乘员安全范文
乘员安全范文（精选6篇）
乘员安全 第1篇
关键词：微型汽车,汽车安全,正面碰撞,乘员约束系统
对于微型客车来说,由于成本因素,很多车型都未匹配驾驶员侧安全气囊,同时又由于其车身前端变形区相对较短,车身耐撞性相对较差,在这种条件下仍要满足我国的正面碰撞法规GB 11551[1],这就对乘员约束系统设计提出了更高的要求,特别是针对驾驶员头部的保护。最近几年在汽车乘员约束系统开发中,乘员损伤仿真分析逐渐成为乘员约束系统开发的主要工具,在很大程度上缩短了新产品的开发周期,国内很多学者都对乘员约束系统进行了研究并得到了较好的结果[2,3,4]。
本文针对某款自主品牌微型客车正面碰撞安全性设计,建立了该车的驾驶员侧约束系统模型,为了保证该模型的准确性,对该模型进行了验证。在验证模型的基础上分析了不同安全带类型对头部保护的作用,同时也研究了座椅靠背角对头部损伤的影响。最后得出合理设计持续限力式安全带或座椅靠背角,控制头部与方向盘的接触位置,可以有效地降低头部损伤指标。
1 乘员约束系统模型建立和验证
乘员损伤分析软件(Mathematical dynamic model,MADY-MO)是模拟物理系统动力学响应的计算程序,重点应用于车辆碰撞和乘员损伤分析。MADYMO中包含许多已验证的假人,适用于研究汽车碰撞过程中的乘员响应,评价各种约束系统设计参数,假人坐姿和车身减速度波形的影响。本文使用该软件建立了约束系统模型。在正面碰撞中汽车的乘员舱变形较小,为了简化模型和提高计算效率,建立了乘员舱的多刚体模型,乘员舱部分主要有方向盘、座椅、挡风玻璃、仪表板、防火墙、脚踏板和地板等。根据这些部件在实际碰撞中的相对运动情况,将它们用不同的铰链连接。分析中使用了多体的混合安全带模型,有利于下一步分析座椅靠背角的影响。仿真使用的乘员模型是法规规定的混3型第50百分位男性假人,该假人可以直接从MADYMO人体模型库中调用,用以测量乘员的损伤指标。考虑到车体的前倾运动较大,模型输入包含了实车的纵向和竖直方向的B柱减速度及车体的整体转动。完整的乘员约束系统模型如图1所示。
约束系统模型验证是保证仿真模型与实际一致的必要保证,包括零部件验证和整体模型验证。零部件验证主要是验证部件的力学特性,比如方向盘、安全带和座椅的刚度等。方向盘面板的动态试验验证如图2所示,仿真和试验结果对比如图3所示。
整体模型验证主要是保证模型中假人的响应尽可能地接近试验结果,达到真实碰撞的再现。良好的模型可以预测不同方案对乘员的保护效果,可以用于约束系统参数的分析和优化。仿真模型与碰撞试验结果响应对比情况如图4所示。仿真中假人头部、胸部和骨盆的动力学响应基本和试验一致,大腿力和实际偏差较大,主要是由于仪表板的破裂引起膝盖接触区域的刚度变化较大。安全带肩带力在起始时刻、峰值、峰值时刻、整体形状等方面和试验也比较吻合。可见该模型具有较高的精度,可以用于下一步的优化研究。
2 汽车乘员损伤分析优化
按照我国的正面碰撞法规GB11551要求计算了乘员损伤指标,头部损伤指标HIC36为1124.7,胸部压缩量指标C为43.3 mm,左/右大腿力指标Fl/Fr分别为775.6N和766.9 N。可见头部损伤指标已经超过了法规要求的限值1 000,其他损伤指标的余量较大。考虑到该车已经处于开发的后期,因此考虑通过优化约束系统来降低头部损伤指标。试验中使用的是普通安全带,座椅靠背角为25°,头部与方向盘面板发生了碰撞,为了调查头部损伤指标超标的原因,首先通过方向盘的动态试验的方法研究了方向盘的碰撞性能,方向盘面板的动态性能如图3所示,方向盘上轮缘的动态特性如图5所示。可见方向盘上轮缘的吸能特性远远优于面盘,因此确定了下一步的优化方向是改变头部与方向盘的接触位置,以降低头部损伤指标。
确保头部与方向盘上轮缘接触,一是增加乘员头部运动的前移量,二是缩小头部与上轮缘的相对距离。因此通过乘员损伤仿真研究了具体的方案,一是使用持续限力式安全带,二是减小座椅的靠背角。
首先试用了扭力杆限力级别为4 500 N持续式限力安全带,仿真乘员头部接触位置对比如图6所示,头部损伤指标HIC36由原始验证模型的1131.5降低到771.6。持续限力式安全带的使用,确保了头部按照预定的要求首先与方向盘上轮缘发生了接触,而且头部损伤指标得到了较大幅度的改善。
然后将座椅的靠背角由25°改为20°,对乘员的运动姿态和头部损伤指标进行了分析。乘员头部接触位置对比如图7所示。乘员头部也首先与方向盘上轮缘接触,接触的程度相比使用限力式安全带较轻,但是乘员头部损伤指标也还是得到了较大的改善,由1131.5降低到869.3。
综合分析,使用持续限力式安全带或是减少座椅靠背角都可以有效地控制头部与方向盘上轮缘接触,从而也大幅度地降低了头部损伤指标,很好地满足了国家法规要求。
为了验证这2种方案的有效性,分别通过台车试验进行了验证,台车试验中乘员的头部合成加速度曲线如图8所示。可见使用限力式安全带和减少座椅靠背角2种方案的头部加速度峰值和峰值持续时间与原状态相对都得到了降低,对应的乘员头部损伤指标HIC36分为786.1和714.4,2种方案中乘员头部损伤指标都得到了明显地改善。在使用持续限力式安全带的情况下,由于仿真分析中没有考虑仪表板相对于方向盘的位置,导致试验中头部和仪表板发生了轻微的接触,头部加速度曲线中出现了一个峰值,因此在实际的限力级别设计中要充分考虑。
3 结论
对于驾驶员侧没有匹配安全气囊的约束系统,驾驶员的头部保护是约束系统设计的难点。方向盘的碰撞性能对头部损伤指标有着直接的影响,研究表明方向盘上轮缘的吸能特性往往都优于面板。因此通过使用持续限力式安全带或是减少座椅靠背角来实现头部与方向盘上轮缘接触,可以大幅度地降低头部损伤指标。
参考文献
[1]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国国家标准化管理委员会.乘用车正面碰撞的乘员保护(GB 11551—2003)[S].北京:中国标准出版社,2003.
[2]袁健,孙正东,史永万.轿车安全带优化设计及模拟仿真[J].汽车工程,2002,24(2):160-163.
