CN107063718A - 汽车正面碰撞波形参数化评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种汽车正面碰撞波形参数化评价方法，为克服目前汽车碰撞开发时采用传统的CAE法和试验法对碰撞波形进行评价时消耗大量计算安全性修改时间和费用的问题。其步骤：1)碰撞波形特征参数的定义：碰撞波形特征参数包括碰撞波形直接参数和等效双台阶波特征参数：(1)碰撞波形直接参数包括碰撞波形峰值Amax、回弹时刻tE及最大动态压溃量Dmax，(2)等效双台阶波特征参数包括第二台阶的高度G2与阶梯比i；2)乘员伤害评价指标的定义：汽车正面碰撞中乘员的头部和胸部是最容易受伤的部位，本技术方案中定义头胸部综合伤害概率Pcombined作为评价汽车碰撞时乘员伤害评价指标；3)碰撞波形参数化评价方法的建立。
Description
技术领域
本发明涉及汽车碰撞安全领域的一种评价方法，更确切地说，本发明涉及一种汽车正面碰撞波形参数化评价方法。
背景技术
汽车碰撞安全性是指汽车在发生交通事故时能够有效地保护车内乘员或车外行人免受伤害或尽量降低伤害程度的性能。为了提高汽车的碰撞安全性，必须合理设计车体结构使其具有良好的抗撞性以便在发生碰撞时能产生合理的变形并充分吸收碰撞能量，同时与约束系统良好匹配，将乘员伤害降到最低。正面碰撞波形是汽车在正面碰撞时采集到的驾驶员侧B柱下端的减速度(加速度)-时间历程，可以通过碰撞试验或计算机仿真获得。正面碰撞波形是汽车碰撞中重要且容易获得的响应特征，其不仅可以用来衡量汽车碰撞的剧烈程度，而且与乘员伤害密切相关，是汽车抗撞性设计的重要内容，因此对汽车抗撞性的评价往往基于碰撞波形开展。
目前在汽车抗撞性开发过程中，通常是在车体结构设计完毕之后，利用CAE或试验方法将碰撞波形作为约束系统的输入，通过输出乘员伤害水平来评价碰撞波形的优劣，若乘员伤害太高则需要反复修改车体结构，重复建模和仿真过程，直到乘员伤害得到改善，整个过程不仅工作量大，而且耗费大量财力和物力。
因此需要一种碰撞波形评价方法，在汽车安全性开发过程中能够在车体结构设计阶段不利用CAE或试验获得乘员伤害的条件下对碰撞波形进行评价。该评价方法通过对原始碰撞波形参数化，提取出能够描述碰撞波形特性并且与乘员伤害密切相关的碰撞波形关键特征参数，建立碰撞波形综合评价指数，对碰撞波形进行评价。该评价方法与传统的CAE和试验法相比，只需要若干个参数即可对碰撞波形进行评价，无需建立计算机仿真模型，方法简单快速，减少了由于碰撞波形不合理所造成的车体结构的反复修改过程，可以大量减少工作量，保证设计的成功率，缩短开发周期和成本。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服了现有技术在汽车碰撞开发时，采用传统的CAE法和试验法对碰撞波形进行评价时消耗大量计算安全性修改时间和费用的问题，提供了一种基于乘员伤害的汽车正面碰撞波形参数化评价方法。
为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的：所述的汽车正面碰撞波形参数化评价方法的步骤如下：
1)碰撞波形特征参数的定义：
所述的碰撞波形特征参数包括直接从碰撞波形上提取到的碰撞波形直接参数和从等效波形上提取到的等效双台阶波特征参数；
(1)所述的碰撞波形直接参数包括碰撞波形峰值Amax、回弹时刻tE以及最大动态压溃量Dmax，三个参数的单位依次为m/s2、s和m；
(2)所述的等效双台阶波特征参数包括第二台阶的高度G2和阶梯比i；
等效波形特征参数示意图中的两个台阶的高度依次为G1和G2，G2和G2的单位为m/s2；
阶梯比i为G1和G2之比，即i＝G1/G2，i无单位；
2)乘员伤害评价指标的定义：
汽车正面碰撞中乘员的头部和胸部是最容易受伤的部位，本技术方案中定义头胸部综合伤害概率Pcombined来作为评价汽车碰撞过程中乘员伤害评价指标；
3)碰撞波形参数化评价方法的建立。
技术方案中所述的碰撞波形峰值Amax就是加速度-时间曲线上的加速度最大值；所述的回弹时刻tE是由加速度-时间曲线经过一重积分得到的速度-时间曲线上的车辆速度减为0的时刻；所述的最大动态压溃量Dmax即由加速度-时间曲线经过二重积分得到的位移-时间曲线上的最大位移值。
