机理存在特殊性。目前关于小偏置碰撞工况与女性驾驶员保护的相关评测与研究还比较欠缺。　　本文的主要研究内容：（1）基于物理碰撞试验搭建100%正面碰撞工况下约束系统模型，对安全带和气囊的关键特性进行精细仿真以保证模型的有效性，并基于实验结果对仿真模型进行对标验证。（2）将约束系统模型的边界条件转化为小偏置碰撞工况，对比100%正面碰撞与小偏置碰撞工况下的乘员运动与伤害，总结小偏置碰撞工况对乘员造成的损伤特性。参照法规中乘员运动形式的要求，提出具有针对性的约束系统改进方案。（3）对比法规中男性乘员与女性乘员对应的伤害限值，分析两者各个身体部位伤害耐受性的差异。在相同的约束系统下对比两种假人的运动形式与伤害，分析女性乘员的损伤特点。（4）为优化兼顾女性驾驶员的约束系统参数，应用Isight软件建立相关代理模型：通过灵敏度分析筛选相关参数后确定设计变量，保证男性假人损伤值在C-IASI损伤评价中良好以上水平的基础上同时兼顾男、女性假人综合损伤的改善。通过NSGA-II优化算法得到最优方案并反带入仿真模型中验证，最后分析最优方案的有效性与可行性。　　本文的研究结果显示：（1）针对运动形式复杂、局部变形较大的小偏置碰工况，提出了更为完善的边界条件施加方法，该方法的优势为：相比提取加速度曲线的方式，可以在约束系统模型中更加精准地重现整车碰撞结果中相关车体机构、内饰的运动与变形形式，并且具有兼顾外力响应的能力。（2）针对小偏置碰撞工况造成假人头部从DAB(Driver Airbag)表面滑落并撞击车门内侧的运动缺陷，通过CAB(Curtain Airbag）和异形DAB的双重保护作用有效避免了上述问题。其中异形DAB通过延伸左右两端的展开范围，实现同时兼顾两种工况下乘员保护的目的，即改善小偏置碰撞工况的保护效果，同时降低对100%正面碰撞工况的影响。（3）对比男性与女性驾驶员在相同约束系统下的伤害情况，结果表明由于女性乘员相比男性坐姿低矮靠前，针对男性乘员开发的约束系统无法很好的匹配女性乘员，造成女性假人头部X向加速度、骨盆加速度、左右大腿力相比男性假人分别增加了25.7%、34.8%、52.6%与17.5%，而且发生了乘员下潜的现象。（4）基于代理模型实现兼顾多种乘员的约束系统优化目的。优化方案主要是通过对异形气囊泄气孔面积增大19.75%、点火时间提前23.33%以降低乘员与气囊的接触刚度。最终第五十百分位男性乘员与第五百分位女性乘员的综合损伤WIC值分别改善了14.1%与10.7%，其效果主要体现于头部HIC36与胸部压缩量的降低，并且有效避免了女性乘员下潜。　　本文基于计算机仿真技术，在小偏置碰撞工况下对兼顾女性驾驶员的约束系统进行模型搭建与优化分析，优化包括正面气囊的改进与相关参数的匹配，研究结果可为为轿车相关安全系统的开发提供参考。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 基于不同驾驶员的小偏置碰撞研究现状

1.2.1 国内研究现状

1.2.2 国外研究现状

1.3 小偏置碰撞试验与评价规程

1.3.1小偏置碰撞试验规程

1.3.2 小偏置碰撞评价规程

1.4 研究内容与技术路线

1.4.1 本文的研究内容

1.4.2 本文研究的技术路线

2 仿真模型的建立与有效性验证

2.1 仿真模型的建立

2.1.1 车体系统模型的建立

2.1.2 假人模型的选择与定位

2.1.3 DAB的建模与对标

2.1.4 安全带模块的建立

2.1.5 吸能式转向管柱的建立

2.1.6 座椅模型的调整

2.1.7 连接、接触、边界的定义

2.2 仿真模型有效性验证

2.2.1 运动动画对标

2.2.2 参数曲线对标

2.3 本章小结

3 小偏置碰撞工况下模型的仿真分析

3.1 小偏置碰撞工况下模型的转化与工况分析

3.1.1 小偏置碰撞模型的转化

3.1.2 小偏置碰撞工况特点分析

3.2 小偏置碰撞工况对乘伤害的影响

3.2.1 假人运动形式特点分析

3.2.2 假人损伤特点分析

3.3 约束系统相关配置的改进

3.3.1 CAB的设计与效果验证

3.3.2 DAB的改进与效果验证

3.4 本章小结

4 第五百分位女性假人的损伤分析

4.1 女性乘员损伤耐受性的差异

4.1.1 FMVSS208法规对女性假人的伤害限值

4.1.2 C-NCAP规程对女性假人的伤害限值

4.2 小偏置碰撞工况下女性假人的损伤特点分析

4.2.1 第五百分位女性假人模型的转换

4.2.2 第五百分位女性假人损伤特点分析

4.3 本章小结

5 兼顾女性假人的约束系统参数优化

5.1 代理模型的原理

5.1.1 实验设计

5.1.2 近似代理模型

5.2 优化模型的建立

5.2.1 优化目标选取与约束条件定义

5.2.2 设计变量的筛选

5.2.3 代理模型的建立

5.2.4 多目标优化结果的验证

5.3 小偏置碰撞优化结果分析

5.3.1 运动形式对比

5.3.2 伤害值对比

5.4 优化方案对正面全宽碰撞的影响

5.4.1 运动形式对比

5.4.2 伤害值对比

5.5 本章小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

附录

个人简历、在学期间发表的学术论文及取得的研究成果