基于聯(lián)合優(yōu)化方法的汽車碰撞被動安全性研究

王國春，李奇奇，戴江璐，成艾國，李鐵柱

(1.湖南大學，汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，長沙 410082； 2.安徽江淮汽車股份有限公司技術中心，合肥 230022)

基于聯(lián)合優(yōu)化方法的汽車碰撞被動安全性研究

王國春1，李奇奇1，戴江璐1，成艾國1，李鐵柱2

(1.湖南大學，汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，長沙 410082； 2.安徽江淮汽車股份有限公司技術中心，合肥 230022)

針對在傳統(tǒng)的整車被動安全性開發(fā)中，先整體后局部優(yōu)化的開發(fā)策略不能考慮車身和乘員約束系統(tǒng)的交互效應，而直接全局優(yōu)化的開發(fā)策略因?qū)λ性O計變量同時進行優(yōu)化，使計算量過于龐大等問題，本文中提出了改進的直接全局優(yōu)化開發(fā)策略—基于代理模型技術的多剛體約束系統(tǒng)與車身有限元模型聯(lián)合優(yōu)化方法。針對某開發(fā)車型進行100%正面碰撞的被動安全性開發(fā)，結果表明，在增加計算花費可以接受的前提下，相對于先整體后局部的開發(fā)策略，采用改進的直接全局優(yōu)化開發(fā)策略，乘員損傷值有較大幅度的降低。

結構耐撞性；乘員約束系統(tǒng)；代理模型；聯(lián)合優(yōu)化

前言

整車的被動安全性開發(fā)包括先整體后局部的開發(fā)策略和直接全局優(yōu)化的開發(fā)策略兩種方法。對于先整體后局部的開發(fā)策略包括結構耐撞性研究和乘員約束系統(tǒng)分析兩方面。在進行整車被動安全性開發(fā)時，其開發(fā)流程是：(1)先對車身進行結構耐撞性優(yōu)化分析；(2)在獲得較為理想的車身響應后，以車身響應為輸入進行乘員約束系統(tǒng)的參數(shù)化匹配；(3)對乘員約束系統(tǒng)的匹配結果進行評價，若乘員損傷結果滿足目標要求，則結束優(yōu)化計算，若不滿足要求，則返回車身結構耐撞性開發(fā)繼續(xù)對車身進行優(yōu)化；(4)重復以上過程，直到乘員損傷結果滿足要求為止。流程圖見圖1。

對于實際的工程問題，雖然該方法需要反復進行多次優(yōu)化迭代，但是其計算效率和精度依然能夠滿足工程需求，因此被工業(yè)界和學術界廣泛應用。對于直接全局優(yōu)化的開發(fā)策略，則是直接對車身和乘員約束系統(tǒng)進行聯(lián)合建模，在同時考慮車身和約束系統(tǒng)所有設計變量的基礎上進行優(yōu)化分析。雖然理論上該方法相對于先整體后局部的開發(fā)方法具有更高的計算精度，但是在實際操作中卻存在著模型的建模精度要求過高、涉及的約束參數(shù)過多、模型調(diào)試時間過長、計算花費過大等缺點，因此在目前的整車被動安全性開發(fā)中很少被應用。

3.2 視頻反饋實驗操作過程，及時矯正實驗操作規(guī)范實驗教學過程中，有很多的實驗操作環(huán)節(jié)需要及時互動，特別是一些學生不規(guī)范操作需要及時反饋糾正，一些典型的實驗現(xiàn)象需要及時分享與分析，而智能手機既可以拍照、拍視頻，又可以利用無線網(wǎng)絡與電腦連接，可及時傳送到多媒體，實現(xiàn)及時互動與反饋。

