CN108647464B - 概念设计阶段约束系统的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了概念设计阶段约束系统的设计方法，为克服传统设计方法中低水平重复寻优过程的问题，其步骤：1.确定输入条件：1)乘员胸部加速度限值G；2)车内生存空间S₀；3)碰撞初速度v₀；4)碰撞波形：在概念设计阶段，车体前端结构尚未设计完成，因此以幅值为A₀的矩形波作为碰撞波形，t_v的计算式为：式中：矩形波形中A₀为矩形波幅值，t_v为车体速度减为0的时刻，即停车时刻；2.简化曲线处理；3.约束刚度和碰撞波形的耦合作用分析；4.求解乘员相对运动响应和约束系统固有频率：1)引入振动方程；2)求解极限时间t_L、极限相对速度v_L、极限相对位移D_L；3)求解约束系统固有频率ω；5.输出梯形约束刚度曲线。

Description

概念设计阶段约束系统的设计方法

技术领域

本发明涉及一种设计方法，更具体地说，本发明涉及一种概念设计阶段约束系统的设计方法。

背景技术

汽车乘员约束系统是指汽车发生碰撞时车内限制乘员运动的全部部件的总称，包括安全带、安全气囊、座椅、仪表板、转向柱、车门、安全玻璃以及内饰件等。如果将乘员简化为一个质点，便可以将约束系统对乘员的作用力等效为一个集中的作用力。在进行碰撞力学理论研究时，将“乘员加速度-乘员相对位移”曲线定义为“约束系统刚度曲线”，表示约束系统特性。由于乘员加速度相当于单位质量受力，所以这里所说的约束系统刚度代表约束系统比刚度。

从约束系统角度来看，要达到较好的乘员保护效果，需要根据每辆车的不同对各个约束系统装置进行参数匹配。在整车安全性开发流程中，约束系统匹配是在整车结构的抗撞性设计之后进行的，即在确定整车碰撞减速环境、车体侵入量以及乘员生存空间之后再进行约束系统参数匹配。目前约束系统参数匹配多采用仿真技术和试验技术相结合的方法。采用仿真技术极大地降低了开发成本，缩短了开发周期。然而在汽车安全性概念设计阶段，缺少详细的3D数据，无法采用仿真分析进行约束系统主要参数的设计。因此，迫切地需要从碰撞力学的角度深入研究碰撞系统的本质，从而在CAE(Computer AidedEngineering)分析之前的概念设计阶段确定车体结构和约束系统的主要设计参数，使CAE计算更有针对性，避免了传统设计方法中低水平重复的寻优过程。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服了传统设计方法中低水平重复的寻优过程的问题，提供了一种概念设计阶段约束系统的设计方法。

为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的：所述的概念设计阶段约束系统的设计方法包括步骤如下：

1)确定输入条件：

(1)乘员胸部加速度限值G

乘员胸部加速度限值G分布在30～50g之间，G值越小代表乘员安全性要求越高；

(2)车内生存空间S₀

车内生存空间S₀定义为乘员胸部到转向盘的水平距离；在整车抗撞性的概念设计阶段，车体总布置参数基本确定，车内生存空间S₀也确定；

(3)碰撞初速度v₀

所述的碰撞初速度v₀根据碰撞试验要求确定；

(4)碰撞波形

t_v的计算式为：

式中：v₀为碰撞初速度，矩形波形中A₀为矩形波幅值，t_v为车体速度减为0的时刻，即停车时刻；

2)简化曲线处理:

(1)简化约束刚度曲线

梯形约束系统刚度的简化参数包括：

约束系统等效刚度k、乘员加速度G、乘员最大相对位移D_o/v及乘员加速度达到限值时刻t_L的相对位移D_L，简称极限相对位移；

其中：G是正向设计时根据乘员保护要求提出的胸部加速度限值,

D_o/v是总布置阶段已经确定好的乘员生存空间S₀,

k与约束系统力学参数相关，如安全带预紧量，限力等级，安全气囊充气量，泄气孔尺寸，以及吸能式转向管柱维持力；在梯形约束刚度曲线中k和D_L为未知量。

(2)简化碰撞波形曲线

将时间域的矩形波转化到相对位移域，转化过程中矩形波的幅值A₀不变，D_r0为车体停止运动时乘员的相对位移，与停车时刻t_v对应；

3)约束刚度与碰撞波形的耦合作用分析：

利用面积相等原理，相对位移域车体加速度曲线和乘员加速度曲线的面积相等，在相对位移域上约束能量密度满足：

式中:为乘员加速度，为车体加速度，x_o/v为乘员相对位移；

因此，矩形波与梯形约束系统刚度的对应关系图中粗虚线和实线两部分与相对位移所围成的面积相等，得到：

通过上式得到约束系统刚度，其中D_r0为未知量，可以分为ΔD和D_L两段：

D_r0＝D_L+ΔD (4)