技术方案中所述的头胸部综合伤害概率Pcombined是表示乘员头部和胸部的伤害程度的一个综合指标：
Pcombined＝Phead+Pchest-(Phead·Pchest) (1)
式中：Pcombined为头胸部综合伤害概率；Phead为头部伤害概率；Pchest为胸部伤害概率；
头部伤害概率Phead由正面碰撞CAE仿真或试验直接测得的乘员头部HIC15值求出：
Phead＝[1+exp(5.02-0.00351HIC15)]-1 (2)
式中：HIC15为头部损伤值，无单位；
胸部伤害概率Pchest由正面碰撞CAE仿真或试验直接测得的胸部加速度Achest值求出：
Pchest＝[1+exp(5.55-0.0693Achest)]-1 (3)
式中：Achest为胸部加速度，单位为g。
技术方案中所述的碰撞波形参数化评价方法的建立的步骤如下：
1)样本车型碰撞波形特征参数和乘员伤害评价指标的提取：
(1)本技术方案选取美国高速公路安全管理局在2011-2014年公布的42款获得3星级以上轿车的正面56km/h碰撞试验结果作为基础数据；
(2)按照本技术方案中的碰撞波形特征参数的定义步骤和乘员伤害评价指标的定义步骤分别提取出这42款车型的碰撞波形特征参数即碰撞波形峰值Amax、回弹时刻tE、最大动态压溃量Dmax、第二台阶的高度G2、阶梯比i和头胸部综合伤害概率Pcombined，求出各个参数的最大值、最小值和均值，如表2所示；
表2碰撞波形特征参数和乘员伤害评价指标统计
2)乘员伤害评价指标与碰撞波形特征参数线性回归方程的建立；
3)碰撞波形综合评价指数的建立。
技术方案中所述的乘员伤害评价指标与碰撞波形特征参数线性回归方程的建立是指：本技术方案利用一元线性回归分别拟合得到头胸部综合伤害概率Pcombined与各个波形参数即碰撞波形峰值Amax、回弹时刻tE、最大动态压溃量Dmax、第二台阶的高度G2与阶梯比i之间的回归方程，如表3所示：
表3乘员伤害概率与各个波形参数之间的回归方程
| 波形参数 | 一元线性回归方程 | 决定系数R2 |
| Amax | Pcombiend＝0.0002Amax+0.0149 | 0.309 |
| Dmax | Pcombiend＝-0.2Dmax+0.2344 | 0.117 |
| tE | Pcombiend＝-3.1961tE+0.3169 | 0.358 |
| G2 | Pcombiend＝0.0004G2-0.0381 | 0.543 |
| i | Pcombiend＝-0.1009i+0.1459 | 0.195 |
表中R2为回归方程的决定系数，其值越接近1，表明乘员伤害与波形参数之间的线性拟合程度越好；
从表3中可以看出，碰撞波形参数与乘员伤害之间的线性回归方程的决定系数R2较小，表明回归方程的拟合精度不高，即单一的碰撞波形参数与乘员伤害之间的线性相关程度不高，难以用单一碰撞波形参数来衡量乘员伤害，无法评价碰撞波形的优劣。
技术方案中所述的碰撞波形综合评价指数的建立是指：本技术方案为了解决用单一碰撞波形参数无法衡量乘员伤害，无法评价碰撞波形优劣的问题，将各个波形参数综合起来，建立新的波形评价指标；由于波形参数较多，各参数之间没有统一的度量标准，且各参数的单位及数量级均不相同，对乘员伤害的影响程度也不相同，因此，本技术方案采用加权函数法定义碰撞波形综合评价指数PI来对碰撞波形进行综合评价；加权评价函数的定义为：
式中：U为目标函数值，fi为第i个子目标函数，i＝1,2,……n，λi为fi的权重系数，λi的取值范围为：λi＞0，且具体到波形评价指数PI，fi为第i个碰撞波形特征参数，λi为第i个波形参数的权重系数，i＝1,2,3,4,5；
为了得到各个波形参数的权重系数，本技术方案考虑各参数对乘员伤害的影响程度，定义如下的碰撞波形特征参数权重系数的计算方法：
式中：RPi为乘员头胸部综合伤害概率Pcombined与第i个碰撞波形特征参数之间的线性回归决定系数；
按照式(5)的计算方法，得到各个波形参数的权重系数如表4所示：
表4碰撞波形特征参数的权重系数
| 波形参数 | 权重系数 |
| Amax | 0.18 |