文獻[1]中參照法規(guī)ECE95，通過多剛體分析軟件建立側面碰撞仿真模型，研究了汽車側面剛度對乘員損傷的影響；文獻[2]中運用MADYMO建立正面碰撞乘員約束系統(tǒng)模型，并通過試驗設計、靈敏度分析和響應面設計等方法進行最優(yōu)化設計；文獻[3]中通過運用1階響應面模型和Kriging代理模型來進行靈敏度分析和約束系統(tǒng)的優(yōu)化；文獻[4]中通過建立某轎車的正面碰撞乘員約束系統(tǒng)模型就不同的座椅坐墊傾角對乘員損傷的影響進行分析；文獻[5]中針對某乘用車新開發(fā)車型，通過建立乘員約束系統(tǒng)模型對胸部側氣囊和側氣簾進行參數(shù)化匹配；文獻[6]中以ECE R94法規(guī)為依據(jù)，建立某車型的40%偏置碰撞的CAE仿真模型以研究整車的碰撞性能；文獻[7]中針對整車正面碰撞提出了整車正面碰撞“順序推進法”的對標方法；文獻[8]中針對“汽車前橫梁改進”項目要求進行整車碰撞的有限元分析。

上述研究對于整車的被動安全性研發(fā)做了較多的工作，也取得了一定成果，但基本都是基于先整體后局部的開發(fā)策略對結構耐撞性或乘員約束系統(tǒng)中某一方面進行的分析。分析過程中將結構耐撞性和乘員約束系統(tǒng)之間看作線性關系，忽略了它們的交互效應，沒有實現(xiàn)車身和乘員約束中各個參數(shù)的最優(yōu)匹配。優(yōu)化結果往往只是可行解而非最優(yōu)解。因此，為了達到設計目標的要求，往往需要更高的開發(fā)成本?；谝陨蠁栴}，本文中提出同時考慮車身碰撞加速度和乘員約束系統(tǒng)約束作用兩方面因素的改進直接全局優(yōu)化開發(fā)策略——基于代理模型技術的多剛體約束系統(tǒng)與有限元車身的聯(lián)合優(yōu)化設計方法，在增加計算花費可以接受的前提下，確保了優(yōu)化過程的全局性和結果的最優(yōu)性。同時，針對某CNCAP開發(fā)車型的100%正面碰撞的被動安全性設計，應用本文中的多剛體約束系統(tǒng)與車身有限元模型的聯(lián)合優(yōu)化方法，較好地實現(xiàn)了預期目標。同時通過與傳統(tǒng)的先整體后局部的開發(fā)策略的結果進行對比，證明了該方法的有效性。

134＊＊＊＊2472：小編，半夜偷用手機打字很累的，就讓我上墻吧！據(jù)說上墻能表白成功，我要表白！DDH，我喜歡你，你能給我個機會嗎？我一定會對你非常好的！

1 約束系統(tǒng)模型的建立

整體模型的驗證應該遵循由下往上的原則，即先驗證下肢、再到髖部、再是胸部，最后才是頭部；力和加速度信號曲線的基本特征應與試驗保持基本一致[12]，如曲線的整體形狀、起始時刻、峰值時刻和峰值等。整體模型驗證的主要目的是確保仿真模型中假人的響應盡可能與試驗結果保持一致，以達到真實碰撞再現(xiàn)的要求。理想的模型不僅能夠預測各種方案對乘員起到的保護效果，還可用來進行約束系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化設計。對于零部件的驗證主要是通過一些靜態(tài)或動態(tài)試驗來得到零部件本身的一些特性。整車正面碰撞模型的驗證過程如圖4所示。

圖2 車身加速度

圖3 乘員約束系統(tǒng)模型

2 約束系統(tǒng)模型的驗證

運用MADYMO[9-11]軟件建立了主要包括車體、假人和安全帶的乘員約束系統(tǒng)模型。由于在汽車的碰撞過程中，乘員艙的變形量較小，同時為了簡化模型和提高計算效率，建立了車體的多剛體模型，車體主要包含座椅、地板、防火墻、儀表板和風窗玻璃等。對于安全帶的模擬，本文中采用多剛體和有限元結合的混合安全帶模型。所提到的乘員損傷值是利用MADYMO人體模型庫中的HybridⅢ型第50百分位男性假人測量得到。該乘員約束系統(tǒng)模型的輸入為整車碰撞試驗中的中央通道和左B柱的平均加速度。由于該車型的開發(fā)前期采用先整體后局部的開發(fā)策略，因此，碰撞試驗中的車身為優(yōu)化后車身，加速度曲線為優(yōu)化后加速度曲線。基于先整體后局部的開發(fā)思路認為此時車身響應已經(jīng)滿足了目標要求，無需對車身模型做進一步優(yōu)化。具體的加速度曲線如圖2所示，完整的乘員約束系統(tǒng)模型如圖3所示。

