轿车侧碰撞中儿童乘员约束系统的多目标优化

第47卷第12期 2011年6月 机械学报 JOURNALOFMECHANICALENGINEERING Vbl．47 Jon． NO．12 2Ol l DoI：10．3901，田ⅥE．2011．12．079 轿车侧碰撞中儿童乘员约束系统的多目标优化木 杨济匡1，2杨杏梅1张超尘1 (I．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．查尔摩斯理工大学应用力学系哥德堡41296瑞典) 摘要：在轿车侧面碰撞事故中，儿童乘员头、胸部是主要损伤部位。为最大限度地降低儿童乘员头、胸部的损伤风险，对儿 童约束系统和侧面气囊的安全性能进行优化设计。采用多体动力学软件MADYMO建立儿童乘员侧面碰撞仿真模型，并通 过台车试验结果验证仿真模型的有效性。以头、胸部加速度为优化目标，运用试验设计方法和方差进行相关设计变量的 灵敏度分析，并确定主要的优化设计变量为侧面气囊的泄气率常数、儿童安全座椅的上固定点位置和下固定织带的刚度系数， 进而构建优化目标的二阶多元回归代理模型，利用NSGA．H多目标优化算法对构建的代理模型进行优化求解，获得包含头、 胸部加速度最优解集的Parcto前沿曲线。通过权衡分析选取使头、胸部的损伤风险同时降低的最优解，最后确定侧面气囊的 泄气率常数0．037，儿童座椅的上固定点工向位置_o．25m，座椅下固定织带的刚度系数0．5为儿童约束系统主要设计参数的 最优配置。在最优设计配置条件下得到的儿童头部合成加速度峰值比初始值下降了约24％，胸部合成加速度峰值比初始值下 降约30％。 关键词：侧面碰撞儿童约束系统侧面安全气囊NSGA．II算法多目标优化 中图分类号：U46 Multi—objectiveOptimizationofChildRestraintSystemfor VehicleSideImpact YANGJikuang 1’2YANGXingmei 1 ZHANGChaochen 1 (1．St如KeyLaboratoryofAdvancedDesignandManufactureforVehicleBody, HunanUniversity,Changsha410082； 2．DepartmentofAppliedMechanics，ChalmersUniversityofTechnology,Gothenburg41296，Sweden) Abstract：Theheadandthoraxofthechildoccupantaremainlyinjuredregionsinpassengercal"sideimpacts．Inordertoreducethe inj埘yrisksofheadandthorax，amulti-objectiveoptimizationdesignofchildrestraintsystem(CRS)andsideairbagisconductedin termsofCRSsafetypl口f0珊an∞s．AmathematicalmodelofachildoccupantinsidecollisionisdevelopedbyusingMADYMO softwareandthevalidityofthemodelisevaluatedbycomparingresultsbetweensimulationandsledtest．Forthepurposeof minimizingaccelerationsofchildheadandthorax，asensitivityanalysisofthedesignvariablesisconductedusingtheorthogonal designofexperiment(DOE)andanalysisofvariance．Theprimarydesignvariablesalethereforedetermined,includingmaterial permeabilityofsideairbag，loeationoftoptetherinX-directionandstiffnesscoefficientofloweranchorage．