| Dmax | 0.07 |
| tE | 0.25 |
| G2 | 0.32 |
| i | 0.18 |
由于各个波形参数的单位不一样，数量级也存在较大差别，需要将各个波形参数统一为无量纲的参量，本技术方案采用归一化的方法，为了保证归一化后的参数小于1，对于与乘员伤害正相关的波形参数，除以碰撞波形特征参数和乘员伤害评价指标统计表2中该参数最大值的120％，而对于与乘员伤害负相关的波形参数，用碰撞波形特征参数和乘员伤害评价指标统计表2中该参数最小值的80％除以该参数，如式(6)所示：
式中：PI为碰撞波形综合评价指数，PI无单位；
通过加权并归一化，并将5个波形参数的权重系数近似圆整，本技术方案建立的碰撞波形综合评价指数PI的表达形式为：
碰撞波形综合评价指数PI的物理含义为：PI值越小，碰撞波形质量越好，正面碰撞时乘员伤害越小；PI值越大，碰撞波形越恶劣，正面碰撞时乘员伤害越大；
为了验证用PI评价碰撞波形衡量乘员伤害程度的精度，利用一元线性回归方法建立PI与乘员头胸部综合伤害概率Pcombined之间的线性回归方程，如式(8)所示：
Pcombined＝0.2617PI-0.0573 (8)
回归方程(8)的决定系数为0.6867。可以看出乘员伤害与碰撞波形评价指数PI之间呈良好的线性关系，即乘员伤害随着PI的增大而增大，因此可以用的PI大小来衡量乘员的伤害程度，评价碰撞波形的优劣。相对于单一的波形参数，碰撞波形综合评价指数PI与乘员伤害的相关性更强，更能准确全面地反映碰撞波形质量对乘员伤害的影响。
与现有技术相比本发明的有益效果是：
1.本发明所述的汽车正面碰撞波形参数化评价方法建立了碰撞波形综合评价指数PI，PI与乘员伤害有着较强的线性关系，可以通过车辆正面碰撞波形的特征参数计算得到PI，对乘员伤害程度和车辆的碰撞星级进行估计，评价碰撞波形的优劣。
2.本发明所述的汽车正面碰撞波形参数化评价方法所建立的碰撞波形综合评价指数PI形式简单，只需提取出碰撞波形特征参数后利用公式(7)求解，计算快速，与传统的利用CAE和试验进行碰撞波形评价的方法相比，大大节约了建模和仿真所耗费的时间，节省了试验费用，提高了开发效率，并保证了后续车体结构详细设计和乘员约束匹配的成功率。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明：
图1为本发明所述的汽车正面碰撞波形参数化评价方法的流程框图；
图2-a为本发明所述的汽车正面碰撞波形参数化评价方法中的加速度-时间曲线；
图2-b本发明所述的汽车正面碰撞波形参数化评价方法中的速度-时间曲线；
图2-c本发明所述的汽车正面碰撞波形参数化评价方法中的位移-时间曲线；
图3为本发明所述的汽车正面碰撞波形参数化评价方法中的等效波形特征参数示意图；
图4为本发明所述的汽车正面碰撞波形参数化评价方法中的乘员综合伤害概率Pcombined与碰撞波形综合评价指数PI之间的线性回归关系。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细的描述：
参阅图1，本发明提供了汽车正面碰撞波形参数化评价方法，下面结合附图对本发明做详细的描述，其步骤如下：
1.碰撞波形特征参数的定义
本发明所述的碰撞波形特征参数包括直接从碰撞波形上提取到的碰撞波形直接参数和从等效波形上提取到的等效双台阶波特征参数。
1)本技术方案所定义的碰撞波形直接参数包括碰撞波形峰值Amax、回弹时刻tE以及最大动态压溃量Dmax，三个参数的单位分别为m/s2、s和m。
参阅图2-a，碰撞波形峰值Amax即加速度-时间曲线上的加速度最大值。
参阅图2-b，回弹时刻tE由加速度-时间曲线经过一重积分得到的速度-时间曲线上的车辆速度减为0的时刻。
参阅图2-c，最大动态压溃量Dmax即由加速度-时间曲线经过二重积分得到的位移-时间曲线上的最大位移值。
参阅图3，本技术方案以发动机与壁障碰撞时刻为分界点，将正面碰撞波形等效成两个梯形叠加在一起的等效双台阶波。
2)本技术方案定义的等效双台阶波特征参数包括第二台阶的高度G2和阶梯比i，
等效波形特征参数示意图中的两个台阶的高度依次为G1和G2，G2和G2的单位为m/s2；