圖4 約束系統(tǒng)模型驗證過程

另有研究結果顯示，甚至國內(nèi)的利率政策與A股漲跌的關聯(lián)度也不甚明了，央行利率政策對股市的影響，在事后看基本是漲跌參半。因此，要獲得清晰的大盤研判，應結合指數(shù)形態(tài)就“勢”論市，而不宜就“事”論市，否則很容易在無窮無盡的基本面信息紛擾之中迷失方向。

云城乳業(yè)轉型發(fā)展取得了成功，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)企業(yè)實現(xiàn)了華麗轉身。如今，云城乳業(yè)的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)已被省市列為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范園區(qū)。

由圖5可以看出，由于模型中的儀表板剛度和實際有點偏差，且儀表板的變形和破碎很難模擬，導致左右大腿力曲線的偏差較大，但是曲線的趨勢和峰值仍然比較接近。而安全帶力、骨盆X向加速度、胸部壓縮量、胸部合成加速度和頭部合成加速度等曲線在整體波形、起始時刻、峰值時刻和峰值等方面都與試驗較好地吻合，說明本文中所選用的模型可用于約束系統(tǒng)的優(yōu)化。

具體仿真得到的假人動力學響應特征曲線與碰撞試驗得到的曲線結果對比情況如圖5所示。

3 優(yōu)化分析

對于本車型的開發(fā)，所關注的假人損傷指標包括頭部的36ms損傷指標HIC36；頭部3ms合成加速度指標H3ms；胸部壓縮量C；胸部黏性系數(shù)VC；左/右大腿壓縮力Fl/Fr。各損傷指標的仿真結果和試驗結果的對比見表1。

圖5 仿真與試驗假人響應的對比

表1 CNCAP試驗和仿真的損傷結果比較

從表1看出，假人頭部的HIC36和H3ms兩個指標值基本接近C-NCAP(中國新車評定規(guī)范)[13]中的低性能限值，意味著現(xiàn)有約束系統(tǒng)未能較好地保護頭部，頭部得分接近零分。胸部壓縮量指標的得分則接近一半，即2.5分；但是，胸部的VC黏性指標則相對較差，非常接近于低性能限值1m/s。根據(jù)C-NCAP中各個部位的評分標準，胸部的得分也基本上接近于零分。因此為保證胸部的得分必須盡量降低胸部VC值，同時還需要盡量降低胸部的壓縮量。而大腿力的損傷值遠遠低于C-NCAP中的高性能限值，對大腿起到了很好的保護作用。同時如果有必要，也可以適當犧牲腿部的性能來提高其他指標，保證系統(tǒng)的整體性能。

為提高計算效率，應用代理模型技術。對于給定的設計變量，通過拉丁超立方試驗設計，產(chǎn)生100個設計樣本點，用于構造出包括WIC，HIC36，H3ms，VC，C，F(xiàn)r和Fl的Kriging代理模型。其中設計變量的取值范圍見表2。

建立與職業(yè)化管理相配套的以績效、能力、職業(yè)道德為核心的職業(yè)考核評價體系，出臺各職級人員待遇、業(yè)績考核、職業(yè)道德考核、立功獎勵、職業(yè)晉升、責任追究等文件。通過審計職業(yè)考核評價體系，對審計人員的工作績效、工作作風、職業(yè)道德遵守等進行全面的記錄、考核和測定，作為確定職業(yè)等級升降的主要依據(jù)。使優(yōu)秀審計人員能夠脫穎而出，使違法違紀違規(guī)的審計人員能夠得到應有的懲處，維護審計隊伍的客觀、公正、廉潔、高效。

3.1 先整體后局部的開發(fā)策略

式中：g為重力加速度，取9.81m/s2；xil，xiu分別為設計變量的下限和上限。

前面已給出優(yōu)化后的車身加速度曲線，現(xiàn)在對乘員約束系統(tǒng)進行最優(yōu)化匹配。其中，安全氣囊的主要設計變量包括氣囊觸發(fā)的時間t、泄氣孔直徑d和拉帶長度l，而持續(xù)限力式安全帶的主要設計變量為限力器的限力水平f。為綜合評價乘員的損傷程度，以氣囊和安全帶的變量為設計變量，以C-NCAP中損傷指標的低性能限值作為邊界條件，以乘員損傷的加權指標WIC[17]為最優(yōu)化目標，進行優(yōu)化分析。優(yōu)化模型為

