[发明专利]基于能量分析的乘员约束系统优化方法

权利要求书

1.基于能量分析的乘员约束系统优化方法，其特征在于，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，建立车辆正面碰撞模型；

步骤3：验证车辆正面碰撞模型，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面碰撞模型，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：根据能量分析理论，计算并输出乘员各部位的能量曲线；

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；

步骤8：分析第一组数据和第二组数据，利用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，得出关系A；

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，选择各个约束子系统的参数及其取值范围，作为第三组数据；

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；

步骤12：将关系A与关系B建立关系，利用此关系即可对乘员约束系统进行优化；

所述步骤4中的具体实现：通过灵敏度分析的方式筛选出约束系统参数，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F_c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；规定将计算前排乘员HIC的时间间隔设为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为头部损伤值；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；

所述步骤6中利用能量分析的计算公式如下所示：

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；

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；

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；所得关系具体公式如下：

WIC值与安全肩带吸能峰值关系：Y₁＝-1322X+2516；

WIC值与安全腰带吸能峰值关系：Y₂＝-705.5X+2256；

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

WIC值与汽车防火墙及地板吸能峰值关系：Y₄＝388.5X+516；

所述关系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；

所述步骤11中建立约束系统参数与其吸能的关系具体如下：

安全肩带参数与其吸能峰值的关系式为：

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为：

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为：

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如下所示：

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；

所述关系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。