阶梯比i为G1和G2之比，即i＝G1/G2，i无单位。
2.乘员伤害评价指标的定义
汽车正面碰撞中乘员的头部和胸部是最容易受伤的部位，因此本技术方案中定义头胸部综合伤害概率Pcombined来作为评价汽车碰撞过程中乘员伤害评价指标，Pcombined是表示乘员头部和胸部的伤害程度的一个综合指标：
Pcombined＝Phead+Pchest-(Phead·Pchest) (1)
式中：Pcombined为头胸部综合伤害概率；Phead为头部伤害概率；Pchest为胸部伤害概率。
头部伤害概率Phead由正面碰撞CAE仿真或试验直接测得的乘员头部HIC15值求出：
Phead＝[1+exp(5.02-0.00351HIC15)]-1 (2)
式中：HIC15为头部损伤值，无单位。
胸部伤害概率Pchest由正面碰撞CAE仿真或试验直接测得的胸部加速度Achest值求出：
Pchest＝[1+exp(5.55-0.0693Achest)]-1 (3)
式中：Achest为胸部加速度，单位为g。
3.碰撞波形参数化评价方法的建立
1)样本车型碰撞波形特征参数和乘员伤害评价指标的提取：
(1)美国高速公路安全管理局承担新车评价程序的制定、车型的试验和评价等工作，每年都会对外公布其当年所做车型的碰撞试验报告。本技术方案选取美国高速公路安全管理局在2011-2014年公布的42款获得3星级以上轿车的正面56km/h碰撞试验结果作为基础数据，如表1所示：
表1正面碰撞试验车型
(2)按照本技术方案中的步骤1即碰撞波形特征参数的定义步骤和步骤2即乘员伤害评价指标的定义步骤分别提取出这42款车型的碰撞波形特征参数(碰撞波形峰值Amax、回弹时刻tE、及最大动态压溃量Dmax、第二台阶的高度G2、阶梯比i)和头胸部综合伤害概率Pcombined，求出各个参数的最大值、最小值和均值，如表2所示。
表2碰撞波形特征参数和乘员伤害评价指标统计
2)乘员伤害评价指标与碰撞波形特征参数线性回归方程的建立
为了得到乘员伤害与碰撞波形参数之间的对应关系，本技术方案利用一元线性回归分别拟合得到头胸部综合伤害概率Pcombined与各个波形参数(碰撞波形峰值Amax、回弹时刻tE、最大动态压溃量Dmax、第二台阶的高度G2、阶梯比i)之间的回归方程，如表3所示。
表3乘员伤害概率与各个波形参数之间的回归方程
| 波形参数 | 一元线性回归方程 | 决定系数R2 |
| Amax | Pcombiend＝0.0002Amax+0.0149 | 0.309 |
| Dmax | Pcombiend＝-0.2Dmax+0.2344 | 0.117 |
| tE | Pcombiend＝-3.1961tE+0.3169 | 0.358 |
| G2 | Pcombiend＝0.0004G2-0.0381 | 0.543 |
| i | Pcombiend＝-0.1009i+0.1459 | 0.195 |
表中R2为回归方程的决定系数，其值越接近1，表明乘员伤害与波形参数之间的线性拟合程度越好。从表3中可以看出，碰撞波形参数与乘员伤害之间的线性回归方程的决定系数R2较小，表明回归方程的拟合精度不高，即单一的碰撞波形参数与乘员伤害之间的线性相关程度不高，难以用单一碰撞波形参数来衡量乘员伤害，无法评价碰撞波形的优劣。
从表3中各个方程表达式可以看出，乘员伤害随着碰撞波形峰值Amax和第二台阶的高度G2的增大而增大，即乘员伤害与这两个参数正相关；
乘员伤害随着最大动态压溃量Dmax、回弹时刻tE和阶梯比i的增大而减小，即乘员伤害与这三个参数负相关。
3)碰撞波形综合评价指数的建立
本技术方案为了解决用单一碰撞波形参数无法衡量乘员伤害，无法评价碰撞波形优劣的问题，将各个波形参数综合起来，建立新的波形评价指标。由于波形参数较多，各参数之间没有统一的度量标准，且各参数的单位及数量级均不相同，对乘员伤害的影响程度也不相同，因此，本技术方案采用加权函数法定义碰撞波形综合评价指数(Crash PulseComprehensive Evaluation Index，简称PI)来对碰撞波形进行综合评价。加权评价函数的定义为：