采用單環(huán)滲透筒法(單環(huán)定水頭逐次加水)測定水分在土壤中的滲透速度[10]。測定時將裝有原狀土柱的環(huán)刀下端套上有網(wǎng)孔且墊有濾紙的底蓋，上端放置一個相同大小環(huán)刀并將接口密封，嚴防從接口處漏水。將結合好的環(huán)刀放在漏斗上，架上漏斗架，漏斗下面承接盛水容器。從上端向環(huán)內(nèi)加水，保持水與環(huán)刀上沿基本相平。當漏斗下方滴下第一滴水開始計時，第1、3、5、10、15 min……稱量并記錄一次通過土柱滲透出的水量，直到單位時間內(nèi)滲出水量相等為止。計算出不同時段的土壤入滲水量以及土壤的初滲速率和穩(wěn)滲速率及滲透系數(shù)，計算方法參照國家標準《森林土壤滲透性的測定》(GB7838—87)。

本文中旨在改善駕駛員側假人的頭部和胸部的損傷值，提高該款轎車整體的被動安全性。該款轎車配備有安全氣囊，可以通過對安全氣囊[14-15]進行最優(yōu)化匹配來提高對頭部的保護效果。然而，安全氣囊的匹配對胸部的損傷指標如胸部壓縮量C，可能起不到顯著的效果。因此考慮通過把現(xiàn)有的普通安全帶更換為持續(xù)限力式安全帶來降低安全帶對人體作用的峰值載荷，保護乘員的胸部，降低胸部損傷值[16]。通過對安全氣囊的優(yōu)化匹配和采用持續(xù)限力式安全帶，實現(xiàn)了對乘員頭部和胸部的更好保護。

表2 設計變量范圍及分布

為驗證構造出的WIC的Kriging代理模型精度，從100個試驗樣本點和全局設計空間內(nèi)分別隨機抽取10個樣本點來計算模型的相對誤差。圖6為代理模型在隨機抽取的試驗樣本點處的相對誤差，圖7為代理模型在隨機抽取的設計空間內(nèi)的測試樣本點處的相對誤差。

圖6 Kriging模型中各個試驗點的相對誤差

圖7 Kriging模型中各個測試點的相對誤差

3.2 改進的直接全局優(yōu)化開發(fā)策略

由圖6和圖7可以看出，Kriging代理模型各個樣本點的相對誤差均控制在5%以內(nèi)，具有較高的精度，可用于代替真實的模型進行最優(yōu)化分析。在對代理模型的精度進行驗證的基礎上，通過應用模擬退火方法對代理模型進行優(yōu)化分析，經(jīng)過反復迭代得出了確定性的最優(yōu)解。優(yōu)化過程見圖8。

車身和約束系統(tǒng)的聯(lián)合參數(shù)化方法同時考慮車身關鍵部件參數(shù)和約束系統(tǒng)參數(shù)對乘員損傷的影響，利用汽車的正面碰撞加速度曲線來表征汽車的結構耐撞性能，并將其作為離散型設計變量進行輸入，同時在考慮約束系統(tǒng)優(yōu)化的相關輸入變量的前提下建立起全局最優(yōu)化的Kriging模型，結合優(yōu)化方法來降低乘員損傷。為驗證該方法的有效性，將該方法和傳統(tǒng)方法同時應用于同一實際工程問題中。具體優(yōu)化流程如圖9所示。

車身變量主要是車身前部結構的板料厚度，分別為T1～T10，如圖10所示，其變化范圍見表3。

具體的優(yōu)化過程如下：首先采用拉丁超立方的試驗方法，以車身前部結構的板料厚度為設計變量生成100個樣本點；然后通過100個樣本點獲得了100條車身加速度曲線作為約束系統(tǒng)的輸入，約束系統(tǒng)的設計變量和范圍同上。設計變量為t，d，l和f；接著以車身加速度為離散型設計變量，以約束系統(tǒng)變量為連續(xù)型設計變量，通過拉丁超立方試驗設計再產(chǎn)生100個樣本點，在構造Kriging近似模型時，將不同的加速度編號用車身的設計變量的不同組合來代替，這樣就構造了車身和約束系統(tǒng)參數(shù)聯(lián)合的近似模型，構造出WIC，HIC36，H3ms，VC，C，F(xiàn)l和Fr的Kriging近似模型，即構造了關于T1～T10，t，d，l和f的Kriging近似模型。通過模擬退火方法對近似模型進行最優(yōu)化分析，經(jīng)過多次迭代計算得出車身結構和乘員約束系統(tǒng)的聯(lián)合優(yōu)化仿真的最優(yōu)解。