[3]林逸,张君媛,赵英如,等.微型客车乘员约束系统性能分析及改进设计[J].中国机械工程,2003,14(19):1694-1696.
乘用车乘员腿部进出空间优化设计 第2篇
关键词：腿部进出空间,主观评价,优化设计方法,乘员上下车方便性
1 引言
乘员上下车方便性是车辆人机工程学中的重要内容, 同时也是汽车人机工程学分析校核中的一个难点[1]。合理的车门、座椅及踏板布置, 可以使驾驶员及乘员在进出车辆的过程中省时省力又舒适。乘员进出车门时是否方便, 是否会碰到头或者踢到脚, 这是汽车人机工程学研究的重要内容之一。
衡量车辆进出方便性的指标有:车辆进出高度和车辆腿部进出空间[2]。乘用车特别是紧凑型轿车, 由于底盘低、车门小、座位安排紧凑等客观原因, 上下车方便性的设计更是难上加难。为此, 轿车在改进上下车的方便性上, 采取了一些措施:车身中柱由垂直改为向后、向内倾斜, 车门要有足够的开启度等, 人们只需将身体稍微倾斜即可入座[3]。但在实际设计工作中, 如何前期控制约束使得乘员上下车方便, 是本文研究重点。
2 乘员腿部进出空间定义
美国汽车工程学会 (SAE) 及全球汽车生产商信息交换委员会 (GCIE) 对乘员腿部进出空间有一致的定义:乘员腿部进出空间是车门打开至最大角度时, 座椅与门饰板或立柱饰板之间, 可供乘员进出的最小空间。前排进出空间用L18标示, 后排进出空间用L19标示, 如图1所示。
具体测量方法为:在水平截面上, 从立柱饰板过渡处到门槛护板上100mm高度内, 座椅与门饰板或立柱饰板之间最小距离。若整个测量区域内立柱饰板均为过渡圆弧, 则直接量取门槛护板以上100mm高度处截面尺寸, 如图2所示。
乘员上下车方便性设计, 包括门洞尺寸、乘员Y向进出空间及乘员腿部进出空间三大部分。传统的乘员腿部进出空间设计根据SAE标准定义的测量方法来控制L18和L19的数值。
3 乘员腿部进出空间设计
在车辆设计开发过程中, 乘员腿部进出空间涉及座椅、门槛、地毯、立柱饰板等零部件的设计。
一个优秀的人机工程设计不是单纯追求空间的最大化, 而是在车型定位、造型风格、成本限制等基础上, 与造型设计师、结构工程师等充分沟通, 得到的最优解决方案。典型的车辆设计流程图如图3所示。
乘员腿部空间作为人机约束输出的一个重要内容, 通常以目标值的形式输出。
根据统计得到的德国、美国、日韩及中国人95分位人体脚长值如表1所示。
再结合对标数据及项目经验拟定L18、L19目标值如表2所示。
4 乘员腿部进出空间优化设计
根据SAE定义的L18和L19, 利用表2的目标值控制乘员腿部进出空间的方法, 称之为传统的腿部进出空间设计方法。
以下介绍一种优化的腿部进出空间设计方法。
如图4为优化的腿部进出空间设计方法。R1为A柱处侧围钣金圆角, L1为高于门槛H1高度时A柱饰板与座椅之间的水平距离。后门用R2、L2和H2表示。表3为优化的腿部进出空间设计方法的目标值。
5 乘员腿部进出空间设计实例
5.1 传统的乘员腿部空间设计方法
按传统的乘员腿部空间设计方法, 按图3所示设计流程, 首先明确车型定位, 此车为A级车, 乘员腿部空间L18目标值为410mm, L19目标值为280mm。
如图5为某车型后排腿部进出空间示意图, 标记1处为圆角, 标记2处与标记1处圆角同高, 若按SAE定义, 排除过渡圆弧, L19值为309mm, 远大于目标值280mm。此车型后排腿部进出空间满足要求。
5.2 优化的乘员腿部空间设计方法
按优化的乘员腿部空间设计方法, 同样按图3所示设计流程, 首先明确车型定位, 此车为A级车, 在H2=20mm时, L2=220mm, 远小于目标值250mm, 不满足要求, 且R2大于120°, 也不满足要求。
对于L2值偏小的问题, 分析发现在乘客提起左脚准备离开时需抬起较高的高度才能出去, 即标记2处地毯太高, 需降低此处地毯高度。对于R2偏大的问题, 分析发现在乘员左脚迈过门槛时会撞到标记1处饰板, 需减小标记1处圆角。如图6所示, 减小标记1处圆角, 下压标记2处地毯面高度至深色面, 得到改进后的后排腿部进出空间示意图。
按SAE对后排乘员腿部进出空间的定义, 此优化方法对于L19的数值并没有增大, 那实际上, 乘员在上下车过程中的体验是否一致, 也没有变好, 则需组织主观评价进行验证。
5.3 主观评价验证
将按传统设计方法制作的验证模型记作方案一, 将按优化的设计方法制作的验证模型记作方案二, 主观评价方法的步骤如下。
首先, 为评价模型挑选评价人员。
男性和女性的比例建议为3∶1或4∶1。男性和女性的身材尺寸应具有代表性, 覆盖中国驾驶员的身材范围。而且, 要具有一年以上的驾驶经验。
其次, 编制主观评价表。
主观评价表是进行主观评价时不可缺少的很重要的一部分, 用于记录评价人员的基本信息, 以及评分时使用的评价标准、评价人员的评价结果等, 是对评价结果进行分析的重要书面依据, 如表4所示为腿部进出空间主观评价表。
第三, 开始主观评价, 原则是:各评价者互不干扰, 在完全独立的环境下进行评价。很随意地根据自己的习惯, 打开车门, 进入车内, 选择舒适坐姿坐下, 关闭车门, 完成上车过程。再准备下车, 打开车门, 从车内出去, 关闭车门, 完成下车过程。此过程重复3次, 然后填写腿部进出空间主观评价表。
最后, 统计腿部进出空间主观评价表得分情况。
相同的人员分别体验方案一和方案二, 得到的主观评价得分平均值为6分和8分。评价结果说明优化的乘员腿部空间设计方法明显优于传统的乘员腿部空间设计方法。
6 结语
本文从SAE标准对腿部进出空间的定义出发, 结合乘员主观评价, 提出了一种优化腿部进出空间设计的方法, 有效控制了乘员上下车方便性。
参考文献
[1]周一鸣, 毛恩荣.车辆人机工程学[M].北京:北京理工大学出版社, 1999.
[2]丁玉兰.人机工程学[M].北京:北京理工大学出版社, 2003.