式中：U为目标函数值，fi为第i个子目标函数(i＝1,2,……n)，λi为fi的权重系数，λi的取值范围为：λi＞0，且具体到波形评价指数PI，fi为第i个碰撞波形特征参数，λi为第i个波形参数的权重系数(i＝1,2,3,4,5)。
为了得到各个波形参数的权重系数，本技术方案考虑各参数对乘员伤害的影响程度，定义如下的碰撞波形特征参数权重系数的计算方法：
式中：RPi为乘员头胸部综合伤害概率Pcombined与第i个碰撞波形特征参数之间的线性回归决定系数。
按照式(5)的计算方法，得到各个波形参数的权重系数如表4所示。
表4碰撞波形特征参数的权重系数
| 波形参数 | 权重系数 |
| Amax | 0.18 |
| Dmax | 0.07 |
| tE | 0.25 |
| G2 | 0.32 |
| i | 0.18 |
由于各个波形参数的单位不一样，数量级也存在较大差别，需要将各个波形参数统一为无量纲的参量，本技术方案采用归一化的方法，为了保证归一化后的参数小于1，对于与乘员伤害正相关的波形参数，除以表2中该参数最大值的120％，而对于与乘员伤害负相关的波形参数，用表2中该参数最小值的80％除以该参数，如式(6)所示：
式中：PI为碰撞波形综合评价指数，PI无单位。
通过加权并归一化，并将5个波形参数的权重系数近似圆整，本技术方案建立的碰撞波形综合评价指数PI的表达形式为：
碰撞波形综合评价指数PI的物理含义为：PI值越小，碰撞波形质量越好，正面碰撞时乘员伤害越小；PI值越大，碰撞波形越恶劣，正面碰撞时乘员伤害越大。
为了验证用PI评价碰撞波形衡量乘员伤害程度的精度，利用一元线性回归方法建立PI与乘员头胸部综合伤害概率Pcombined之间的线性回归方程，如式(8)所示：
Pcombined＝0.2617PI-0.0573 (8)
回归方程(8)的决定系数为0.6867。
参阅图4,由图中可以看出乘员伤害与碰撞波形评价指数PI之间呈良好的线性关系，即乘员伤害随着PI的增大而增大，因此可以用的PI大小来衡量乘员的伤害程度，评价碰撞波形的优劣。相对于单一的波形参数，碰撞波形综合评价指数PI与乘员伤害的相关性更强，更能准确全面地反映碰撞波形质量对乘员伤害的影响。本技术方案通过计算42款样本车型碰撞波形综合评价指数PI发现,PI值分布在0.475到0.779，均值为0.575。在PI小于0.6的21款车型中，有18款车型获得了正面碰撞5星成绩；而PI大于0.7的三款车型均为4星成绩。因此可以认为PI＝0.6是车辆获得该工况5星成绩的分水岭，当碰撞波形综合评价指数PI小于0.6时碰撞波形质量良好，导致的乘员伤害较小，是保障车辆获得正面碰撞5星成绩的基础。
实施例
本发明接下来结合实施例介绍本发明所述的汽车正面碰撞波形参数化评价方法。
实施例中选取正在研发阶段的M600型轿车的正面碰撞计算机仿真数据为基础，对其正面碰撞波形进行评价。具体实施过程包括碰撞波形特征参数的提取和碰撞波形综合评价指数PI的计算两个步骤。
1.碰撞波形特征参数的提取
参阅图2-a、图2-b、图2-c与图3，分别从M600型轿车的正面碰撞计算机仿真数据中提取出M600型轿车的加速度-时间曲线、速度-时间曲线和位移-时间曲线。根据具体实施方式中的提取方法，从上述曲线中提取出碰撞波形直接参数：碰撞波形峰值Amax、回弹时刻tE、最大动态压溃量Dmax，以及等效双台阶波特征参数：第二台阶的高度G2和阶梯比i，具体数值为：Amax＝441m/s2，tE＝0.074s，Dmax＝0.73m，G2＝273m/s2，i＝0.443。
2.碰撞波形综合评价指数PI的计算
根据具体实施方式中的推导过程，得到碰撞波形综合评价指数PI的表达形式为：
式中：PI为碰撞波形综合评价指数，PI无单位。
根据具体实施方式中的推导过程，得到碰撞波形综合评价指数PI与乘员头胸部综合伤害概率Pcombined之间的线性回归方程，如式(8)所示：
Pcombined＝0.2617PI-0.0573 (8)
将从M600型轿车的正面碰撞计算机仿真数据中提取出的碰撞波形峰值Amax、回弹时刻tE、最大动态压溃量Dmax，第二台阶的高度G2和阶梯比i的具体数值代入式(7)和式(8)中，求得M600型轿车的碰撞波形综合评价指数PI＝0.554＜0.6，Pcombined＝0.0877。因此可以认为该车的车体结构设计良好，碰撞波形合理，后续通过合理匹配乘员约束系统可以获得较为满意的乘员伤害水平，获得正面碰撞5星级成绩的可能性较大。
