CN103310119A

CN103310119A - 基于损伤评价的车辆碰撞乘员约束系统摩擦特性的反分析方法

Info

Publication number: CN103310119A
Application number: CN2013102818532A
Authority: CN
Inventors: 刘杰; 姜潮; 韩旭; 白影春
Original assignee: Hunan University
Current assignee: Hunan University
Priority date: 2013-07-05
Filing date: 2013-07-05
Publication date: 2013-09-18

Abstract

本发明公开一种基于损伤评价的车辆碰撞乘员约束系统摩擦特性的反分析方法。该方法在建立车辆乘员约束系统正问题仿真模型的基础上，利用车辆碰撞实验数据进行反求来确定约束系统的摩擦参数。该方法将仿真计算的乘员身体各部分的加速度、损伤评价指标等响应与实验测量响应的最小误差函数作为目标函数，采用合适的优化算法对待识别参量进行迭代寻优，当计算响应与测量响应之间的误差在最小二乘意义上最小时，则可反求得到约束系统的摩擦参数。本发明能够准确有效地获取常规方法难以确定的车辆碰撞过程中约束系统实际的摩擦参数，包括安全带肩带与乘员肩部的摩擦系数、安全带肩带与乘员胸部的摩擦系数、安全带腰带与乘员腹部的摩擦系数等。

Description

基于损伤评价的车辆碰撞乘员约束系统摩擦特性的反分析方法

技术领域

本发明属于结构特性识别的技术领域，尤其涉及一种基于损伤评价的车辆碰撞乘员约束系统摩擦特性的反分析方法。

背景技术

随着汽车的普及，交通事故频繁发生，造成了重大的人员伤亡和财产损失，汽车安全性成为了现代汽车工业研究的热点。汽车乘员约束系统是在汽车发生碰撞时，用来减少或者避免二次碰撞的安全装置，是汽车被动安全设计的重要环节。良好的汽车乘员约束系统设计能有效提高乘员的防护性能，大幅减少乘员损伤，降低死亡率。然而约束系统部件众多，包括转向系、仪表板、座椅、脚踏板、安全气囊、安全带、人体等，一些参数很难通过实验直接获得，如车辆碰撞过程中人体与安全带、座椅的摩擦等。若这些结构参数不能准确获取，则开发的实际约束系统就可能并不满足设计初衷的性能要求，甚至有可能导致其在服役过程中存在严重安全隐患。

因此，发展一套方便可靠的方法来确定难以获取的约束系统摩擦参数显得非常必要，这对于提高乘员的安全性具有重要实际意义。

发明内容

针对车辆高速碰撞过程中，乘员约束系统摩擦特性难以直接实验测试的困难，本发明的目的在于提出一种利用碰撞实验响应来识别摩擦参数的反分析方法，从而为约束系统的设计提供准确的结构特性参数。

根据本发明的一个方面，提供一种基于损伤评价的车辆碰撞乘员约束系统摩擦特性的反分析方法，包括如下步骤：

步骤1：按照乘用车正面碰撞乘员防护法规的实验方法和程序进行车辆碰撞实验，测量获得碰撞过程中的车体加速度曲线、假人头部合成加速度曲线和假人胸部合成加速度曲线，并利用测量的上述响应得到实验的损伤评价指标；

步骤2：按照车辆碰撞实验工况，建立所述车辆碰撞乘员约束系统的正问题仿真模型；

步骤3：确定待反求的摩擦参数并在所述摩擦参数的取值范围内分别设定初值；

步骤4：利用所建立的所述车辆碰撞乘员约束系统的所述正问题仿真模型进行仿真分析，得到计算的假人头部合成加速度、假人胸部合成加速度，进而得到计算的损伤评价指标；

步骤5：将计算的假人头部合成加速度、假人胸部合成加速度和各项损伤评价指标与步骤1中得到的相应实验结果进行对比，构建反分析目标函数并计算该反分析目标函数的值；

步骤6：判断计算反分析目标函数的迭代次数是否达到一设定阈值，如果没有达到则转入步骤7，如果达到则转入步骤8；

步骤7：利用优化方法对所述反分析目标函数进行优化求解，从而在所述摩擦参数的取值范围内产生所述摩擦参数的下一代新值，然后转回步骤4；以及

步骤8：将此时摩擦参数的值作为所述车辆碰撞成员约束系统的最佳参数值输出。

优选地，所述损伤评价指标包括：头部综合损伤指标HIC_36ms、胸部3毫秒加速度C_3ms和胸部压缩量D。

优选地，在所述步骤1中测量的响应曲线和损伤评价指标作为所述车辆碰撞乘员约束系统的摩擦特性反分析的已知信息，其中头部综合损伤指标HIC_36ms的计算公式如下：

{HIC}_{36 ms} = (t_{2} - t_{1}) {[\frac{1}{t_{2} - t_{1}} {&Integral;}_{t_{1}}^{t_{2}} a (t) dt]}^{2.5}