中國作為農(nóng)業(yè)大國，每年產(chǎn)出9億噸農(nóng)作物秸稈，即使只用10%來制造秸稈板材，就能消耗掉9000萬噸秸稈，并避免秸稈焚燒給環(huán)境帶來的危害。同時，中國作為人造板需求大國，利用秸稈可減少大量木材需求，從而有效保護森林資源。用秸稈取代木材，利國利民。

圖8 傳統(tǒng)最優(yōu)化流程圖

圖9 聯(lián)合優(yōu)化設計方法

圖10 優(yōu)化厚度的零件

表3 車身設計變量的初始值及上下限mm

4 優(yōu)化結果對比

表4給出了傳統(tǒng)的先整體后局部的開發(fā)方法和車身與約束系統(tǒng)聯(lián)合優(yōu)化方法的最優(yōu)解，表5給出了車身和約束系統(tǒng)聯(lián)合優(yōu)化最優(yōu)解下的車身板料厚度的匹配情況。

從表4和表5中可以看出，兩種方法對于乘員的損傷降低均具有較好的優(yōu)化效果。對于頭部，兩種方法優(yōu)化后兩個損傷指標均得到了較大程度的改善。其中，車身和約束系統(tǒng)的聯(lián)合優(yōu)化方法所獲得的優(yōu)化結果相對更優(yōu)，確保了C-NCAP中頭部得滿分。對于胸部，車身和約束系統(tǒng)聯(lián)合優(yōu)化方法相對于傳統(tǒng)的優(yōu)化方法大幅地降低了乘員胸部的損傷值，明顯提高了整車對乘員胸部的保護性能。而對于大腿力來說，兩種優(yōu)化方法的優(yōu)化結果基本持平，其損傷值依然遠遠低于高性能指標。對比兩次優(yōu)化結果，所采用的車身和約束系統(tǒng)的聯(lián)合優(yōu)化方法同時考慮了約束系統(tǒng)參數(shù)和車身參數(shù)的影響，有效地避免了傳統(tǒng)的先整體后局部方法中忽略了約束系統(tǒng)和車身之間交互效應的不足，顯著提高了整車的被動安全性，降低了假人損傷。同時該方法在計算花費可以接受的前提下，為車身耐撞性的改進提供了方向。通過對工程算例的應用，表明了該方法具有較高的工程實用價值。

表4 優(yōu)化設計結果對比

表5 車身板料厚度優(yōu)化前后結果對比mm

5 結論

分析汽車被動安全性開發(fā)中先整體后局部的開發(fā)策略和直接全局優(yōu)化的開發(fā)策略兩種方法，并針對兩種開發(fā)策略的優(yōu)點和不足提出折衷的改進直接全局優(yōu)化開發(fā)策略——基于代理模型技術的汽車多剛體約束系統(tǒng)與有限元車身聯(lián)合優(yōu)化設計方法。相對于先整體后局部的開發(fā)策略，該方法能同時考慮車身設計參數(shù)和約束系統(tǒng)參數(shù)的影響，較好地協(xié)調(diào)了各個參數(shù)之間的關系，指導車身修改；而相對于直接全局優(yōu)化開發(fā)策略，該方法免去了模型調(diào)試和計算上的巨大花費，具有更高的效率。在增加計算花費可以接受的前提，該方法相對于先整體后局部的開發(fā)策略獲得了更好的乘員響應結果，為整車的被動安全性設計提供了優(yōu)化方向。工程算例表明，這種聯(lián)合優(yōu)化技術能較好地應用于工程實際問題。

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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

原稿收到日期為2015年7月22日，修改稿收到日期為2015年12月6日。

成艾國，教授，E-mail：cheng_aiguo＠163.com。

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.02.008