综上所述，可以利用本发明提出的汽车正面碰撞波形参数化评价方法对乘员伤害程度和车辆的碰撞星级进行快速估计，从而评价碰撞波形的优劣。与传统的计算机仿真和试验法相比，本发明提出的汽车正面碰撞波形参数化评价方法简单快速，可以提高开发效率并降低开发成本，同时保证了后续车体结构与乘员约束匹配的成功率。
Claims (6)
1.一种汽车正面碰撞波形参数化评价方法，其特征在于，所述的汽车正面碰撞波形参数化评价方法的步骤如下：
1)碰撞波形特征参数的定义：
所述的碰撞波形特征参数包括直接从碰撞波形上提取到的碰撞波形直接参数和从等效波形上提取到的等效双台阶波特征参数；
(1)所述的碰撞波形直接参数包括碰撞波形峰值Amax、回弹时刻tE以及最大动态压溃量Dmax，三个参数的单位依次为m/s2、s和m；
(2)所述的等效双台阶波特征参数包括第二台阶的高度G2和阶梯比i；
等效波形特征参数示意图中的两个台阶的高度依次为G1和G2，G2和G2的单位为m/s2；
阶梯比i为G1和G2之比，即i＝G1/G2，i无单位；
2)乘员伤害评价指标的定义：
汽车正面碰撞中乘员的头部和胸部是最容易受伤的部位，本技术方案中定义头胸部综合伤害概率Pcombined来作为评价汽车碰撞过程中乘员伤害评价指标；
3)碰撞波形参数化评价方法的建立。
2.按照权利要求1所述的汽车正面碰撞波形参数化评价方法，其特征在于，所述的碰撞波形峰值Amax就是加速度-时间曲线上的加速度最大值；
所述的回弹时刻tE是由加速度-时间曲线经过一重积分得到的速度-时间曲线上的车辆速度减为0的时刻；
所述的最大动态压溃量Dmax即由加速度-时间曲线经过二重积分得到的位移-时间曲线上的最大位移值。
3.按照权利要求1所述的汽车正面碰撞波形参数化评价方法，其特征在于，所述的头胸部综合伤害概率Pcombined是表示乘员头部和胸部的伤害程度的一个综合指标：
Pcombined＝Phead+Pchest-(Phead·Pchest) (1)
式中：Pcombined为头胸部综合伤害概率；Phead为头部伤害概率；Pchest为胸部伤害概率；
头部伤害概率Phead由正面碰撞CAE仿真或试验直接测得的乘员头部HIC15值求出：
Phead＝[1+exp(5.02-0.00351HIC15)]-1 (2)
式中：HIC15为头部损伤值，无单位；
胸部伤害概率Pchest由正面碰撞CAE仿真或试验直接测得的胸部加速度Achest值求出：
Pchest＝[1+exp(5.55-0.0693Achest)]-1 (3)
式中：Achest为胸部加速度，单位为g。
4.按照权利要求1所述的汽车正面碰撞波形参数化评价方法，其特征在于，所述的碰撞波形参数化评价方法的建立的步骤如下：
1)样本车型碰撞波形特征参数和乘员伤害评价指标的提取：
(1)本技术方案选取美国高速公路安全管理局在2011-2014年公布的42款获得3星级以上轿车的正面56km/h碰撞试验结果作为基础数据；
(2)按照本技术方案中的碰撞波形特征参数的定义步骤和乘员伤害评价指标的定义步骤分别提取出这42款车型的碰撞波形特征参数即碰撞波形峰值Amax、回弹时刻tE、最大动态压溃量Dmax、第二台阶的高度G2、阶梯比i和头胸部综合伤害概率Pcombined，求出各个参数的最大值、最小值和均值，如表2所示；
表2 碰撞波形特征参数和乘员伤害评价指标统计
2)乘员伤害评价指标与碰撞波形特征参数线性回归方程的建立；
3)碰撞波形综合评价指数的建立。
5.按照权利要求4所述的汽车正面碰撞波形参数化评价方法，其特征在于，所述的乘员伤害评价指标与碰撞波形特征参数线性回归方程的建立是指：
本技术方案利用一元线性回归分别拟合得到头胸部综合伤害概率Pcombined与各个波形参数即碰撞波形峰值Amax、回弹时刻tE、最大动态压溃量Dmax、第二台阶的高度G2与阶梯比i之间的回归方程，如表3所示：
表3 乘员伤害概率与各个波形参数之间的回归方程
表中R2为回归方程的决定系数，其值越接近1，表明乘员伤害与波形参数之间的线性拟合程度越好；
