汽车侧碰乘员约束系统建模和性能优化分析

论文摘要

汽车交通事故已成为危害人类生命安全的一个重大潜在因素，汽车安全问题引起了人们的高度重视。欧、美和日本等汽车工业发达国家在汽车被动安全领域已经取得显著成效，基本实现了“车毁人不亡”或“车伤人不伤”，有效地保护了人们的生命和财产安全。目前，我国的汽车行业正处于迅速发展时期，虽然取得了一定成绩，但与发达国家相比尚还存在明显差距。在我国，因城市道路交通路口以平面交叉形式为主，侧面碰撞事故发生概率最高，由于汽车侧面结构强度薄弱且空间狭小，侧面碰撞对乘员造成的伤害往往较为严重。针对目前汽车被动安全的发展现状，文章总结了对汽车侧面碰撞研究的意义，侧面碰撞国内外研究内容、方法和最新动态；研究和分析了侧面碰撞过程中的乘员损伤机理以及乘员损伤评价指标；对比分析欧洲和美国侧面碰撞技术法规的异同，介绍了我国侧面碰撞技术法规的试验形式与方法。本文针对某款国产轿车，利用HYPERWORKS建立了整车侧面碰撞有限元模型，结合有限元分析软件LS-DYNA，根据C-NCAP要求进行了侧面碰撞仿真计算，而后使用动力学仿真软件MADYMO建立侧面碰撞乘员约束系统子模型。所有仿真模型均通过实车碰撞结果曲线验证其有效性，在此基础上进行乘员约束系统的性能优化分析，旨在降低乘员伤害。首先，文中在对接触建模方法与理论进行深入分析的基础上，使用PSM方法建立了侧面碰撞乘员约束系统空间模型；根据要求调入ES-2型侧碰假人进行计算，输出假人各部位伤害值，并对内饰刚度进行正交优化；其次，详细研究和分析侧气囊建模理论与方法，建立了精确的侧气囊模型，并集成到约束系统空间模型，结合均匀试验设计方法建立了侧面碰撞乘员约束系统的神经网络模型，使用遗传算法进行优化，并对优化结果的可靠性进行了评估，最终得到一个满意的改进方案；最后，为提高分析效率，建立侧碰乘员约束系统的多体模型用以研究双级发生器气囊系统对不同身材乘员的保护效果，通过对仿真结果的对比和分析，获得了双级发生器性能参数与乘员伤害之间的关系。以上防护措施的研究结果表明：优化内饰刚度主要用以改善乘员的骨盆和腹部伤害，而很难降低胸部肋骨偏移量；侧气囊是侧面碰撞的主要防护措施，通过合理匹配，可以使乘员加权伤害WIC进一步降低20%左右，乘员各部位伤害均有显著改善；在侧面碰撞强度不变的情况下，双级发生器气囊系统对乘员的保护效果并不理想。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 车辆碰撞安全技术的国内外发展现状
• 1.2 汽车侧面碰撞研究的意义
• 1.3 汽车侧面碰撞的研究内容和方法
• 1.3.1 汽车侧面碰撞的研究内容
• 1.3.2 汽车侧面碰撞的研究方法
• 1.4 侧面碰撞安全性仿真与优化设计
• 1.5 本文课题背景及研究主要内容
• 第二章 侧面碰撞乘员损伤与技术法规
• 2.1 概述
• 2.2 人体损伤生物力学研究
• 2.2.1 损伤生物力学概述
• 2.2.2 冲击载荷下的人体损伤机理研究
• 2.3 侧面碰撞乘员伤害的评价指标
• 2.4 侧面碰撞安全的强制性法规
• 2.4.1 美国和欧洲碰撞法规对比
• 2.4.2 我国侧面碰撞技术法规介绍
• 2.5 本章小结
• 第三章 基于试验的约束系统子模型建立与部件优化
• 3.1 概述
• 3.2 接触建模方法与理论
• 3.2.1 接触模型
• 3.2.2 主从面的选择
• 3.2.3 接触方法
• 3.2.4 接触厚度
• 3.2.5 接触力模型
• 3.3 整车侧面碰撞模型仿真计算与验证
• 3.4 约束系统子模型建立
• 3.4.1 边界条件的选取
• 3.4.2 结构连接处理
• 3.4.3 泡沫的处理
• 3.4.4 假人的定位
• 3.4.5 接触定义
• 3.5 约束系统子模型验证
• 3.6 基于子模型的内饰刚度优化
• 3.6.1 问题描述
• 3.6.2 目标函数
• 3.6.3 设计变量选取
• 3.6.4 正交试验设计
• 3.6.5 试验结果分析
• 3.7 本章小结
• 第四章 侧气囊建模技术研究与试验验证
• 4.1 概述
• 4.2 安全气囊系统
• 4.2.1 安全气囊保护效果
• 4.2.2 安全气囊组成及工作原理
• 4.3 气囊展开过程计算机模拟理论
• 4.4 侧气囊模型建立与试验验证
• 4.4.1 侧气囊开发流程
• 4.4.2 侧气囊建模一般步骤
• 4.4.3 侧气囊仿真建模关键技术
• 4.4.4 侧气囊跌落块试验验证
• 4.4.5 侧气囊静态展开模拟
• 4.5 侧气帘模型建立与仿真
• 4.6 本章小结
• 第五章 基于人工智能算法的侧气囊匹配分析
• 5.1 概述
• 5.2 神经网络原理
• 5.2.1 典型神经网络
• 5.2.2 广义回归神经网络
• 5.3 遗传算法基本原理
• 5.3.1 遗传算法数学理论
• 5.3.2 遗传算法运算流程
• 5.4 约束系统集成与动态仿真
• 5.5 侧气囊匹配分析
• 5.5.1 问题描述
• 5.5.2 目标函数确定
• 5.5.3 设计变量选取
• 5.5.4 均匀试验设计
• 5.5.5 约束系统的 GRNN 模型
• 5.5.6 设计参数遗传优化
• 5.6 优化结果可靠性评价
• 5.6.1 可靠性分析的一般方法
• 5.6.2 基于 Monte Carlo 法的系统可靠性评价
• 5.7 本章小结
• 第六章 侧碰中双级发生器气囊的应用研究
• 6.1 概述
• 6.2 多刚体建模理论
• 6.2.1 单刚体运动学理论
• 6.2.2 多体系统理论
• 6.3 侧面碰撞多体模型建立与动态仿真
• 6.4 双级发生器对乘员的保护研究
• 6.4.1 双级发生器对第 50 百分位乘员的保护研究
• 6.4.2 双级发生器对第 5 百分位乘员的保护研究
• 6.5 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