技術領域

本發(fā)明屬于結構特性識別的技術領域，尤其涉及一種基于損傷評價的車輛碰撞乘員約束系統(tǒng)摩擦特性的反分析方法。

背景技術：

隨著汽車的普及，交通事故頻繁發(fā)生，造成了重大的人員傷亡和財產損失，汽車安全性成為了現代汽車工業(yè)研究的熱點。汽車乘員約束系統(tǒng)是在汽車發(fā)生碰撞時，用來減少或者避免二次碰撞的安全裝置，是汽車被動安全設計的重要環(huán)節(jié)。良好的汽車乘員約束系統(tǒng)設計能有效提高乘員的防護性能，大幅減少乘員損傷，降低死亡率。然而約束系統(tǒng)部件眾多，包括轉向系、儀表板、座椅、腳踏板、安全氣囊、安全帶、人體等，一些參數很難通過實驗直接獲得，如車輛碰撞過程中人體與安全帶、座椅的摩擦等。若這些結構參數不能準確獲取，則開發(fā)的實際約束系統(tǒng)就可能并不滿足設計初衷的性能要求，甚至有可能導致其在服役過程中存在嚴重安全隱患。

因此，發(fā)展一套方便可靠的方法來確定難以獲取的約束系統(tǒng)摩擦參數顯得非常必要，這對于提高乘員的安全性具有重要實際意義。

技術實現要素：

針對車輛高速碰撞過程中，乘員約束系統(tǒng)摩擦特性難以直接實驗測試的困難，本發(fā)明的目的在于提出一種利用碰撞實驗響應來識別摩擦參數的反分析方法，從而為約束系統(tǒng)的設計提供準確的結構特性參數。

根據本發(fā)明的一個方面，提供一種基于損傷評價的車輛碰撞乘員約束系統(tǒng)摩擦特性的反分析方法，包括如下步驟：

步驟1：按照乘用車正面碰撞乘員防護法規(guī)的實驗方法和程序進行車輛碰撞實驗，測量獲得碰撞過程中的車體加速度曲線、假人頭部合成加速度曲線和假人胸部合成加速度曲線，并利用測量的上述響應得到實驗的損傷評價指標；

步驟2：按照車輛碰撞實驗工況，建立所述車輛碰撞乘員約束系統(tǒng)的正問題仿真模型；

步驟3：確定待反求的摩擦參數并在所述摩擦參數的取值范圍內分別設定初值；

步驟4：利用所建立的所述車輛碰撞乘員約束系統(tǒng)的所述正問題仿真模型進行仿真分析，得到計算的假人頭部合成加速度、假人胸部合成加速度，進而得到計算的損傷評價指標；

步驟5：將計算的假人頭部合成加速度、假人胸部合成加速度和各項損傷評價指標與步驟1中得到的相應實驗結果進行對比，構建反分析目標函數并計算該反分析目標函數的值；

步驟6：判斷計算反分析目標函數的迭代次數是否達到一設定閾值，如果沒有達到則轉入步驟7，如果達到則轉入步驟8；

步驟7：利用優(yōu)化方法對所述反分析目標函數進行優(yōu)化求解，從而在所述摩擦參數的取值范圍內產生所述摩擦參數的下一代新值，然后轉回步驟4；以及

步驟8：將此時摩擦參數的值作為所述車輛碰撞成員約束系統(tǒng)的最佳參數值輸出。

優(yōu)選地，所述損傷評價指標包括：頭部綜合損傷指標HIC36ms、胸部3毫秒加速度C3ms和胸部壓縮量D。

優(yōu)選地，在所述步驟1中測量的響應曲線和損傷評價指標作為所述車輛碰撞乘員約束系統(tǒng)的摩擦特性反分析的已知信息，其中頭部綜合損傷指標HIC36ms的計算公式如下：

HIC36ms=(t2-t1)[1t2-t1∫t1t2a(t)dt]2.5]]>

式中a(t)為頭部質心處合成加速度，t1和t2分別為HIC36ms達到最大值的時間段的起始和終止時間，間隔在36ms以內。

優(yōu)選地，在所述步驟2中，所述正問題仿真模型施加與實驗環(huán)境相同的邊界條件和約束條件，采用多剛體來模擬車體及假人，采用多剛體和有限元相結合的方式來模擬安全帶。