Theobjectivefunctions foraccelerationsofchildheadandthoraxaregeneratedwithsecond-ordermultinomialregressionequationsintermsofthe determineddesignvariables．Optimizationiscarriedoutbyusingnon-dominatedsortinggeneticalgorithmII(NSGA·11)．The optimizedconfigurationoftheCRSisobtainedbyfurtheranalysisbasedOntheParem-optimalsolutions．Theresultsindicatethat maindesignparametersofchildrestraintsystemarematerialpermeability0．037ofsideairbag，location-0．25moftoptetherin X-direction，stiffnesscoefficient0．5ofloweranchorage．Undertheoptimizedcondition,thepeal【valueofheadaccelerationis minimizedbyabout24percent．Thepeal【valueofthoraxaccelerationisdeclinedbyabout30percent． Keywords：SideimpactChildrestraintsystem(CRS)SideairbagNSGA-IIalgorithmMulti-objectiveoptimization 0前言 侧面碰撞事故中儿童乘员面临较高的伤亡风 ·国家高技术研究发展计划(863计划，2006AAI10101)、教育部国家外国专 家局“111计划”(111-2-11)、国家财政部高水平汽车自主创新能力建设“中 气项目”([20071237号)和湖南大学汽车车身先进设计锚瞪国家重点实验室 研究(60870004)资助项目。20100625收到初稿。20110121收到修改稿 险，尤其对于近碰撞侧位置的儿童而言Il。2】。通过对 中国长沙市交通事故数据库中的儿童乘员事故数据 进行统计分析发现，小型客车(轿车占大部分)是主 要的事故车型；侧面碰撞是发生最多的事故形态； 伤亡儿童乘员中，0---3岁年龄段的儿童所占比例最 高13】。欧美日等许多发达国家和地区都有法规要求 O～3岁儿童乘车必须使用专门的汽车儿童约束系 万方数据 机械工程学报 第47卷第12期 统。此外，越来越多的车辆通过配置侧面安全气囊 来提高乘员侧面防护性能”J。HOU等口1应用迭代优 化算法对驾驶员约束系统的主要参数进行优化设计 后指出，同时对气囊和其他约束系统进行优化将会 得到最大的安全性能。 侧面碰撞中，儿童乘员约束环境包括儿童安全 座椅和侧面安全气囊。YANG等”‘采用DOE方法通 过组合不同碰撞条件、不同参数水平，对前碰撞中 乘员侧自适应安全气囊设计参数的最优配置进行研 究。参数不同水平组合方法虽然能够找到设计变量 的最优配置，但计算量较大。对儿童安全座椅及侧 面安全气囊同时进行优化设计将涉及大量参数，并 且参数间存在交互影响，整个系统具有高度的非线 性，优化过程计算量大。而张维刚等17-8]等分别构建 逐步回归和序列响应面代理模型对汽车结构耐撞性 进行优化，结果表明代理模型优化方法对于计算耗 时的优化问题是非常有效的。HONG等191将中心组 合设计方法应用到乘员正面碰撞仿真中．建立了成 人乘员头部伤害值、3ms胸部加速度、胸部变形以 及左右股骨载荷的二阶多元回归方程，并进行了优 化研究，结果表明，构建代理模型的优化方法能够 快速有效地找到成人乘员约束系统优化问题的最优 解。目前，构建代理模型的优化方法在儿童乘员约 束系统安全性设计方面的应用研究相对较少。