从表3中可以看出，碰撞波形参数与乘员伤害之间的线性回归方程的决定系数R2较小，表明回归方程的拟合精度不高，即单一的碰撞波形参数与乘员伤害之间的线性相关程度不高，难以用单一碰撞波形参数来衡量乘员伤害，无法评价碰撞波形的优劣。
6.按照权利要求4所述的汽车正面碰撞波形参数化评价方法，其特征在于，所述的碰撞波形综合评价指数的建立是指：
本技术方案为了解决用单一碰撞波形参数无法衡量乘员伤害，无法评价碰撞波形优劣的问题，将各个波形参数综合起来，建立新的波形评价指标；由于波形参数较多，各参数之间没有统一的度量标准，且各参数的单位及数量级均不相同，对乘员伤害的影响程度也不相同，因此，本技术方案采用加权函数法定义碰撞波形综合评价指数PI来对碰撞波形进行综合评价；加权评价函数的定义为：
<mrow>
<mi>U</mi>
<mo>=</mo>
<munderover>
<mi>&Sigma;</mi>
<mrow>
<mi>i</mi>
<mo>=</mo>
<mn>1</mn>
</mrow>
<mi>n</mi>
</munderover>
<msub>
<mi>&lambda;</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
<msub>
<mi>f</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>4</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
式中：U为目标函数值，fi为第i个子目标函数，i＝1,2,……n，λi为fi的权重系数，λi的取值范围为：λi＞0，且具体到波形评价指数PI，fi为第i个碰撞波形特征参数，λi为第i个波形参数的权重系数，i＝1,2,3,4,5；
为了得到各个波形参数的权重系数，本技术方案考虑各参数对乘员伤害的影响程度，定义如下的碰撞波形特征参数权重系数的计算方法：
<mrow>
<msub>
<mi>&lambda;</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<msub>
<mi>R</mi>
<mrow>
<mi>P</mi>
<mi>i</mi>
</mrow>
</msub>
<mrow>
<munderover>
<mi>&Sigma;</mi>
<mrow>
<mi>i</mi>
<mo>=</mo>
<mn>1</mn>
</mrow>
<mn>5</mn>
</munderover>
<msub>
<mi>R</mi>
<mrow>
<mi>P</mi>
<mi>i</mi>
</mrow>
</msub>
</mrow>
</mfrac>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>5</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
式中：RPi为乘员头胸部综合伤害概率Pcombined与第i个碰撞波形特征参数之间的线性回归决定系数；
按照式(5)的计算方法，得到各个波形参数的权重系数如表4所示：
表4 碰撞波形特征参数的权重系数
由于各个波形参数的单位不一样，数量级也存在较大差别，需要将各个波形参数统一为无量纲的参量，本技术方案采用归一化的方法，为了保证归一化后的参数小于1，对于与乘员伤害正相关的波形参数，除以碰撞波形特征参数和乘员伤害评价指标统计表2中该参数最大值的120％，而对于与乘员伤害负相关的波形参数，用碰撞波形特征参数和乘员伤害评价指标统计表2中该参数最小值的80％除以该参数，如式(6)所示：
<mrow>
<mi>P</mi>
<mi>I</mi>
<mo>=</mo>
<mn>0.18</mn>
<mo>&times;</mo>
<mfrac>
<msub>
<mi>A</mi>
<mrow>
<mi>m</mi>
<mi>a</mi>
<mi>x</mi>
</mrow>
</msub>
<mrow>
<mn>666</mn>
<mo>&times;</mo>
<mn>120</mn>
<mi>%</mi>
</mrow>
</mfrac>
<mo>+</mo>