優(yōu)選地，在所述步驟3中，確定車輛碰撞乘員約束系統(tǒng)中安全帶肩帶與乘員肩部的摩擦系數f1、安全帶肩帶與乘員胸部的摩擦系數f2、安全帶腰帶與乘員腹部的摩擦系數f3作為待反求的摩擦參數。

優(yōu)選地，在所述步驟3中，所述摩擦參數的取值范圍是0.1～0.9，在該取值范圍內對待反求的各摩擦參數分別隨機取一個初值。

優(yōu)選地，在所述步驟5中，將計算結果和實驗結果二者差的平方和作為所述反分析目標函數。

優(yōu)選地，所述設定閾值為1000。

優(yōu)選地，在所述步驟7中，利用具有全局收斂性的遺傳算法作為所述優(yōu)化方法，其中，通過遺傳算法的選擇、交叉和變異操作在摩擦參數的取值范圍內產生下一代新值。

本發(fā)明創(chuàng)新性地提出了一種利用碰撞過程中人體加速度響應和損傷評價來實現摩擦特性反分析的方法，該方法通過計算反求技術將實驗測試和數值模擬有機結合，只利用碰撞實驗測試結果就可準確獲取約束系統(tǒng)的摩擦特性。

根據上述技術方案，本發(fā)明的有益效果包括：

（1）車輛碰撞是在極端瞬間完成的，因此受測試設備以及經濟條件的限制，常規(guī)的摩擦參數測試方法很難對碰撞過程中約束系統(tǒng)的摩擦參數進行直接測量，本發(fā)明從計算反求技術出發(fā)，為難以測量的摩擦參數提供了一種便捷有效的間接獲取方法。

（2）本發(fā)明在進行約束系統(tǒng)摩擦參數反求時，充分利用了人體各部加速度和損傷指標等響應信息，并結合相應的仿真模型和計算反求算法，這提高了摩擦參數獲取的效率和精度。

（3）本發(fā)明進行一次有效的車輛碰撞實驗，就能獲取約束系統(tǒng)多個部位的摩擦參數，包括安全帶肩帶與乘員肩部的摩擦系數、安全帶肩帶與乘員胸部的摩擦系數、安全帶腰帶與乘員腹部的摩擦系數等。

附圖說明

圖1是本發(fā)明中車輛碰撞乘員約束系統(tǒng)摩擦特性的反分析方法的步驟流程圖；

圖2是本發(fā)明中車體碰撞加速度曲線圖；

圖3是本發(fā)明中車輛乘員約束系統(tǒng)的仿真模型圖；

圖4是本發(fā)明中實驗測量和仿真計算的假人頭部合成加速度曲線圖；

圖5是本發(fā)明中實驗測量和仿真計算的假人胸部合成加速度曲線圖。

具體實施方式

下面結合附圖1-5，以利用車輛正面碰撞實驗響應進行約束系統(tǒng)摩擦參數的反求為例，對本發(fā)明的具體實施方式進行詳細說明。

車輛碰撞過程中，車輛乘員約束系統(tǒng)中的摩擦參數很難通過實驗直接測量或者獲取的成本過高，而系統(tǒng)的響應測量相對容易。因此，可以通過對車輛乘員約束系統(tǒng)的仿真模型進行計算，把仿真計算得到的響應和實際測量的響應相比較，反求程序根據響應比較結果，調整需要反求的摩擦參數，在多次調用正問題計算后，當仿真計算得到的響應與測量響應之間的誤差在最小二乘意義上最小時，就得到了車輛乘員約束系統(tǒng)待反求的摩擦參數。

圖1示出了本發(fā)明具體實施方式中車輛碰撞乘員約束系統(tǒng)摩擦特性的反分析方法的步驟流程，具體實施步驟如下：

步驟1：按照乘用車正面碰撞乘員防護法規(guī)的實驗方法和程序進行車輛碰撞實驗，測量獲得碰撞過程中的車體加速度曲線、假人頭部合成加速度曲線和假人胸部合成加速度曲線，并利用測量的響應得到實驗的損傷評價指標。

其中，上述碰撞過程中車體加速度曲線如圖2所示，上述假人頭部合成加速度曲線如圖4所示，上述假人胸部合成加速度曲線如圖5所示。

在本發(fā)明具體實施例中，上述損傷評價指標可包括頭部綜合損傷指標HIC36ms、胸部3毫秒加速度C3ms和胸部壓縮量D等。將這些測量的響應和損傷評價指標作為車輛碰撞乘員約束系統(tǒng)的摩擦特性反分析的已知信息，其中頭部綜合損傷指標HIC36ms的計算公式如下：