乘员安全 第3篇
1 儿童乘员约束系统的现状
自20世纪60、70年代以来,为了保护儿童乘员在乘车时的安全,来自瑞典的伯蒂尔·奥尔德曼教授设计了第一把儿童安全座椅。在随后的40、50年里,儿童乘员约束系统研究取得了很大的突破和进展。
最开始研究的儿童安全座椅结构单一,只是通过后向乘坐对儿童进行保护,对侧面的保护、不同年龄阶段儿童保护的研究较少。基于对儿童乘车事故的调查,研究人员逐渐开始对儿童安全座椅进行不断的改进[2]。不同年龄阶段的儿童,其生理特征是不同的。研究人员根据不同年龄儿童开发具有高生物仿真度的假人模型,设计了相应的儿童乘员安全座椅,以最大程度提高儿童乘坐安全。儿童座椅发生失效的主要原因是安全带的紧固力不足,据调查发现,大约67%的儿童座椅的安装存在松动。目前,儿童座椅已设计出专门的固定系统将其紧固在汽车后排座椅上,其中比较典型的是美国的LATCH系统和欧洲的ISOFIX系统。
随着儿童乘坐安全逐渐受到重视,汽车儿童约束系统法规在世界各国建立并不断完善起来。法规的设立与实施,强制性要求儿童安全座椅的使用,大大提高了儿童乘坐安全。
2 儿童乘员约束系统的类型
儿童约束系统由儿童安全座椅、安全带系统、固定装置及汽车床组成,其中儿童安全座椅是最关键的组成部分,在此仅讨论儿童安全座椅和固定装置。
2.1 儿童安全座椅
目前市场常见儿童座椅按不同年龄段可以分为4大类,即0~1岁用儿童座椅;1~4岁用儿童座椅;4~8岁儿童座椅;8~12岁儿童座椅。随着其类型的不同,各座椅的设计也各不相同(见图1)。
主要研究方向:车辆安全与人体损伤。
2.2 固定装置
现在一般用的固定装置是LATCH(美国)和ISOFIX(欧洲)。美国的LATCH系统由下扣件和一条固定在座椅靠背上方的栓带组成,如图2所示。欧洲的IXOFIX系统由下固定系统和上端固定点组成,能够让驾驶人快速、稳固、正确地固定儿童安全座椅,如图3所示。这两种固定装置的区别主要体现在它们的结构形式上,具体表现是:(1)ISOFIX系统只允许使用刚性的底部连接件,而LATCH的地步连接件有可变性和刚性两种;(2)ISOFIX系统不一定需要使用顶部链绳,即CRS与车身的连接形式是刚性的,相反地,LATCH则必须使用顶部链绳[3]。
3 儿童乘员约束系统的应用
儿童安全座椅在欧美等发达国家已经得到了广泛的使用。不仅是儿童安全座椅的普及,其正确的使用也是很重要的,美国调查发现,在观察到的3 442个儿童约束系统中,严重误用的比例为72.6%。
由此可见,儿童乘员约束系统的使用情况还有待提高,这里提几点建议:
(1)通过社会媒体、学校教育对儿童乘员安全进行做大量宣传,政府可以给予相应的补贴,对儿童安全座椅的使用做出强制性要求。
(2)增加对儿童安全座椅正确使用知识,家长选购时要仔细,选择合适儿童的安全座椅,仔细阅读生产厂商的使用说明书及所提供的产品目录,严格按照要求进行正确安装,安装好后要检查是否安装好。
(3)定期对儿童安全座椅进行检查和维护,以免座椅质量出现问题不能很好地保护儿童的安全。
4 结语
从儿童乘员约束系统发展至今,儿童乘员安全座椅的研究已取得了很大的进展。通过假人模型的选择、试验条件的优化,采用更优的软件分析模拟、利用先进的技术等方法设计并提高儿童安全座椅的性能;对伤害评价指标和约束系统性能评价指标的完善;加强对儿童约束系统的正确使用的宣传和普及,提高家长对儿童乘车安全问题的重视,从而更好地保护儿童乘员的安全。儿童乘员约束系统的研究不仅对我们的生活有重要意义,而且其本身还具有很大的提升空间。
摘要：随着汽车的普及和技术发展,儿童乘员安全越来越受到重视,机动车儿童乘员约束系统可以有效地保护儿童乘员的安全,从而能够大幅度降低交通事故中儿童乘员的伤亡率。该文从发展现状、基本类型和应用方面对儿童乘员约束系统进行了研究,在此基础上展望了未来儿童乘员约束系统的发展前景。
关键词：机动车,儿童乘员约束系统,儿童乘员安全,儿童安全座椅
参考文献
[1]霍庆泽.初始源自未来-汽车儿童安全座椅的发展历史[J].世界汽车,2008(9):28-29.
[2]胡小强.基于模拟碰撞的儿童安全座椅改型设计研究[D].广州:华南理工大学,2011.
乘员安全 第4篇
车辆发生碰撞事故时,车内乘员可能遭受多个方向的二次碰撞,如驾驶员头部和胸部与方向盘的碰撞,乘员头部与挡风玻璃的碰撞等。二次碰撞是致使乘员受伤甚至死亡的重要原因之一,汽车乘员约束系统就是为了避免二次碰撞或者降低二次碰撞对乘员造成的损伤而开发的[1]。大量实践表明,通过合理匹配约束系统,可以在车辆发生碰撞时有效减轻乘员与车内部件的碰撞,降低伤害[2]。因此,为车辆匹配性能优越的乘员约束系统,提高车辆的安全等级,是我国汽车行业研究的重要课题,也是汽车制造企业的实际所需。
某量产SUV车的正面碰撞结果表明,除车辆前部变形严重外,碰撞过程中驾驶员侧假人损伤值较大,某些指标甚至超过损伤评价标准,说明乘员约束系统对车内乘员的保护效果不佳。本文结合该车型碰撞安全性能改进项目,采用试验和MADYMO[3]仿真分析相结合的手段,对其约束系统的参数进行了优化设计。
1 乘员约束系统及其工作原理
乘员约束系统主要由安全带、安全气囊、仪表板、座椅和膝垫等组成。对乘员约束系统的研究主要集中在安全带和安全气囊的机械特性上,以获得最优的约束系统性能[3]。安全带一般由织带、卷收器、带扣和长度调整机构组成[4],安全带的作用是使乘员在汽车碰撞时不飞离座椅以避免乘员与汽车内饰件发生剧烈碰撞。安全气囊由气体发生器、传感器、控制系统、气囊及其附件组成,当传感器探测到相关的碰撞信号,并经分析确认气囊应被打开时,控制器触发气体发生器,短时间内气体发生器产生大量气体对气囊充气,使气囊在人体与汽车内饰件间形成一个气垫,达到保护人体的目的。汽车座椅是汽车中将乘员与车身联系在一起的重要部件,它不仅要减轻驾驶员及乘员在长期乘坐时的疲劳以满足主动安全性要求,还要与安全带和安全气囊一起对乘员实现定位的同时缓解碰撞的强度,使乘员的损伤程度尽量减轻。