式中：式中D_r0为车体停止运动时乘员的相对位移，D_L为称极限相对位移，ΔD为D_L与D_r0之间的位移差，三个参数的单位均为m；

4)求解乘员相对运动响应和约束系统固有频率：

(1)引入振动方程

将碰撞系统简化为单自由度模型，单自由度模型中m的振动方程为：

其中乘员相对位移为：

x_o/v＝x_o-x_v (6)

式中：m为乘员质量，单位为kg；k为约束刚度，与梯形波k值相同；x_o为乘员位移，单位为m；x_v为车体位移，单位为m；

(2)求解极限时间t_L、极限相对速度v_L、极限相对位移D_L

根据矩形波输入下的振动方程求解，可以得到D_L之前乘员的运动方程为

A₀为矩形波幅值，单位为g；

乘员的运动响应为

其中：约束系统固有频率ω为：

梯形约束系统刚度曲线上乘员加速度达到限值时刻t_L的相对速度v_L和相对位移D_L的计算式分别为：

由

解得

令

式中：T为设定的变量；t_L为梯形约束系统刚度曲线上乘员加速度达到限值时刻，单位s；A₀为矩形波幅值，单位m/s²；G为乘员加速度限值，单位m/s²；

(3)求解约束系统固有频率ω

在t_L和停车时刻t_v之间，乘员将进行匀减速度运动，

通过以上公式推导关于ω的方程如下：

到此，约束系统固有频率求解完成；

5)输出梯形的约束刚度曲线：

根据公式(11)与公式(14)输出梯形约束系统刚度k和极限相对位移D_L，如公式(20)和(21)：

到此，梯形约束刚度曲线的参数G、D_o/v、k和D_L均已知；

显示约束系统的梯形约束刚度。

与现有技术相比本发明的有益效果是：

1.本发明所述的概念设计阶段约束系统的设计方法可以在概念设计阶段(没有详细3D数模的情况下)实现约束刚度特性的初步设计；

2.本发明所述的概念设计阶段约束系统的设计方法的设计结果可以指导约束系统匹配，使CAE计算更有针对性，避免了大量重复的试算过程，节约人力、财力，缩短产品开发周期。

3.本发明所述的概念设计阶段约束系统的设计方法流程简单、应用方便。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

图1为本发明所述的概念设计阶段约束系统的设计方法的流程框图；

图2为本发明所述的概念设计阶段约束系统的设计方法的车内生存空间示意图；

图3为本发明所述的概念设计阶段约束系统的设计方法的碰撞波形示意图；

图4为本发明所述的概念设计阶段约束系统的设计方法的梯形约束刚度曲线示意图

图5为本发明所述的概念设计阶段约束系统的设计方法的矩形波示意图；

图6为本发明所述的概念设计阶段约束系统的设计方法的矩形波与梯形约束系统刚度的对应关系图；

图7为本发明所述的概念设计阶段约束系统的设计方法的单自由度模型示意图。

图中：1.输入模块，2.简化曲线处理模块，3.耦合分析模块，4.求解模块，5.输出模块。

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，本发明所述的概念设计阶段约束系统的设计方法的模块构架包括输入模块1、简化曲线处理模块2、耦合分析模块3、求解模块4与输出模块5；其中：

所述的输入模块1负责输入乘员胸部加速度限值和车内生存空间两个约束条件、碰撞初速度和车体碰撞波形。

所述的简化曲线处理模块2包括简化约束刚度曲线和简化碰撞波形曲线两部分。其中简化的约束刚度曲线由乘员胸部加速度限值和车内生存空间两个约束条件确定，简化的碰撞波形曲线由矩形波转化到相对位移域获得。