式中a(t)为头部质心处合成加速度，t₁和t₂分别为HIC_36ms达到最大值的时间段的起始和终止时间，间隔在36ms以内。

优选地，在所述步骤2中，所述正问题仿真模型施加与实验环境相同的边界条件和约束条件，采用多刚体来模拟车体及假人，采用多刚体和有限元相结合的方式来模拟安全带。

优选地，在所述步骤3中，确定车辆碰撞乘员约束系统中安全带肩带与乘员肩部的摩擦系数f₁、安全带肩带与乘员胸部的摩擦系数f₂、安全带腰带与乘员腹部的摩擦系数f₃作为待反求的摩擦参数。

优选地，在所述步骤3中，所述摩擦参数的取值范围是0.1～0.9，在该取值范围内对待反求的各摩擦参数分别随机取一个初值。

优选地，在所述步骤5中，将计算结果和实验结果二者差的平方和作为所述反分析目标函数。

优选地，所述设定阈值为1000。

优选地，在所述步骤7中，利用具有全局收敛性的遗传算法作为所述优化方法，其中，通过遗传算法的选择、交叉和变异操作在摩擦参数的取值范围内产生下一代新值。

本发明创新性地提出了一种利用碰撞过程中人体加速度响应和损伤评价来实现摩擦特性反分析的方法，该方法通过计算反求技术将实验测试和数值模拟有机结合，只利用碰撞实验测试结果就可准确获取约束系统的摩擦特性。

根据上述技术方案，本发明的有益效果包括：

（1）车辆碰撞是在极端瞬间完成的，因此受测试设备以及经济条件的限制，常规的摩擦参数测试方法很难对碰撞过程中约束系统的摩擦参数进行直接测量，本发明从计算反求技术出发，为难以测量的摩擦参数提供了一种便捷有效的间接获取方法。

（2）本发明在进行约束系统摩擦参数反求时，充分利用了人体各部加速度和损伤指标等响应信息，并结合相应的仿真模型和计算反求算法，这提高了摩擦参数获取的效率和精度。

（3）本发明进行一次有效的车辆碰撞实验，就能获取约束系统多个部位的摩擦参数，包括安全带肩带与乘员肩部的摩擦系数、安全带肩带与乘员胸部的摩擦系数、安全带腰带与乘员腹部的摩擦系数等。

附图说明

图1是本发明中车辆碰撞乘员约束系统摩擦特性的反分析方法的步骤流程图；

图2是本发明中车体碰撞加速度曲线图；

图3是本发明中车辆乘员约束系统的仿真模型图；

图4是本发明中实验测量和仿真计算的假人头部合成加速度曲线图；

图5是本发明中实验测量和仿真计算的假人胸部合成加速度曲线图。

具体实施方式

下面结合附图1-5，以利用车辆正面碰撞实验响应进行约束系统摩擦参数的反求为例，对本发明的具体实施方式进行详细说明。

车辆碰撞过程中，车辆乘员约束系统中的摩擦参数很难通过实验直接测量或者获取的成本过高，而系统的响应测量相对容易。因此，可以通过对车辆乘员约束系统的仿真模型进行计算，把仿真计算得到的响应和实际测量的响应相比较，反求程序根据响应比较结果，调整需要反求的摩擦参数，在多次调用正问题计算后，当仿真计算得到的响应与测量响应之间的误差在最小二乘意义上最小时，就得到了车辆乘员约束系统待反求的摩擦参数。

图1示出了本发明具体实施方式中车辆碰撞乘员约束系统摩擦特性的反分析方法的步骤流程，具体实施步骤如下：

步骤1：按照乘用车正面碰撞乘员防护法规的实验方法和程序进行车辆碰撞实验，测量获得碰撞过程中的车体加速度曲线、假人头部合成加速度曲线和假人胸部合成加速度曲线，并利用测量的响应得到实验的损伤评价指标。

其中，上述碰撞过程中车体加速度曲线如图2所示，上述假人头部合成加速度曲线如图4所示，上述假人胸部合成加速度曲线如图5所示。

在本发明具体实施例中，上述损伤评价指标可包括头部综合损伤指标HIC_36ms、胸部3毫秒加速度C_3ms和胸部压缩量D等。将这些测量的响应和损伤评价指标作为车辆碰撞乘员约束系统的摩擦特性反分析的已知信息，其中头部综合损伤指标HIC_36ms的计算公式如下：

{HIC}_{36 ms} = (t_{2} - t_{1}) {[\frac{1}{t_{2} - t_{1}} {&Integral;}_{t_{1}}^{t_{2}} a (t) dt]}^{2.5}

(1)