2 SUV车辆乘员约束系统正面碰撞模型建立及验证
2.1 仿真模型的建立
根据乘员约束系统工作原理,建立的约束系统模型主要包括安全带、安全气囊和乘员舱。其中安全带包括预紧器和限力器,建模所需的几何尺寸、织带的刚度、卷收器的卷轴特性、预紧特性和限力特性参数由供应商提供。安全气囊模型采用有限元建模,建模所需气囊的尺寸参数及物理参数、气囊起爆时间和气囊的p-t(压力-时间)曲线从生产厂家处获得。乘员舱模型主要包括的部件有地板、护膝板、仪表板、风挡玻璃、转向系统、踏脚板、坐垫和靠背等,各部件的空间位置按车辆实际尺寸布置。同时,为了保证座椅及安全带的物理特性被准确模拟,本文分别进行了座椅接触刚度试验、安全带延伸率试验,获得了建模所需参数。按GB/T 13060-91,测量得到座椅靠背和坐垫静刚度载荷-挠度曲线如图1所示,以此作为MADYMO仿真输入的座椅坐垫和靠背的力和位移的关系曲线。按照GB14166-2003,采用匀速拉伸试验获得的安全带拉伸伸长量的时间历程曲线如图2所示,安全带拉伸后增加的长度与原长度之比即为安全带的延伸率。
假人模型采用MADYMO仿真软件提供的经过验证的Hybrid Ⅲ 50th男性假人模型,与汽车正碰法规试验中要求采用Hybrid Ⅲ 50th男性假人保持一致。结合乘员舱、安全带、安全气囊及假人模型,正确定义假人与约束系统各部件的接触,并进行预模拟后,得到整车乘员约束系统模型,如图3所示。
2.2 仿真模型的验证
汽车乘员约束系统模型建立后,必须对关键部件安全气囊的特性和整个系统的人体动力学响应进行验证,以评估模型与真实情况的吻合度。
根据生产厂家提供的安全气囊p-t曲线获得质量流曲线,需要进行仿真试验验证质量流曲线的正确性。建立60L压力筒模型,将质量流曲线输入压力筒,然后输出压力筒内的压力-时间曲线与厂家提供的p-t曲线进行对比,对比曲线如图4所示。由图4可见,仿真曲线和试验曲线吻合较好,后期有些偏差的原因是试验中压力筒会漏气而导致筒内压力降低,而仿真分析中不存在漏气,故其后期压力恒定。
为了验证气囊仿真模型的有效性,分别进行了气囊静态展开试验和仿真分析对比(图5)、静态头锤跌落仿真与试验对比(图6)。通过前者使气囊仿真模型与试验中气囊的展开时间历程保持一致,通过后者使气囊仿真模型与试验中气囊的压力特性保持一致。
在车辆正面碰撞事故中,乘员身体各部位伤害频率最高的为头部,其次为胸部,头部的伤害频率为97%,胸部的伤害频率为93%。因此,仿真模型计算所得的假人头部和胸部的动力学响应特性必须与试验所得的动力学响应特性进行对比,以验证整个模型的可靠性。仿真计算结果和实车碰撞试验的假人头部加速度、胸部压缩量对比如图7和图8所示。
仿真计算和实车碰撞的假人头部加速度、胸部压缩量的对比分别如表1、表2所示,结果表明计算误差都在15%以内,仿真模型具有较好的逼真度,可以作为约束系统优化研究的基础。
3 乘员约束系统优化
利用以上验证后的乘员约束系统模型,对乘员约束系统进行优化。设计变量的选取基于便于实车改进调节的原则,选取乘员约束系统的四个调节参数:座椅X向和Z向、D环Z向和锚点Z向的调节范围。其中,座椅X向的调节范围是座椅行程中间位置向前和向后各60mm,座椅Z向的可调范围为0～20mm,D环调节范围是其所在中间位置向上、向下调节50mm,锚点的调节范围是以其设计位置向下10mm,向上30mm。
优化目标:加权伤害准则(weighted injury criterion,WIC)综合了头部、胸部以及大腿骨各损伤评价准则,以全面评价事故中乘员的损伤程度以及乘员约束系统的保护性能。WIC值越低,约束系统的保护性能越好。WIC值的定义如下:
0.05(F
式中,HIC36为头部伤害准则的数值;C3ms为胸部3ms准则的数值,g;CCOMP为胸部压缩量,m;F
按照正交试验设计表L25(56)安排乘员约束系统仿真试验,计算结果及对应的设计参数值如表3所示。
从表3所示的优化结果可知,第22组的WIC值最小,此值对应的设计参数值为:座椅前移30mm,座椅上升20mm,D环上移25mm,锚点上移10mm。
按上述方案进行台车试验验证,如图9所示。结果显示各项评估指标表现良好,其中假人头部加速度曲线如图10所示,根据头部合成加速度计算得到HIC值为267.56,较改进优化前的415下降了35.6%,头部3ms合成加速度也从改进前的C-NACP测试项的得分为零到改进优化后的达标,验证了改进优化方案的良好效果。
4 结语
本文针对某SUV车辆乘员约束系统的改进需要,基于方便实车改进的原则,选取座椅前后及上下位置、D环上下位置和锚点上下位置等参数作为设计变量,采用正交化试验设计方法对上述参数进行了优化。结果表明,座椅的设计位置适当前移并适当提高,D环适当上移调整,锚点适当下移能在较大程度上降低乘员伤害指标,达到改进乘员约束系统的目的。同时,利用计算机仿真技术与试验相结合的方法来改进车辆的乘员约束系统,能够减少实车碰撞试验次数,有利于降低汽车的研发成本,缩短改进周期。
摘要：介绍了某量产运动多功能(SUV)车辆的正面碰撞乘员约束系统的建立和验证过程。基于该验证后的模型,进行了正交仿真试验设计和计算,得到了乘员约束系统的优化匹配参数,利用这些参数对约束系统进行改进并进行台车试验,结果表明改进后的乘员约束系统具有更好的正面碰撞防护效果。
关键词：正面碰撞,约束系统,验证,优化
参考文献
[1]钟志华,张维刚,曹立波,等.汽车碰撞安全技术[M].北京:机械工业出版社,2005.
[2]张学荣,刘学军,陈晓东,等.正面碰撞安全带约束系统开发与试验验证[J].汽车工程,2007,29(12):1055-1058.
[3]孙奕.汽车乘员约束系统碰撞安全性的数值模拟与匹配设计[D].上海:上海交通大学,2004.