所述的耦合分析模块3将对简化约束刚度曲线和简化碰撞波形曲线进行耦合作用分析，利用面积相等原理推导出简化刚度曲线上的未知参数的表达式。

所述的求解模块4包括引入振动方程、求解极限时间t_L、极限相对速度v_L、极限相对位移D_L和求解约束系统固有频率ω三个部分。其中所述的求解模块4将耦合分析模块3中输出的未知参数的表达式，结合单自由度模型的振动方程求出极限时间t_L、极限相对速度v_L、极限相对位移D_L的表达式，联立各等式进一步求解出约束系统固有频率ω，并将求解完成的梯形约束刚度曲线输出到输出模块5。

本发明所述的概念设计阶段约束系统的设计方法的步骤如下:

1.确定输入条件

1)乘员胸部加速度限值G

乘员胸部加速度限值G与乘员伤害线性相关，因此本发明所述的概念设计阶段约束系统的设计方法采用乘员加速度限值G作为设计要求，G一般分布在30～50g之间，G值越小代表乘员安全性要求越高；

2)车内生存空间S₀

参阅图2，车内生存空间S₀定义为乘员胸部到转向盘的水平距离；在整车抗撞性的概念设计阶段，车体总布置参数基本确定，车内生存空间S₀也可以确定；

3)碰撞初速度v₀

本发明所述的一种概念设计阶段约束系统的设计方法的碰撞初速度v₀根据碰撞试验要求确定；

4)碰撞波形

参阅图3，图中A₀为矩形波幅值，t_v为车体速度减为0的时刻，即停车时刻；在概念设计阶段，车体前端结构尚未设计完成，因此本发明所述的概念设计阶段约束系统的设计方法以幅值为A₀的矩形波作为碰撞波形，t_v的计算式为：

输入模块1确定了输入条件可以进行下一步的工作。

2.简化曲线处理

1)简化约束刚度曲线

参阅图4，本发明所述的概念设计阶段约束系统的设计方法综合考虑相对位移域内乘员加速度曲线的形状和简化曲线的复杂程度两个因素，以梯形约束系统刚度作为约束系统概念设计阶段的目标曲线。图4中梯形约束系统刚度的简化参数包括约束系统等效刚度k、乘员加速度G、乘员最大相对位移D_o/v，以及乘员加速度达到限值时刻t_L的相对位移，简称极限相对位移D_L，由约束系统等效刚度k的值确定；其中G是正向设计时根据乘员保护要求提出的胸部加速度限值,D_o/v是总布置阶段已经确定好的乘员生存空间S₀,k与约束系统力学参数相关，如安全带预紧量，限力等级，安全气囊充气量，泄气孔尺寸，以及吸能式转向管柱维持力等；在梯形约束刚度曲线中k和D_L为未知量。

2)简化的碰撞波形曲线处理

参阅图5，将时间域的矩形波转化到相对位移域，转化过程中矩形波的幅值A₀不变，D_r0为车体停止运动时乘员的相对位移，与停车时刻t_v对应。

简化曲线处理模块2可以获得碰撞波形和约束刚度曲线的主要信息，从而进行耦合作用分析。

3.约束刚度与碰撞波形的耦合作用分析

在车体前端结构确定的情况下，乘员约束系统设计应在保证最大相对位移不超过车内生存空间的前提下，尽量降低乘员加速度G，其中车体与乘员的最大相对位移D_o/v并不是由约束系统特性单独确定，而是由车体和约束系统特性共同决定，通常增大k和G可以有效降低D_o/v，但加速度G越大意味着乘员伤害水平会越高，而提高刚度k可能会带来约束系统配置成本的提高。

参阅图6，当碰撞波形简化为矩形波，约束刚度曲线简化为梯形波时，碰撞波形和约束系统的耦合作用效果如图所示。图中：A₀为矩形波的幅值；D_r0为车体停止运动时乘员的相对位移，车体和乘员在减速过程中，如果车体较乘员先停止，即能够增加Ride-down效率，又能够充分利用乘员的可移动距离；设乘员最大相对位移D_o/v略大于D_r0；D_L为梯形约束系统刚度曲线上乘员加速度达到限值时对应的相对位移，简称极限相对位移；ΔD为D_L与D_r0之间的位移差。

