MADYMO/AutoDOE在乘员约束系统优化中的应用

摘要：乘员约束系统的参数对乘员保护的效果相当重要。本文介绍了通过MADYMO/AUTODOE 对一种折叠式安全带系统进行的优化， 优化的目标是在GB11551 工况下的乘员伤害最小。根据实际情况选择了安全带延伸率和折叠长度作为优化的参数。优化结果表明，这种折叠式安全带可以改变乘员运动姿态，并达到降低乘员伤害的目的。

简介

MADYMO/AUTODOE 是乘员安全性分析软件。AUTODOE 结合了DOE（试验设计）和CAE 分析的特点，可以根据用户定义自动完成试验设计、模拟计算以及相关的数据分析。极大的方便了相关方面的工程设计和研究分析。AUTODOE 的分析流程如图1。

图1 AUTODOE 分析流程

折叠式安全带是将织带在腰带或肩带的地方重叠一段并缝合起来，在安全带载荷达到规定的阀值后会被撕开，降低织带作用力从而达到保护乘员的效果（图2）。但这种安全带的使用也会导致乘员前移量增大，引起腿部等其他部位较大的伤害。

图2 折叠式安全带

本文利用MADYMO/AUTODOE 对某车型的折叠安全带系统进行了优化。

模型的建立

该乘员约束系统主要包括：

1. 乘员空间：地板、防火墙、风挡玻璃。
2. 约束系统：座椅、安全带、方向盘，仪表板。
3. 转向系统：转向管柱、方向盘（图3）。

图3 乘员约束系统模型

通过实车试验，验证了模型的有效性。

模型的优化

根据实际情况，选择了织带延伸率和折叠长度两个易于控制的参数对系统进行优化。参数水平的选择如表1。

表1 优化参数及其水平

在GB11551 要求的碰撞条件下，假人的伤害必须满足以下要求：

1. 头部损伤指标（HIC）≤ 1000，或“无头部接触”；
2. 大腿轴向力Ff≤ 10000N；
3. 胸骨压缩量≤ 75mm。

试验和仿真结果显示，碰撞中假人的胸骨压缩量较小，所以优化过程中并不将其作为一个目标值。所以优化的目标为：在大腿轴向力小于一定值F0 的约束条件下寻找HIC 的最小稳定解，即：

根据AUTODOE 的计算结果绘制出HIC 和Ff 响应曲面（图4）。

图4 AUTODOE 的计算结果

从计算结果可以看出，适当增加折叠长度和增加延伸率可以降低HIC 值，但会导致大腿轴向力增大，反之亦然。大腿力的响应是近似线性的，而HIC 的响应呈现较强的非线性，因此在设计时要考虑优化结果的稳定性。

优化结果比较

最终优化的参数值为：

1. 织带延伸率为14％；
2. 折叠长度为80mm。

优化后的结果与最初的设计（7％没有折叠）的结果对比如图5 所示。优化后的HIC 降低了约20％，而大腿轴向力也限定在一个合理的范围，取得了很明显的效果。

图5 优化前后HIC 的对比

结论

这里乘员约束系统的优化只考虑到安全带的参数，实际中还可能涉及安全气囊、膝垫、座椅等等许多种参数的优化，参数的增多也增加了系统的复杂程度。而通过AUTODOE 的试验设计可以大大简化优化步骤，很清楚的分析各种参数对乘员保护的影响，从而方便的实现乘员约束系统的优化设计。

致谢

非常感谢TNO 的刘学军博士在本项目的开发过程中给予的支持。

参考文献
1. 王瑄，李宏光，赵航等. 现代汽车安全. 北京：人民交通出版社，1998.
2. MADYMO Reference Manual, Version 6.1, TNO Automotive, 2003.
3. A. C. Bosio, H. A. Lupker. Design of Experiments in Occupant Simulation. SAE 910891.