乘员安全 第5篇
关键词：乘车系统,未来乘员武器,未来战争,未来战斗系统
引言
在高速发展的信息技术和全世界范围的新军事革命作为主流的时代, 作战思想、作战样式、作战方法等发生了一系列变革, 并促进战争形态由机械化战争向信息化战争转变。世界各军事大国都在加快步伐进行三军的信息化转型。陆军在国家安全与国土防御中有不可替代的作用, 发展适应未来高技术战争需要的地面机动作战平台及其配套的武器装备和网络系统是实现当前战略转型的关键。未来乘车系统可凭借其高度的机动性和耐久性以避实击虚, 进行大规模的迂回穿插, 并利用其坚固的防护、强大的火力、尽可能小的伤亡迅速制服敌对方, 取得战争阶段性及最终胜利。
一、未来战争特点及外军对乘车系统的要求
未来高技术战争的一个明显特点是“陆、海、空、天、电”一体, 诸军兵种联合作战, 展开体系对体系的对抗和较量。为了应对未来战场全频谱作战的严峻挑战, 各国陆军都在投入巨大财力和技术向信息化部队转型, 大力研制和发展系列化、信息化陆军装备以及相配套的作战网络。因此, 在发展乘车系统的同时, 必须协调发展相应的火力支援车辆、侦察指挥车辆和后勤综合保障车辆, 形成最佳匹配, 完善作战功能, 提高作战能力。为了有利于战争保障和管理, 节约研究经费, 减少重复研制。高度重视研制具有较强变形能力的装甲平台, 按照车族化发展的方向, 开发其他变形车辆。
未来战斗系统 (Future Combat Systems-FCS) 是美国陆军和美国国防部先进计划研究局联合牵头开发的陆军未来作战系统, 这是美国陆军对未来陆军部队前景的规划, 该规划的关键是用一种前所未有的方式打造出具有快速反应能力、快速战略和战术部署能力以及具备进行多种任务操作能力的作战单位。装备了未来战斗系统的行动单位将变革遂行作战的能力。就持久力而言, 这项变革将带来一种对后勤需求比重型模块化旅级战斗队小得多的全谱作战能力。这又将有助于获得战略反应能力以及使得战术行动自如, 而不受后勤补给的限制及直接连接到上级梯队至多战斗3 天的限制。FCS网络系统将革新未来部队的编制和作战理念, 强大的网络系统能对大量分散的有人操控系统, 无人操控系统、传感器以及火力支援系统进行管理, 使系统的整体效能大于各分系统效能之和, 并使士兵在未来战场中具有前所未有的观察、了解、计划和决策的能力。
冷战结束后, 德国陆军取消了原来实施的“豹”3 坦克研制计划, 重新制定了新型装甲平台 (NGP) 研制计划。该计划将研制三种坦克装甲车辆, 包括乘车系统、步兵战车和战场防空战车, 作为面向未来的新型武器系统。目前, NGP计划处在初期预研阶段, 对相关技术进行研究。
英国乘车系统的发展计划从2020 年起, 用新一代坦克取代现役的“挑战者”2 坦克。陆军参谋部制定了“机动直射火力装备需求 (MODIFIER) ”计划。其未来新一代乘车系统有可能采用电传动、电磁炮和电装甲。
陆军乘车系统总体情况是, 多采用120 毫米或125 毫米口径的高压滑膛炮;有的坦克炮有自动装弹机, 部分坦克炮可发射反坦克导弹;炮长瞄准镜多为可昼夜测距、瞄准的组合体装置, 配有瞄准线稳定装置, 车长主瞄准镜一般为周视潜望式;坦克单位功率多为20 千瓦/吨左右, 最大速度55千米/时72 千米/时;一般装有短波或超短波电台和车内通话器, 通信距离可达25 千米35 千米。
二、未来先进乘车系统的发展方向及改进措施
(一) “六化”要求
信息、智能、网络、轻型、模块、无人化是对未来先进乘车系统的新要求。信息化的实质在于重点利用当今电子信息技术的最新成果, 改进作战部队战场信息的获取和使用能力。当武器装备的机动性、射程、杀伤威力已经达到其机械能力的极限时, 进一步的突破只能寄希望于战场信息的获取和更有效的利用方面。提高信息的获取和共享能力已成为提高军队战斗力的关键所在。必须以信息化为重点加强陆军装备的建设水平。在未来信息化战争中, 信息将是战斗力的核心要素。信息支持能力和信息化将通过信息共享使友方部队实现战场透明, 通过信息对抗迷惑敌方, 从而达到利已克敌的目的。未来的乘车系统而言, 信息化、智能化、就是通过各种技术装备在乘车系统上的应用, 达到代替或减轻车组乘员脑力劳动的效果, 提高乘车系统的作战效能。其发展将主要集中在准确测距、弹道解算、感知预警、主动防护、夜间观瞄、敌我识别等方面, 随着智能化、信息化的实现, 坦克将看的更远、打的更准、跑的更稳。
完善的整车网络结构, 重点形成车辆传感器网, 车内局域网、车际通信网的网络结构。加强对装甲战车的无线通信技术、宽带联网技术、高速计算处理技术、调整数据总路线技术、多传感器信息融合技术、图像显示与识别技术等方面的研究。各个战斗单元共享战场实时情报、多车同时攻击同一目标的作战方式将成为未来乘车系统作战手段的主流。这种作战手段的变化也会使乘车系统作战方式向着网络化的方向发展。一个完整的作战网络将包括情报搜集、战场监视、远程控制、火力打击、火力支援、通讯联通等作战单元。其中又以远程控制为中心, 各作战单元共同发挥作战功能为主要方式。 随着乘车系统无人化的实现, 人工智能驾驶和人工远程遥控攻击将成为乘车系统作战中主要的控制手段。
乘车系统等地面装备上, 无人驾驶技术必将是未来的发展趋势之一。乘车系统技术的发展趋势必将使乘车系统车组乘员的数量进一步减少。先进乘车系统完全可以使用双人车组。可以预见的未来, 单人乘车系统、甚至无人驾驶的乘车系统也必将驰骋沙场。无人化的优势是显而易见的, 只要有燃料和弹药, 无人乘车系统就可以不停歇的作战。无人乘车系统的优势将更加突出。乘车系统轻型化的时代也将随之到来。人员活动空间和各种车内维生设备将被取消, 内部空间将大为压缩。从而导致乘车系统外型尺寸缩小, 重量的减轻和外型的缩小必将使其机动性大大提高。乘车系统设计也会向着模块化的方向发展, 在同一底盘上安装不同的火力单元以适应不同的任务需要。根据战场任务要求细分为攻坚乘车系统、火力支援乘车系统、侦察乘车系统、步兵乘车系统、巷战乘车系统、防空乘车系统等等。各种侧重点不同的乘车系统在执行千变万化的作战任务时将更加灵活、更能适应战争的需要。
(二) 高生存能力, 将电子信息技术作为提高整体性能的技术突破口