HIC36ms=(t2-t1)[1t2-t1∫t1t2a(t)dt]2.5]]>(1)

式中a(t)為頭部質心處合成加速度，t1和t2分別為HIC36ms達到最大值的時間段的起始和終止時間，間隔在36ms以內。

步驟2：按照車輛碰撞實驗工況，建立車輛碰撞乘員約束系統(tǒng)的正問題仿真模型。

其中，該模型施加與實驗環(huán)境相同的邊界和約束等條件，并采用多剛體來模擬車體及假人，而安全帶則采用多剛體和有限元相結合的方式來模擬。

上述乘員約束系統(tǒng)的正問題仿真模型以及相應的仿真方法屬于本領域公知技術，該乘員約束系統(tǒng)的正問題仿真模型如圖3所示。由于在車輛碰撞乘員約束系統(tǒng)中，乘員與約束系統(tǒng)的質量與相比很小，乘員的運動對實車碰撞響應可以忽略不計，因此在建模時可以將乘員運動從實車環(huán)境中隔離出來，將實車環(huán)境設為慣性空間，用圖2所示的車體碰撞加速度曲線的反向曲線作為約束系統(tǒng)的水平加速度場，來模擬外部對約束系統(tǒng)的作用。

步驟3：確定待求的摩擦參數并在所述摩擦參數的取值范圍內分別設定初值。

在本發(fā)明一個實施例中，可選擇車輛碰撞乘員約束系統(tǒng)中安全帶肩帶與乘員肩部的摩擦系數f1、安全帶肩帶與乘員胸部的摩擦系數f2、安全帶腰帶與乘員腹部的摩擦系數f3作為待反求的摩擦參數。由于摩擦系數一般不大于1，依據經驗選擇約束系統(tǒng)摩擦參數的取值范圍可設定為0.1～0.9，并在該取值范圍內對上述3個參數分別隨機給定一個初值。

步驟4：利用所建立的車輛碰撞乘員約束系統(tǒng)的正問題仿真模型進行仿真分析，得到計算的假人頭部的合成加速度、假人胸部的合成加速度，進而得到計算的損傷評價指標。

上述損傷評價指標可包括頭部綜合損傷指標HIC36ms、胸部3毫秒加速度C3ms和胸部壓縮量D等。

步驟5：將計算的假人頭部的合成加速度、假人胸部的合成加速度和各項損傷評價指標等響應與實驗測量的響應進行對比，構建反分析目標函數并計算該反分析目標函數的值。

在本發(fā)明一個實施例中，可以將二者差的平方和作為反分析目標函數，從而計算出該反分析目標函數的值。

步驟6：判斷計算反分析目標函數的迭代次數是否達到一設定閾值，如果沒有達到則轉入步驟7，如果達到了則轉入步驟8。

其中，該設定閾值可為1000。

步驟7：利用優(yōu)化方法對反分析目標函數進行優(yōu)化求解，進而在摩擦參數的取值范圍內產生摩擦參數的下一代新值，然后轉回步驟4。

在本發(fā)明具體實施例中，本領域技術人員可以自由選擇公有技術中具有全局收斂性的遺傳算法進行迭代優(yōu)化求解。在計算過程中，可由遺傳算法通過選擇、交叉和變異等操作在摩擦參數的取值范圍內產生下一代新值。

步驟8：將此時摩擦參數的值作為車輛碰撞成員約束系統(tǒng)的最佳參數值輸出。

此時迭代步數已達到預定閾值，假人頭部合成加速度曲線圖和假人胸部合成加速度曲線圖如圖4和圖5所示，可見實驗測量與數值計算的假人頭部的合成加速度曲線、假人胸部的合成加速度曲線基本相同。

如表1所示，實驗的頭部綜合損傷指標、胸部3毫秒加速度值、胸部壓縮量等損傷評價指標與計算的損傷指標誤差在10%以內。

表1實驗與仿真的損傷指標對比

這表明反求得到了約束系統(tǒng)摩擦參數的最佳取值，反求結果如表2所示

表2車輛碰撞乘員約束系統(tǒng)摩擦參數的識別結果