因此， 本文以3岁儿童乘员为研究对象，结合MADYMO 多体动力学仿真模型，通过试验设计分析确定主要 设计变量，进而利用Marlab软件构造二阶多元回归 代理模型，并对构造的代理模型采用带精英策略的 非支配排序遗传算法(NOll—dominatedsortinggenetic algorithm11，NSGA．11)进行多目标优化计算，从而 对侧面碰撞中儿童约束系统的优化设计进行研究。 1侧面碰撞仿真模型的概述 1．1仿真模型的建立 本文建立的仿真模型如图l所示，主要包括汽 车座椅(即试验座椅)、汽车车门(采用剐性平板模 拟)、儿童座椅及系带、儿童座椅固定器(Lower anchorsandtethersforchildren，LATCH)上下固定织 带、侧面安全气囊和HybridIIl3岁儿童假人。其中， 试验座椅模型由两个超椭球组成，分别代表座椅垫 和座椅靠背，这两个超椭球被定义为两个刚性体， 由旋转铰表示二者的连接关系；汽车车门模型由矩 形刚性平板模拟，刚性平板与儿童座椅外侧LATCH 锚周点的距离为508岫；儿童座椅模型是基于德国 生产的Radigtla80可折叠式座椅而建立起来的有限元 模型，儿童约束系统(Childreswaintsystem,CRS)座椅 骨架选用四边形壳单元，儿童座椅通过LATCH织带 固定到试验座椅上。LATCH织带采用多体安全带模 拟，儿童座椅系带即集成的五点式安全带采用多体带 和有限元带组成的混合型安全带来模拟。侧面安全气 囊采用MADYMO数据库中经过验证的均匀压力模 式胸部气囊模型，并对此模型进行几何方位改变。 ■iq囊 Ⅲ性平扳 图1 Hybridll儿童假人、座椅及约束系统仿真模型 1．2儿童乘员损伤指标 侧面碰撞中3岁儿童乘员的头部和胸部是晟常 见的损伤部位Ill。因此选择儿童假人头部和胸部合 成加速度作为头、胸部的损伤评价指标及优化目标。 1．3仿真模型的验证 为了验证CRS仿真模型的有效性，按照美国高 速公路交通安全管理局fNationalHighwayTraffic SafetyAdministration，NHTSA)试验研究中，C,(Test ResearchCenter．TRC)所做的台车试验条件设置仿 真模型。 NHTSA的TRC在2001年进行了此台车试验， 编号为4585，圈2a为试验条件外形设置。在该试 验中ii0]，使用一刚性结构代表车辆侧面结构．此刚 性结构定位在距离最远的LATCH锚周点为508mm 的位置。邻近儿童约束系统；平面部分靠近座椅装 置，且从试验座椅坐垫位置向上延伸约762rnm， 此高度确保若假人的头部接触到该结构时．应该接 触到平面部分而非边缘部分；向前延伸的长度约为 813mm，同样此长度是为了确保假人头部只可能接 触到平面部分；当受到载荷时，此结构不能发生凹 陷，不能产生明显的弯曲；表面被一层铝板覆盖。 速度接近24l km／h的加速度脉冲(圈2b)被用于此 台车试验。试验假人采用Hyb州哑3岁儿童假人， 被约束于前向儿童安全座椅中，儿童安全座椅由 LATCH系统及顶端系带固定于试验座椅上。 图3和图4分别为仿真与试验中儿童假人头部 Y向加速度和胸部y向加速度结果对比。从图3和 图4可以看出，仿真结果曲线与试验结果曲线的峰 值及其产生时间存在一定偏差，但该差异小于15‰ 攘一 万方数据 2011年6月 扬挤匡等：轿车侧碰撞中儿童乘员约束系统的多目标优化 由此可咀认为该仿真模型是有效的，可作为基本模 型迸行后续的优化研究。 时间帅5 图4胸部r向加速度对比曲线 2优化方法 圈5为研究儿童约束系统多目标优化的基本 。 图5基于代理模型的优化方法基本流程 在多目标优化研究过程中的具体步骤如下。 (1)确定2个优化目标，挑选7个设计变量。 f21建立MB(Multi-body)多体动力学仿真模型 并验证其有效性。 (3)利用正交试验设计、MADYMO仿真程序、 方差分析筛选出3个设计优化变量。 (4)利用全因子试验设计对筛选后的3个设计 优化变量进行采样。 (5)利用MADYMO仿真程序计算设计优化变 量样本的目标函数值。 (6)利用Matlab软件，采用3个设计优化变量 样本及相应的函数值构建优化目标的二阶多元回归 代理模型。 (_7)利用Matlab软件对步骤(6)构建的代理模型 采用NSGA-II算法进行多目标优化计算。 (8)挑选最优设计值，对优化结果进行仿真 验证。 2．1正交试验设计 本文采用￡lB(37)正交表表示可以安排7个水平 数为3的因素，进行18次仿真试验。 2．2全因子试验设计 全因子试验设计有3个明显的特点。 (1)它要求试验时全部因素同时施加，即每次 做试验都将涉及每个因素的一个特定水平。 (2)因素对定量观测结果的影响地位平等。 ^、}量b斟目g ^。0曼≈韶趔曩 万方数据 机械工程学报 第47卷第12期 (3)可以准确地估计各因素及其各级水平交互 作用的效应大小。 2．3多元回归模型 本文采用的二阶多元回归模型的基本形式为 f(x)=flo+∑屈葺+∑yp,jx,xj(1) i=1 iffil』>f 式中，Xi为m维自变量x的第f个分量；Bo、房、岛 为未知参数，将它们按照一定次序排列，可以构成 列矢量∥，求解多项式模型的关键就是求解矢量∥。 把试验设计的样本点值代入式(1)，利用最／b--乘法 可以求得矢量卢的值。 2．4多目标优化与NSGA．II算法 多目标优化问题一般可描述如下：设S是，l伽≥ 1)维Euclid空间Ⅳ中的非空集合，他)=(，iG)， 五G)，⋯，启∽)‘是S上的册劬≥2)维矢量函数， 烈功=国l(力，92@)，⋯，gAx))1和^@)=(IIll(力， h2(x)，⋯，^g∞)1分别是S上的pp≥1)维和9(g≥0) 维矢量函数，则在约束条件g,(x)<--O(卢l，2，⋯，P) 和hAx)=O(产1，2，⋯，g)下，以石O)，正∞，⋯，厶∞ 为目标函数的有限m维多目标优化问题记作 min或max(^∞，正∽，⋯，二∽)1 s．t．咖)≤0i=1，2，⋯，P IIl，(功=O产1，2，⋯，q (2) 根据式(2)寻找出满足条件的z矢量解。对于本 研究而言，m=2，基于两个目标函数求头部和胸部 合成加速度的最小值，两个目标函数正0)和f2(x)的 具体表达形式都如式(1)所示。 由于多个目标之间可能存在相互影响，因此各 目标或许不能同时达到各自的最优值：各目标由于 具有不同的量纲及物理意义，因此各目标之间无法 进行定量比较。因此，多目标优化问题通常不存在 唯一的全局最优解，而是存在多个最优解的集合， 也即Pareto最优解集。 与传统的多目标优化方法(如加权法、约束法、 目标规划法等)不同，遗传算法具有多方向和全局搜 索的特点，这一特点可以确保带有潜在解的种群能 够一代一代维持下来，这种从种群到种群的方法对 于搜索Pareto解非常有益【l卜121。 在求解多目标优化问题时，对简单的遗传算法 进行一些改进是必要的。DEB等【I3】在NSGA的基 础上加入了快速非支配排序算法，降低了算法的计 算复杂度；提出了拥挤度和拥挤度比较算子，使得 Pareto最优解前沿中的个体能够均匀地扩展到整个 Pareto域，保证了种群的多样性；引入精英策略， 扩大采样空间，提高种群水平。此种带精英策略的 算法称为NSGA．II算法，其优势明显，是目前被公 认的最有效的多目标优化算法之一。因此，本文采 用DEB等提出的NSGA．II算法，利用Matlab软件 进行求解计算。 3优化结果 3．1设计参数灵敏度分析 侧面碰撞中，影响儿童乘员乘车安全性的因素 主要是侧面安全气囊、儿童座椅的固定方式、儿童 座椅与汽车座椅间的相互作用和儿童座椅的设计参 数等。利用正交试验设计的方法，通过方差分析， 筛选出对儿童乘员保护效果最敏感的几个因素，在 这几个最敏感因素基础上进行约束系统的优化设 计。本文选择的设计变量及其水平值如表l所示。 表1设计变量及其水平值 对表l选取的7个参变量，利用正交设计表 厶8(37)进行试验选点，共进行18次试验(表2)。然 后通过方差分析来判断因素的水平间是否有显著差 异，构造F统计量来做检验。在多因素试验设计中， 用P值表示各因素在试验中的重要性。P值越小， 该因素就越重要。0≤P≤O．01说明该因素高度显著， 非常重要；0．01方案

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