未来的陆战场将是以联网作战为基础的立体化、全方位、全频谱战场, 参与作战的每一个作战的每一个平台都是这个作战网络中的节点。除了采用更先进的探测设备外, 还必须在探测技术、信息融合和信息共享上下工夫, 力求有所突破。必须充分应用电子信息技术, 把综合电子系统放在优先发展的地位。应用计算机控制、数字通信、传感器和多媒体等新技术, 采用多路传输数据总体, 把乘车系统内原来独立分散的电子系统 (装置) 连成有机的整体, 对全车各电子系统信息进行采集、处理、存储和分配, 通过信息综合实现功能综合, 形成一个一体化的综合电子系统。构成完整有效的信息网络, 建立颁布式、开放式的信息网络, 信息链路要连通至每一个平台, 使战场上的各种传感器信息、所有的火力、指挥、机动控制信息, 以及综合保障信息都能够高度融合, 并能满足超视距、先进间、多目标精确打击等火力控制能力的需求, 满足战斗车辆指挥控制的功能的需求, 使每一个作战都以“系统之系统”的角色参与作战。
面对未来战争的需求, 乘车系统面对全方位的威胁, 要十分重视提高实战中的生存能力。必须由传统的不被击毁、不发生二次损伤效应为主的被动防护, 发展到不被发现、不被命中, 以主动防护为主的综合防护。大力开发各种新型结构材料和功能材料, 广泛应用纤维强复合材料、增强陶瓷复合材料、陶瓷耐热涂层材料及隔热材料、透波材料、电磁屏蔽材料、压电/ 热电复合材料、结构/ 烧蚀材料、高效隔热/ 反阳光辐射材料、阻尼/减震材料/弹体隐身材料等。为了提高乘车系统的战场感知能力, 大力开展光电功能材料, 如缺陷工程技术、梯度指数光学材料、红外探测器材料、CBD材料、智能材料、纳米材料等。重点发展包括目标探测、识别、威胁告警, 光电对抗, 超近反导和隐身在内的主动防护。同时, 要发展一体化的综合电子系统, 提高指挥控制能力;装备炮射导弹, 增强乘车系统的自身防空能力;采取乘员与弹药和油料隔舱化结构、以及提高可靠性和环境适应能力等。
(三) 威力大、远射程和精确命中的综合武器系统应用
陆战场从旷野转向繁华的城市转移, 未来武器装备要适应一体化联合和城市作战, 以及混杂地形和受限地形作战的需求, 要能够根据作战需要完成多样化任务。应有针对性地研制一些可以适合不同作战条件的可替换式配件, 并深入研究各种作战环境下的装备配置情况和指挥控制方法。应继续遵循功能结构的模块化设计和功能软件的构件化设计。用这样的设计方法研制的部件通用化程度高, 不但可以提高维修速度和降低维修成本, 而且还可以大大减轻作战部队后勤支援方面的负担。防护技术的发展, 要想击毁敌方未来乘车系统, 穿甲弹的炮口动能必须达到18MJ以上, 而现装备的120/125mm火炮的穿甲弹炮口动能只有10MJ左右;高技术战争远距离、大纵深的特点, 要求未来火力系统不仅具有直接火力射击的功能, 而且还要具有远程间接打击的能力;目标的机动性将大大提高, 给精确命中带来困难;面临全方位特别是武装直升机的威胁, 要求未来乘车系统具有自卫防空和反武装直升机的能力。未来陆军的弹药将成为以弹体作为运载平台, 能够实现态势感知、电子对抗、精确打击、高效毁伤和评估等功能。从技术研究的角度考虑, 超远程制导炮弹、软杀伤/新概念弹药、多用途弹药等都是应予以重点考虑的问题。
三、先进乘车系统设计
先进乘车系统, 系统采用系统化设计, 重点在于各个模块化的设计。主要分四个模块, 分别为通用车体、动力室、乘员室和战斗室。各个模块是独立的, 可以随时拆装, 利于维修、保养和模块化测试。同时各个模块又有机的组合在一起, 充分发挥各模块之间的效能。其总体效能明显大于各模块效能之和。该乘车系统采用了一些国外先进技术, 具有较强的活力, 较高的机动性和较好的防护性。
通用车体是该乘车系统的基础, 其他模块都建立在该通用车体上。它可以是未来主战车辆的车体, 也可以是其他如侦察车、指挥车、工程车、突击车、后勤补给车的车体。
采用发动机前置技术, 有效保护乘员安全。系统驱动为前轮驱动, 在战场上, 当受敌炮火袭击两履带断裂, 车辆无法前进时, 可将驱动力转移给前侧1 号和2 号负重轮, 使车辆以所能达到的最小时速继续前进或行进退出战场至抢修地点, 从而不至于受二次袭击致车辆报废和人员伤亡, 以降低最小损失。动力室上方安装先进反应装甲, 电磁装甲探测系统将飞行速度, 撞击位置等信息传给产生冲击体触发信号的控制机构。用电磁力将飞行板作为冲击体发射, 在距车前方一定程度的距离上, 使其与来袭的导弹或者动能弹相撞, 完成拦截;复合装甲, 内外装甲板为普通均质钢版、铝或合成树脂盒、陶瓷块环氧树脂或特殊粘结剂、固定装甲块的辅助薄钢板, 降低空心装药破甲弹的穿透能力。陶瓷是一种高硬度低韧性材料, 弹丸经过这种材料时, 就会消耗大量的能量。当一发空心装药破甲弹穿透外层钢装甲打到陶衬片上, 在应力作用下陶瓷发生破裂, 产生的陶瓷粉末使弹丸失去能量, 这样, 弹丸爆炸产生的金属射流就不再穿透后面的陶瓷层。
乘员室是该乘车系统的核心部分。乘员室的设计部件集中、模块化强、自动化程度高、操作程序要简化, 便于乘员熟练地掌握操作要领, 形成娴熟的操作技能, 实现人和武器的最佳结合。乘员不在炮塔部, 而是在车体前部的先进2 人乘员室。驾驶员位于左侧, 操作驾驶方式不是传统的液压机械式, 而是和先进的遥控自动驾驶方式相同, 利用电信号控制, 为有线控制方式或无线控制方式。车长位于其右侧, 显示器上显示的三维数字地图、各种信息 (敌方、友军的位置, 目标, 地形和传感器等信息) 等情况, 以便指挥。中央的显示器是备用的, 经常显示报警系统和未来战斗系统维修的信息。其中很多功能都依赖车载电子计算机和传感器提供的信息数据来实现。
无人战斗炮塔是该乘车系统在战场发挥火力作用的关键部件, 车长遥控无人炮塔, 炮塔重量轻, 外形低矮, 占用车内空间少, 是一种高科技新型炮塔。
装有自动捕捉和自动跟踪目标的综合火控系统, 将毫米波雷达、热像仪、激光测距仪、电视等多种传感器结合在一起配合使用, 取长补短, 组成一种完善可靠的目标探测、识别、跟踪和作战的系统。对各种传感器获取的信息在一定的准则下加以综合分析, 并通过各种传感器显示出来。
