代理模型方法在轿车乘员约束系统仿真优化中的应用研究

论文摘要

汽车工业是我国的支柱产业。我国的汽车工业正在持续快速的发展,车辆的保有量也会快速增加。汽车碰撞安全性的提高不仅可以有效减少汽车交通事故中的人员伤亡和生命财产损失,还将有助于交通运输环境的畅通以及社会和人们生活的和谐安定。提高汽车被动安全性,要从汽车结构设计和乘员保护系统两个方面入手,因此开展汽车乘员约束系统方面的研究,将为我国汽车企业的自主研发提供有益的经验和借鉴,增强汽车企业的竞争力,从社会的角度来说,有利于从整体上来提高我国汽车的碰撞安全性。仿真技术可用来分析、优化汽车的碰撞性能。随着数值碰撞仿真技术的不断发展,寻求更加适用于汽车碰撞安全性仿真优化设计的方法,具有十分重要的工程意义和学术价值。荷兰TNO开发的软件MADYMO是目前最常用的碰撞模拟软件之一,国外的许多汽车公司都采用MADYMO软件进行乘员约束系统性能的评价和优化。本文将MADYMO进行了消化、吸收,剖析了MADYMO软件的多刚体理论,掌握了利用MADYMO软件建立乘员约束系统模型,研究乘员约束系统保护性能的一般过程。根据某国产轿车的有限元模型,利用MADYMO软件建立了包括安全带、安全气囊、座椅、转向系和内饰件等的正面碰撞乘员约束系统仿真模型和侧面碰撞MADYMO子结构模型,并通过实车碰撞试验验证了模型的正确性。在此基础上,本文运用代理模型技术和优化方法对乘员约束系统进行了仿真优化研究,首先针对正面碰撞乘员约束系统模型,运用Kriging代理模型方法,分别结合可行方向法Commin和多目标遗传算法NSGA-II,对乘员约束系统的多目标优化问题进行研究,得到了较为理想的结果,并对两种优化方法在代理模型中的优化效率做出了比较;然后针对侧面碰撞MADYMO子结构模型,加入侧面碰撞安全气囊,运用响应表面代理模型方法和可行方向优化方法结合,对侧面碰撞安全气囊参数进行了优化。结果表明,将代理模型技术和优化算法结合运用于乘员约束系统的优化能够快速、经济、准确地解决乘员约束系统优化难题,这对乘员约束系统的优化设计具有重要的参考价值和借鉴意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 汽车乘员约束系统的研究意义
• 1.1.1 乘员约束系统研究意义
• 1.1.2 安全带
• 1.1.3 安全气囊
• 1.2 汽车乘员约束系统的研究方法
• 1.2.1 碰撞仿真理论及方法
• 1.2.2 碰撞仿真软件的介绍
• 1.3 乘员约束系统的仿真优化
• 1.3.1 仿真优化设计的基本特点
• 1.3.2 仿真优化设计的方法
• 1.4 本文课题背景和研究的主要内容
• 第2章 仿真分析方法、优化设计和代理模型理论基础
• 2.1 有限元法和多刚体理论
• 2.1.1 有限元法
• 2.1.2 多刚体动力学方法
• 2.2 优化算法理论基础
• 2.2.1 优化理论
• 2.2.2 优化算法简介
• 2.3 代理模型的理论基础
• 2.3.1 实验设计
• 2.3.2 近似模型
• 2.4 本章小结
• 第3章 乘员约束系统的评价方法
• 3.1 汽车碰撞与乘员伤害
• 3.2 乘员伤害的评价
• 3.2.1 乘员的伤害准则
• 3.2.2 正面与侧面碰撞乘员伤害指标
• 3.3 碰撞技术法规
• 3.3.1 国内外碰撞法规比较
• 3.3.2 C-NCAP 碰撞评价程序
• 3.4 本章小结
• 第4章 正面碰撞乘员约束系统优化
• 4.1 约束系统仿真模型的建立
• 4.1.1 乘员空间模型的建立
• 4.1.2 安全带模型
• 4.1.3 安全气囊模型
• 4.1.4 接触定义
• 4.1.5 模型的输入与输出
• 4.2 约束系统仿真模型的实验验证
• 4.2.1 仿真模型的验证流程
• 4.2.2 乘员约束系统仿真模型的验证
• 4.3 乘员约束系统设计参数选择
• 4.3.1 设计参数的初步选择
• 4.3.2 设计参数的筛选
• 4.4 乘员约束系统的优化设计
• 4.4.1 Kriging 代理模型的建立
• 4.4.2 基于 Kriging 模型的系统参数的优化
• 4.5 本章小结
• 第5章 侧面乘员约束系统优化
• 5.1 PSM 子结构介绍
• 5.2 仿真模型的建立
• 5.2.1 汽车侧面有限元模型
• 5.2.2 假人模型的选用
• 5.2.3 侧面安全气囊模型的建立
• 5.2.4 接触的定义
• 5.2.5 模型的输入与输出
• 5.3 侧面碰撞仿真模型的试验验证
• 5.3.1 整车有限元模型仿真验证
• 5.3.2 MADYMO 中乘员损伤参数对比验证
• 5.4 设计参数的选择
• 5.4.1 设计参数的初步选择
• 5.4.2 设计参数的筛选
• 5.5 参数的优化设计
• 5.5.1 响应表面模型的建立
• 5.5.2 基于响应表面模型的系统参数优化
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文目录
• 致谢