利用面积相等原理，相对位移域车体加速度曲线和乘员加速度曲线的面积相等，在相对位移域上约束能量密度满足：

因此，图6中粗虚线和实线两部分与相对位移所围成的面积相等，得到：

通过上式得到约束系统刚度，其中D_r0为未知量，可以分为ΔD和D_L两段：

D_r0＝D_L+ΔD (4)

式中D_r0为车体停止运动时乘员的相对位移，D_L为称极限相对位移，ΔD为D_L与D_r0之间的位移差，三个参数的单位均为m。

耦合分析模块3利用面积相等原理对碰撞波形和约束刚度的简化曲线进行耦合作用分析，可以建立约束刚度简化曲线中未知参数D_r0的方程，进而确定下一步需要求解的参数。

4.求解乘员相对运动响应和约束系统固有频率

1)引入振动方程

参阅图7，将碰撞系统简化为单自由度模型，图中M为整车质量，单位为kg；m为乘员质量，单位为kg；k为约束刚度，与梯形波k值相同；x_o为乘员位移，单位为m；x_v为车体位移，单位为m；a_v为系统输入的矩形波(即碰撞波形为矩形波)，矩形波幅值为A₀，单位为g；停车时刻为t_v，单位为s；单自由度模型中m的振动方程为：

其中乘员相对位移为：

x_o/v＝x_o-x_v (6)

2)求解极限时间t_L、极限相对速度v_L、极限相对位移D_L

根据矩形波输入下的振动方程求解，可以得到D_L之前乘员的运动方程为

乘员的运动响应为

其中：约束系统固有频率ω为：

梯形约束系统刚度曲线上乘员加速度达到限值时刻t_L的相对速度v_L和相对位移D_L的计算式分别为：

由

解得

令

式中：T为设定的变量；t_L为梯形约束系统刚度曲线上乘员加速度达到限值时刻，单位s；A₀为矩形波幅值，单位m/s²；G为乘员加速度限值，单位m/s²。

3)求解约束系统固有频率ω

在t_L和停车时刻t_v之间，乘员将进行匀减速度运动，

通过以上公式推导关于ω的方程如下：

求解模块4引入单自由度振动方程实现简化曲线下的乘员相对运动响应的求解，进而完成约束系统固有频率的求解。

5.输出梯形的约束刚度曲线

根据公式(11)和公式(14)输出梯形约束系统刚度k和极限相对位移D_L，如公式(20)和(21)：

到此，梯形约束刚度曲线的参数G、D_o/v、k和D_L均已知；

在输出模块5中显示求解完成的梯形约束刚度曲线。

实施例1

利用上述方法对汽车抗撞性概念设计阶段约束系统的主要参数进行设计，设计步骤如下：

1.确定输入条件

初始已知条件为某车型(M6车型)的矩形波A₀为20g、车内生存空间S₀为0.225m、乘员胸部加速度限值G为30g、碰撞初速度为v₀为56.3km/h，根据公式(1)计算得到停车时刻t_v为0.0798s：

2.简化曲线处理

在梯形约束刚度曲线中乘员胸部加速度限值G为30g，最大相对位移D_o/v为0.225m，约束刚度k和极限相对位移D_L为未知量。在相对位移域的矩形波曲线中，波形幅值A₀仍为20g，车体停止运动时乘员的相对位移D_r0为未知量。

3.约束刚度和碰撞波形的耦合作用分析

设乘员最大相对位移D_o/v略大于D_r0，利用面积相等原理，矩形波和梯形波与相对位移所围成的面积相等，根据公式(3)得到：

通过上式得到约束系统刚度，其中D_r0未知量，可以分为ΔD和D_L两段，根据公式(4)有：

4.求解乘员相对运动响应和约束系统固有频率

引入矩形波输入下的振动方程求解，根据公式(7)可以得到D_L之前乘员的运动方程为

根据公式(8)、(9)和(10)，乘员的运动响应为

根据公式(11)，约束系统固有频率ω为：

根据公式(12)～(15)，求解出梯形约束系统刚度曲线上乘员加速度达到限值时刻t_L的相对速度v_L和相对位移D_L的计算式分别为：

由

解得

令

在t_L和停车时刻t_v之间，乘员将进行匀减速度运动，根据公式(17)有：

根据公式(19)推导关于ω的方程如下：

到此，约束系统固有频率求解完成。

5.输出梯形约束刚度曲线

根据公式(11)和公式(14)输出梯形约束系统刚度k和极限相对位移D_L，如公式(20)和(21)：

k＝ω²＝2809s^-2

到此，梯形约束刚度曲线的参数G、D_o/v、k和D_L均已知。

梯形约束刚度的设计结果在结果输出模块5中显示出来，从而完成概念设计阶段的约束系统主要参数的设计。

Claims (1)