步骤2：按照车辆碰撞实验工况，建立车辆碰撞乘员约束系统的正问题仿真模型。

其中，该模型施加与实验环境相同的边界和约束等条件，并采用多刚体来模拟车体及假人，而安全带则采用多刚体和有限元相结合的方式来模拟。

上述乘员约束系统的正问题仿真模型以及相应的仿真方法属于本领域公知技术，该乘员约束系统的正问题仿真模型如图3所示。由于在车辆碰撞乘员约束系统中，乘员与约束系统的质量与相比很小，乘员的运动对实车碰撞响应可以忽略不计，因此在建模时可以将乘员运动从实车环境中隔离出来，将实车环境设为惯性空间，用图2所示的车体碰撞加速度曲线的反向曲线作为约束系统的水平加速度场，来模拟外部对约束系统的作用。

步骤3：确定待求的摩擦参数并在所述摩擦参数的取值范围内分别设定初值。

在本发明一个实施例中，可选择车辆碰撞乘员约束系统中安全带肩带与乘员肩部的摩擦系数f₁、安全带肩带与乘员胸部的摩擦系数f₂、安全带腰带与乘员腹部的摩擦系数f₃作为待反求的摩擦参数。由于摩擦系数一般不大于1，依据经验选择约束系统摩擦参数的取值范围可设定为0.1～0.9，并在该取值范围内对上述3个参数分别随机给定一个初值。

步骤4：利用所建立的车辆碰撞乘员约束系统的正问题仿真模型进行仿真分析，得到计算的假人头部的合成加速度、假人胸部的合成加速度，进而得到计算的损伤评价指标。

上述损伤评价指标可包括头部综合损伤指标HIC_36ms、胸部3毫秒加速度C_3ms和胸部压缩量D等。

步骤5：将计算的假人头部的合成加速度、假人胸部的合成加速度和各项损伤评价指标等响应与实验测量的响应进行对比，构建反分析目标函数并计算该反分析目标函数的值。

在本发明一个实施例中，可以将二者差的平方和作为反分析目标函数，从而计算出该反分析目标函数的值。

步骤6：判断计算反分析目标函数的迭代次数是否达到一设定阈值，如果没有达到则转入步骤7，如果达到了则转入步骤8。

其中，该设定阈值可为1000。

步骤7：利用优化方法对反分析目标函数进行优化求解，进而在摩擦参数的取值范围内产生摩擦参数的下一代新值，然后转回步骤4。

在本发明具体实施例中，本领域技术人员可以自由选择公有技术中具有全局收敛性的遗传算法进行迭代优化求解。在计算过程中，可由遗传算法通过选择、交叉和变异等操作在摩擦参数的取值范围内产生下一代新值。

步骤8：将此时摩擦参数的值作为车辆碰撞成员约束系统的最佳参数值输出。

此时迭代步数已达到预定阈值，假人头部合成加速度曲线图和假人胸部合成加速度曲线图如图4和图5所示，可见实验测量与数值计算的假人头部的合成加速度曲线、假人胸部的合成加速度曲线基本相同。

如表1所示，实验的头部综合损伤指标、胸部3毫秒加速度值、胸部压缩量等损伤评价指标与计算的损伤指标误差在10%以内。

表1实验与仿真的损伤指标对比

这表明反求得到了约束系统摩擦参数的最佳取值，反求结果如表2所示

表2车辆碰撞乘员约束系统摩擦参数的识别结果

Claims

1.一种基于损伤评价的车辆碰撞乘员约束系统摩擦特性的反分析方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，所述损伤评价指标包括：头部综合损伤指标HIC_36ms、胸部3毫秒加速度C_3ms和胸部压缩量D。

3.根据权利要求2中所述的方法，其特征在于，在所述步骤1中测量的响应曲线和损伤评价指标作为所述车辆碰撞乘员约束系统的摩擦特性反分析的已知信息，其中头部综合损伤指标HIC_36ms的计算公式如下：

{HIC}_{36 ms} = (t_{2} - t_{1}) {[\frac{1}{t_{2} - t_{1}} {&Integral;}_{t_{1}}^{t_{2}} a (t) dt]}^{2.5}

4.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，在所述步骤2中，所述正问题仿真模型施加与实验环境相同的边界条件和约束条件，采用多刚体来模拟车体及假人，采用多刚体和有限元相结合的方式来模拟安全带。

5.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，在所述步骤3中，确定车辆碰撞乘员约束系统中安全带肩带与乘员肩部的摩擦系数f₁、安全带肩带与乘员胸部的摩擦系数f₂、安全带腰带与乘员腹部的摩擦系数f₃作为待反求的摩擦参数。

6.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，在所述步骤3中，所述摩擦参数的取值范围是0.1～0.9，在该取值范围内对待反求的各摩擦参数分别随机取一个初值。

7.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，在所述步骤5中，将计算结果和实验结果二者差的平方和作为所述反分析目标函数。

8.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，所述设定阈值为1000。

9.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，在所述步骤7中，利用具有全局收敛性的遗传算法作为所述优化方法，其中，通过遗传算法的选择、交叉和变异操作在摩擦参数的取值范围内产生下一代新值。