乘车系统装备有主动防护系统, 特点是可以通过传感器 (红外线和毫米波雷达) 捕捉近距离射来的火箭弹和导弹, 自动地发射拦截弹将其击落。与传感器构成一体的简易型自动4 联装发射器, 可在距车辆30 米的近距离上将火箭弹摧毁。发射的拦截弹不是火箭弹, 而是一种类似于霰弹的弹药, 发射小型弹丸。
用小型搜索雷达来捕捉敌火箭弹, 瞬时计算出速度、弹道和拦截位置等, 用精密对抗弹拦截。是一种可快速探测、跟踪并摧毁多种反坦克导弹威胁的先进系统, 属于“硬杀伤”主动防护系统, 可摧毁反坦克火箭弹和反坦克导弹。
四、结论
未来陆军武器装备的发展必须紧紧围绕信息化战场的需求而进行。联网作战和信息共享是关键, 火力机动、防护和任务多样化也非常重要, 以及通用性和后勤保障能力等等, 方方面面都不可偏废。
武器发展的系统性是军队追求杀伤力、信息力、机动力和防护力的过程中而变得日益突出的问题。军队规模、作战体系和战争效能都与武器装备的系统性密切相关, 成系统地将“四种能力”统一在一起, 就涉及到系统工程学问题。如果说结构是研究单件武器各部件之间的相互关系, 那么系统工程则是研究若干不同类型武器装备之间、武器系统与指挥系统之间以及武器系统与战场环境之间等, 更大更多更复杂方面的相互关系。从未来战争角度看, 武器装备的探索与创新主要还是围绕杀伤力、信息力、机动力和防护力四大方面问题展开, 无论其哪一方面提高对整个作战体系都会产生影响。本文虽然对乘车系统进行了粗略的、简单的设计, 但杀伤力、信息力、机动力和防护力这“四种能力”在文中都有明显的体现和模块化设计, 从而可以发挥整个乘车系统的最大系统效能。
乘员安全 第6篇
汽车作为现代化交通工具,在给人们的生活带来便利与乐趣的同时,也因其引起的交通事故给人类的生命和财产带来极大的威胁和伤害。据统计,2005年全国共发生道路交通事故45.03万起,造成9.87万人死亡和46.99万人受伤;2006年,全国共发生道路交通事故37.88万起,共造成8.95万人死亡和43.11万人受伤[1]。因此,车辆的碰撞安全得到越来越多的重视,乘员约束系统的优化是其中的一个研究重点。张学荣等[2]针对某轿车乘员约束系统进行了试验设计、灵敏度分析、响应面模型分析并得出确定性优化结果;林逸等[3]针对某国产微型车乘员约束系统参数优化配置区间进行了稳定性分析研究。目前国内对乘员约束系统进行优化设计时,大部分都是针对安全带、座椅和安全气囊的特性进行优化,很少对优化设计得出的最优目标响应波动进行分析和控制,从而使得优化结果的鲁棒性和稳健性可能较差。本文通过结合国内某微型车乘员约束系统的开发,利用荷兰TNO公司MADYMO软件建立了正面碰撞数学模型,并通过试验验证了该模型的有效性。在对约束系统进行参数优化设计中,利用试验设计、灵敏度分析、构造准确的响应面模型以及基于6σ鲁棒性概率优化设计,从综合性能最好的角度考虑参数的选取,在大幅度提高优化目标稳定性的基础上,最大限度发挥安全带刚度、撕裂式限力器水平与安全带上挂点位置之间的约束效能,得到了该约束系统的最优结果。
1 正面碰撞数学模型的建立和试验验证
1.1 假人及约束系统模型的建立
根据驾驶舱总布置的几何参数建立MADYMO车体多刚体模型,包括地板、防火墙、车顶、前挡风玻璃、A柱、仪表板等构件。为了方便优化设计,保证模型的精度,提高模型的计算效率,采取了以下措施:①假人模型采用Hybrid Ⅲ第50百分位男性假人,多刚体建模。该模型由32个刚体通过不同形式的铰连接而成。假人的受力通过定义假人表面与接触表面之间的接触来实现。该模型不仅能准确地描述假人在碰撞过程中的运动学和动力学,还具有良好的生物逼真度,以提供准确的假人伤害值。②座椅采用有限元和多刚体混合建模。③地板、防火墙、车顶、前挡风玻璃、A柱、仪表板等构件采用多刚体建模。④安全带与假人身体接触部分采用有限元模型,其他部分采用多体模型,可以精确模拟碰撞过程中安全带在假人身体表面的滑动及安全带织物陷入假人身体表面的嵌入效应。完整的仿真计算模型如图1所示。
1.2 试验验证
按照GB11551-2003规定的试验条件和程序进行实车碰撞试验。前排驾驶员和乘员位置各放置一个Hybrid Ⅲ第50百分位男性假人。试验测量了假人头部三向加速度、假人胸部压缩量及三向加速度、大腿三向轴压力、驾驶员侧和副驾驶员侧车身B立柱下端位置纵向加速度。正面碰撞模型验证遵循从下至上的原则,即先下肢再胸部,最后头部响应。力与加速度信号应满足起始时刻、上升沿、下降沿、形状、峰值、峰值时刻及脉宽等基本特征。图2所示为试验测量与仿真计算的假人响应曲线。由图2中曲线的起始时间、峰值和峰宽等比较来看,该模型还是比较准确的。
2 稳健性设计流程
本文结合了试验设计、响应面方法和鲁棒性概率优化设计,并将其应用到某车型乘员侧约束系统的优化。首先通过试验设计对初始设计变量进行筛选,减少设计变量的数目。把筛选后的设计变量作为构建响应面模型的因子,在本设计中,采用的是二阶响应面模型,并通过多次试验设计循环提高该响应面模型的精度。其次在进行确定性优化时,通过调用响应面模型而使得计算时间大为缩短,得出设计变量在优化区间内最佳设计点。本文的重点在于引进质量工程中的6σ概念,并结合蒙特卡罗模拟技术和鲁棒性优化设计,在设计变量优化区间内求得最佳稳定设计点。图3为采用本文方法的优化设计流程。在流程中应用的主要方法有正交试验设计、响应面方法、蒙特卡罗模拟技术、6σ鲁棒性优化设计。
2.1 正交试验设计[4]
正交试验设计主要是利用正交表安排试验。在实际问题中,对试验有影响的因素往往是多方面的。我们要考虑各因素对试验影响的情况。在多因素、多水平的试验中,如果对每个因素的每个水平都互相搭配进行全面试验,需要做的试验的次数就会很多,例如对3个4水平的因素,如果每个因素的各个水平都互相进行全面试验,要做34=81次,而正交试验设计通过利用正交表L9(34)只要做9次试验,这能节省大量的人力、物力和时间。
2.2 响应面方法
响应面方法是采用试验设计理论对指定的设计点集合进行试验,得到目标函数和约束函数的响应面模型,来预测非试验点的响应值[5]。其基本理论简述如下:
空间设计变量