1.一种概念设计阶段约束系统的设计方法,其特征在于，所述的概念设计阶段约束系统的设计方法包括步骤如下：

1)确定输入条件：

(1)乘员胸部加速度限值G

乘员胸部加速度限值G分布在30～50g之间，G值越小代表乘员安全性要求越高；

(2)车内生存空间S₀

车内生存空间S₀定义为乘员胸部到转向盘的水平距离；在整车抗撞性的概念设计阶段，车体总布置参数基本确定，车内生存空间S₀也确定；

(3)碰撞初速度v₀

所述的碰撞初速度v₀根据碰撞试验要求确定；

(4)碰撞波形

t_v的计算式为：

式中：v₀为碰撞初速度,矩形波形中A₀为矩形波幅值，t_v为车体速度减为0的时刻，即停车时刻；

2)简化曲线处理：

(1)简化约束刚度曲线

梯形约束系统刚度的简化参数包括：

约束系统等效刚度k、乘员加速度G、乘员最大相对位移D_o/v及乘员加速度达到限值时刻t_L的相对位移D_L，简称极限相对位移；

其中：G是正向设计时根据乘员保护要求提出的胸部加速度限值,

D_o/v是总布置阶段已经确定好的乘员生存空间S₀,

k与约束系统力学参数相关，如安全带预紧量，限力等级，安全气囊充气量，泄气孔尺寸，以及吸能式转向管柱维持力；在梯形约束刚度曲线中k和D_L为未知量；

(2)简化碰撞波形曲线

将时间域的矩形波转化到相对位移域，转化过程中矩形波的幅值A₀不变，D_r0为车体停止运动时乘员的相对位移，与停车时刻t_v对应；

3)约束刚度与碰撞波形的耦合作用分析：

利用面积相等原理，相对位移域车体加速度曲线和乘员加速度曲线的面积相等，在相对位移域上约束能量密度满足：

式中:为乘员加速度，为车体加速度，x_o/v为乘员相对位移；

因此，矩形波与梯形约束系统刚度的对应关系图中粗虚线和实线两部分与相对位移所围成的面积相等，得到：

通过上式得到约束系统刚度，其中D_r0为未知量，可以分为ΔD和D_L两段：

D_r0＝D_L+ΔD (4)

式中：式中D_r0为车体停止运动时乘员的相对位移，D_L为称极限相对位移，ΔD为D_L与D_r0之间的位移差，三个参数的单位均为m；

4)求解乘员相对运动响应和约束系统固有频率：

(1)引入振动方程

将碰撞系统简化为单自由度模型，单自由度模型中m的振动方程为：

其中乘员相对位移为：

x_o/v＝x_o-x_v (6)

式中：m为乘员质量，单位为kg；k为约束刚度，与梯形波k值相同；x_o为乘员位移，单位为m；x_v为车体位移，单位为m；

(2)求解极限时间t_L、极限相对速度v_L、极限相对位移D_L

根据矩形波输入下的振动方程求解，可以得到D_L之前乘员的运动方程为

A₀为矩形波幅值，单位为g

乘员的运动响应为

其中：约束系统固有频率ω为：

梯形约束系统刚度曲线上乘员加速度达到限值时刻t_L的相对速度v_L和相对位移D_L的计算式分别为：

由

解得

令

式中：T为设定的变量；t_L为梯形约束系统刚度曲线上乘员加速度达到限值时刻，单位s；A₀为矩形波幅值，单位m/s²；G为乘员加速度限值，单位m/s²；

(3)求解约束系统固有频率ω

在t_L和停车时刻t_v之间，乘员将进行匀减速度运动，

通过以上公式推导关于ω的方程如下：

到此，约束系统固有频率求解完成；

5)输出梯形约束刚度曲线：

根据公式(11)与公式(14)输出梯形约束系统刚度k和极限相对位移D_L，如公式(20)和(21)：

到此，梯形约束刚度曲线的参数G、D_o/v、k和D_L均已知；

显示约束系统的梯形约束刚度。