<mn>0.07</mn>
<mo>&times;</mo>
<mfrac>
<mrow>
<mn>0.54</mn>
<mo>&times;</mo>
<mn>80</mn>
<mi>%</mi>
</mrow>
<msub>
<mi>D</mi>
<mrow>
<mi>m</mi>
<mi>a</mi>
<mi>x</mi>
</mrow>
</msub>
</mfrac>
<mo>+</mo>
<mn>0.25</mn>
<mo>&times;</mo>
<mfrac>
<mrow>
<mn>0.06</mn>
<mo>&times;</mo>
<mn>80</mn>
<mi>%</mi>
</mrow>
<msub>
<mi>t</mi>
<mi>E</mi>
</msub>
</mfrac>
<mo>+</mo>
<mn>0.32</mn>
<mo>&times;</mo>
<mfrac>
<msub>
<mi>G</mi>
<mn>2</mn>
</msub>
<mrow>
<mn>470</mn>
<mo>&times;</mo>
<mn>120</mn>
<mi>%</mi>
</mrow>
</mfrac>
<mo>+</mo>
<mn>0.18</mn>
<mo>&times;</mo>
<mfrac>
<mrow>
<mn>0.279</mn>
<mo>&times;</mo>
<mn>80</mn>
<mi>%</mi>
</mrow>
<mi>i</mi>
</mfrac>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>6</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
式中：PI为碰撞波形综合评价指数，PI无单位；
通过加权并归一化，并将5个波形参数的权重系数近似圆整，本技术方案建立的碰撞波形综合评价指数PI的表达形式为：
<mrow>
<mi>P</mi>
<mi>I</mi>
<mo>=</mo>
<mn>0.000225</mn>
<msub>
<mi>A</mi>
<mrow>
<mi>m</mi>
<mi>a</mi>
<mi>x</mi>
</mrow>
</msub>
<mo>+</mo>
<mfrac>
<mn>0.0301</mn>
<msub>
<mi>D</mi>
<mrow>
<mi>m</mi>
<mi>a</mi>
<mi>x</mi>
</mrow>
</msub>
</mfrac>
<mo>+</mo>
<mfrac>
<mn>0.012</mn>
<msub>
<mi>t</mi>
<mi>E</mi>
</msub>
</mfrac>
<mo>+</mo>
<mn>0.000567</mn>
<msub>
<mi>G</mi>
<mn>2</mn>
</msub>
<mo>+</mo>
<mfrac>
<mn>0.0396</mn>
<mi>i</mi>
</mfrac>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>7</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
碰撞波形综合评价指数PI的物理含义为：PI值越小，碰撞波形质量越好，正面碰撞时乘员伤害越小；PI值越大，碰撞波形越恶劣，正面碰撞时乘员伤害越大；
为了验证用PI评价碰撞波形衡量乘员伤害程度的精度，利用一元线性回归方法建立PI与乘员头胸部综合伤害概率Pcombined之间的线性回归方程，如式(8)所示：
Pcombined＝0.2617PI-0.0573 (8)
回归方程(8)的决定系数为0.6867,看出乘员伤害与碰撞波形评价指数PI之间呈良好的线性关系，即乘员伤害随着PI的增大而增大，因此可以用的PI大小来衡量乘员的伤害程度，评价碰撞波形的优劣,相对于单一的波形参数，碰撞波形综合评价指数PI与乘员伤害的相关性更强，更能准确全面地反映碰撞波形质量对乘员伤害的影响。
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