式中,f为目标或约束的近似函数,表示响应面;ε为误差项;L为基函数的个数;
2.3 蒙特卡罗模拟技术[7]
蒙特卡罗模拟技术是一种采用抽样理论近似的求解数学问题或物理问题的方法,它长期以来一直被认为是评估概率特性最准确的方法。这种方法的核心是假设输入参数是具有真实分布的随机变量,将参数按其分布取的每一个值进行一次模拟计算。所得结果的点云表明了当考虑输入在物理上的不确定性(有分布)时系统真实的响应。
2.4 6σ概念
6σ概念首先产生于质量工程学,是为提高产品的质量而提出的一种现代质量管理方法。均方差σ2是测量一组数据在平均值μ周围的分布,σ是统计学上的标准差,它们俩都能用来定量描述已知随机变量对响应的性能波动。表1列出了相应σ水平的变异百分比和每百万的缺陷数。目前多数制造业采用的质量控制目标是±3σ,由表1可以看出,±3σ的质量控制目标对于许多行业显然是无法接受的。如果提升到±6σ水平,产品的质量会得到几十倍的提高,因此,采用±6σ质量水平作为设计标准对提高产品质量具有重要意义。
2.5 6σ鲁棒性优化设计
鲁棒性是不确定因素影响下响应变化的稳定性。鲁棒性优化设计主要是减少和控制目标函数响应的波动,降低在设计点上的敏感性,即使目标函数响应均方差减小,实现均值达到目标和均方差最小化的目的。其焦点是寻找平坦的设计空间范围,降低由不确定设计参数引起的波动影响,构造包括响应目标值和标准方差在内的鲁棒性优化公式[9]。在图4中,若不考虑不确定因素对性能波动的影响,则目标函数在点1处为最小,点1处的结果就应该为最后的优化结果。若考虑设计参数x以±Δx 波动变化时,则在点1处得到一个较大水平的变化Δf1。点1的右边存在一个f的平坦区域,对设计变量点x来说鲁棒性较好或敏感度较低。如果重复同样的设计选择点2,相同的±Δx则得到的Δf2要比点1处小得多。选择点2的不足之处是增加了f在点2处的平均值, 所以在寻找鲁棒性解决方案时也应对相应的目标响应的平均性能加以评价。由图4可见仍存在比点2处更平坦的区域(点2的右边,x增长的方向),即有可能存在比这一区域更低的性能波动,但平均值性能有可能超出接受范围。因此,期望的平均值性能和降低性能波动两个指标都必须在鲁棒性优化方程中充分考虑。
1.确定性最优解 2.鲁棒性最优解
典型的鲁棒性优化公式如下:
式中,F为目标;μ为均值;σ为方差;G为约束;x为设计变量;j为约束函数的个数;xU、xL分别为设计变量的上下限。
优化公式中既要最小化平均值性能和波动性能,又要满足约束的波动边界。因此,鲁棒性设计目标公式可描述为
式中,W1i、W2i均为权重;S1i、S2i分别为目标平均值和最小波动对象组件的比例因子;Mi为目标响应i 的目标值;n为性能响应的数量。
这里平均性能被最小化或最大化了,而不是直接针对目标值,式(2)可以修改为
其中,当响应平均值被最小化时用“+”号,被最大化时用“-”号。
在式(2)中,约束可以改为质量约束,质量约束包括性能的平均值和标准方差。质量约束的公式可以描述为
式中,SL为下限;SU为上限。
要想得到σ水平的质量, 可通过改变约束范围,使系统界定在符合σ水平的范围内。基于蒙特卡罗的6σ鲁棒性设计优化即是将n 值设定为6σ。图5为6σ鲁棒性设计优化示意图。
3 基于试验设计、响应面方法和鲁棒性概率优化设计的约束系统优化
在进行试验设计时,为了评估约束系统的整体性能,引用文献[10]中定义的正则化伤害指数WIC值,将各项伤害指标用加权的方法综合到一起,即
式中,HIC 为头部伤害指数; C3ms为胸部3ms合成加速度; Ccomp为胸部压缩量,mm; FL为左大腿骨最大轴向力,kN; FR为右大腿骨最大轴向力,kN。
将式(4)作为优化目标。
在本设计过程中选取的设计参数包括安全带上挂点位置、座椅刚度、膝盖挡板刚度、限力器级别、限力拉出长度、安全带刚度、带扣长度。试验设计采用2水平7因子试验(表2)。
通过试验设计对设计变量的筛选后,并根据工程实际,以A1(上挂点位置,m)、A4(限力器级别,N)、A5(限力撕裂增加长度,m)、A6(安全带刚度,%)作为构建响应面模型的设计变量,HIC值、C3ms、Ccomp作为约束函数。并通过试验设计中的32个设计点构造了WIC的二阶响应面函数。本次设计中采用的是二阶响应面模型:
式中,a0、ai、aii、aij为对应项的系数。
经过几次计算循环,提高了该响应面的精度,使得WIC的决定系数R2达到0.984(R2表示分析衡量响应面模型中构造响应面的设计点与实际值的符合程度,如果R2=1.0,表示逼近函数的值和实际值在构造响应面的各个设计点处值都相等)。因此,该响应面模型具有很高的精度,可以代替实际模型进行计算。
该问题确定性优化数学模型为
相应的6σ鲁棒性数学优化模型为
通过鲁棒性优化设计后,不仅目标函数的响应波动减小了,而且HIC、C3ms、Ccomp响应分布的水平落在约束界限范围内,大大提高了产品质量的稳定性和可靠性。虽然确定性优化在满足约束条件的情况下,目标函数的响应要比6σ鲁棒性优化的结果要好(与初始值相比,确定性优化的HIC值下降34.2%,C3ms下降16.7%,Ccomp下降11.9%),但目标函数的响应波动σ为0.026,无法满足质量要求,而6σ鲁棒性优化得出的WIC虽然有所增大,但其响应波动σ减小到0.01,使得设计变量对目标函数的响应波动大为减小。表3为确定性优化结果和满足6σ鲁棒性优化的结果。
4 结束语
本文在验证过的约束系统正碰模型基础上,通过将试验设计、响应面模型和蒙特卡罗模拟技术相结合,提出了一种基于产品质量工程的6σ鲁棒性优化设计方法。该方法在设计阶段就考虑了各种不确定因素的影响, 因而在获得近似最优解的同时,能够较大幅度提高产品的稳定性。算例表明,经过6σ鲁棒性优化后,HIC值下降26.9%,C3ms下降12.6%,Ccomp下降8.9%,WIC值下降21.2%,很大程度上提高了约束系统的保护性能,同时该方法使优化设计变量的波动对优化目标的影响处在相对稳定的区域内,能够很好满足产品质量控制的要求。
参考文献
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