基于12岁儿童损伤阈值的主动式安全气囊多目标优化

doi:10.19562/j.chinasae.qcgc.2021.06.009

摘要/Abstract

摘要：

本文旨在对某校车的主动式安全气囊进行多目标优化，以提高其对12岁儿童乘员的保护功效。首先，确定12岁儿童的损伤阈值；搭建校车—主动式安全气囊耦合模型。其次，简化台车试验的原始波形，模拟4种校车碰撞工况。最后，选取气囊安装点高度、泄气阀开启压力、泄气阀开度和中部拉带长度为优化参数；基于响应面代理模型与NSGA-Ⅱ的变型算法，以加权伤害指标WICC为优化目标，开展主动式安全气囊的多目标优化。结果表明：4种校车碰撞工况下，主动式安全气囊的优化效果显著；对于碰撞速度最高的工况，头部伤害指标HIC₁₅、颈部伤害指标N_ij、胸部合成加速度T_3ms、胸部压缩量THPC和WICC分别降低了28.58%、14.79%、10.02%、10.26%和18.08%。

关键词: 碰撞工况, 儿童损伤阈值, 主动式安全气囊, 多目标优化, 保护功效

Abstract:

This paper aims to conduct a multi?objective optimization on the active safety airbag of a school bus for enhancing its protective effects on 12?year?old children. Firstly， the injury thresholds of 12?year?old children are determined and a coupling model of the school bus and the active airbag is built. Then， the original waveform measured in a sled test is simplified to simulate four collision conditions. Finally， based on response surface surrogate model and using modified NSGA?II algorithm， a multi?objective optimization on active airbag is conducted， with the installation position， the open pressure and the opening of air vent valve， as well as the middle strap length of the active airbag selected as the optimization parameters， and the weighted injury criterion for 12?year?old children （WICC） as the optimization objective. The results show that the optimization on the active airbag achieves significant effects under four collision conditions of school bus. For the condition with the highest collision speed， the head injury criterion HIC₁₅， the neck injury criterion N_ij， the thorax resultant acceleration T_3ms， the chest deflection THPC and WICC reduce by 28.58%，14.79%，10.02%，10.26% and 18.08% respectively.

Key words: collision conditions, children injury threshold, active safety airbag, multi?objective optimization, protective effect

洪亮,刘刚,葛如海. 基于12岁儿童损伤阈值的主动式安全气囊多目标优化[J]. 汽车工程, 2021, 43(6): 861-869.

Liang Hong,Gang Liu,Ruhai Ge. Multi⁃objective Optimization of Active Safety Airbag Based on the Injury Thresholds of 12⁃year⁃old Children[J]. Automotive Engineering, 2021, 43(6): 861-869.

图/表 17

表 1

12岁儿童损伤阈值"

损伤指标	第50百分位成年男性损伤阈值	比例缩放系数	12岁儿童损伤阈值
头部伤害指标HIC₁₅	700	$(K E) 2 / (K L, ? H e a d) 1.5$	779.2
胸部3 ms合成加速度T_3ms/g	60	$K E / K L, ? M a s s$	69.6
胸部压缩量THPC/mm	63	$K L, ? D e p t h$	51.5
上颈部伸张弯矩 M_int/（N·m）	135	$K E K L, ? N e c k 3$	67.6
上颈部轴向力F_int/N	6 806	$K E K L, ? N e c k 2$	4 290.7
左大腿力F_l/N	10 000	$K E K L, ? F e m u r 2$	6 820
右大腿力F_r/N	10 000	$K E K L, ? F e m u r 2$	6 820

表 1

图 1

图 2

图 3

图 4

表 2

图 5

图 6

图 7

表 3

表 4

表 5

表6

表7

表8

图 8

图 9

参考文献 23

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损伤指标	原始波形	简化波形	误差
头部合成加速度/g	135.15	134.48	0.50%
HIC₁₅	275.79	273.59	0.80%
N_ij	1.114 1	1.071 2	3.85%
T_3ms/g	19.18	18.52	3.44%
F_l/N	940	954	1.49%
F_r/N	2 094	2 154	-2.87%

序号	工况1				工况2
序号	x₁/m	x₂/Pa	x₃	x₄/ m	x₁/ m	x₂/Pa	x₃	x₄/ m
1	0.389 8	1.3090×10⁵	1.876	0.270 3	0.378 6	1.2469×10⁵	1.462	0.293 1
2	0.378 6	1.3028×10⁵	1.379	0.317 9	0.369 7	1.1786×10⁵	1.297	0.315 9
3	0.387 6	1.2159×10⁵	2	0.286 9	0.351 7	1.2034×10⁵	0.966	0.268 3
?	?	?	?	?	?	?	?	?
28	0.398 8	1.3338×10⁵	1.628	0.297 2	0.394 3	1.1848×10⁵	1.09	0.266 2
29	0.380 9	1.2097×10⁵	1.172	0.32	0.371 9	1.1910×10⁵	1.917	0.270 3
30	0.369 7	1.1786×10⁵	0.924	0.295 2	0.354	1.3276×10⁵	1.545	0.264 1

序号	工况3				工况4
序号	x₁/m	x₂/Pa	x₃	x₄/m	x₁/m	x₂/Pa	x₃	x₄/m
1	0.358 4	1.3214×10⁵	1.793	0.307 6	0.407 8	1.2717×10⁵	0.883	0.299 3
2	0.405 5	1.2097×10⁵	0.924	0.286 9	0.349 5	1.2779×10⁵	1.007	0.270 3
3	0.378 6	1.2407×10⁵	1.379	0.291	0.394 3	1.2407×10⁵	1.214	0.264 1
?	?	?	?	?	?	?	?	?
28	0.354	1.2221×10⁵	1.917	0.297 2	0.356 2	1.3152×10⁵	1.71	0.311 7
29	0.356 2	1.3152×10⁵	1.752	0.276 6	0.403 3	1.1848×10⁵	0.966	0.286 9
30	0.403 3	1.2655×10⁵	1.586	0.317 9	0.365 2	1.1786×10⁵	1.917	0.280 7

样本点	项目	WICC₁	WICC₂	WICC₃	WICC₄
4	仿真值	0.085 7	0.164 2	0.276 8	0.396 4
	预测值	0.085 5	0.162 5	0.277 1	0.386 9
	误差	0.23%	1.04%	0.11%	2.40%
16	仿真值	0.095 1	0.148 1	0.273 3	0.397 1
	预测值	0.098 8	0.152 3	0.275 9	0.410 2
	误差	3.89%	2.84%	0.95%	3.30%
23	仿真值	0.125 8	0.194 4	0.249 3	0.398 6
	预测值	0.122 1	0.200 8	0.248 0	0.392 1
	误差	2.94%	3.29%	0.52%	1.63%

参数名称	数值
Population Size	100
Pareto Fraction	0.3
Stall Gen Limit	200
Generations	200
Tol Fun	1×10^-100