轎車車身安全帶固定點設計優化問題研究

潘 路

（北京汽車研究總院有限公司，北京 101300）

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轎車車身安全帶固定點設計優化問題研究

潘 路

（北京汽車研究總院有限公司，北京 101300）

摘 要：安全帶固定點的設計是轎車車身結構設計中的重要組成部分。傳統的安全帶固定點的設計方法往往將安全帶的安全性與舒適性分開進行設計，忽略了它們之間的關聯性，造成安全帶固定點的設計結果并非整體最優。因此，本文對其進行綜合考慮，即建立乘員的安全性與舒適性模型和安全帶約束系統模型，將安全帶固定點的非線性優化問題轉化為多因素影響的線性優化問題，然后通過仿真實驗進行分析。結果表明，本文方法能夠使安全帶很好地滿足安全性和舒適性，效果令人滿足。

關鍵詞：轎車 線性優化 安全帶 固定點 安全性 舒適性

引言

隨著經濟的快速發展，我國的汽車保有量也越來越高，同時人們對汽車安全性能的要求也在逐漸提高。乘員艙內安全帶是轎車結構中的重要組成部分，它不僅事關乘員的安全，而且也影響著乘員的舒適程度。因此，如何確定安全帶的最優固定點，以保證乘員的安全性和舒適性，已經成為當前轎車車身結構安全設計中的一個熱點問題。

由于在轎車車身結構設計中，安全帶固定點的設計是轎車質量標準中強制性要求的項目，因此，安全帶的安全性必須滿足標準，這就需要對轎車車身結構設計中安全帶固定點進行優化選擇。本文將安全帶固定點的非線性優化問題轉化為多因素影響的線性優化問題，并利用約束條件對安全帶固定點進行優化，最后進行仿真實驗。

1 建立乘員的安全性與舒適性模型

乘員在轎車內乘坐時，當汽車平穩行駛時，安全帶會對乘員的身體施加一個外力，乘員的肘關節、肩關節、軀干關節、膝關節四個主要關節都會感受到安全帶束縛力的作用。因此，可以對乘員身體的這四個關節的受力情況進行分析，以此建立乘員的舒適性模型。設置乘員的肘關節、肩關節、軀干關節和膝關節分別表示為SE、SS、ST、SK，利用乘員身體這四個關節的受力強度準確描述乘員的舒適性。當關節受力強度最大化時，此時乘員的乘坐姿勢為最舒適的狀態。則這四個關節受力強度的計算方法能夠用下述公式進行描述：

其中，βe為肘關節的角度，βs為肩關節的角度，βt為軀干關節的角度，βk為膝關節的角度，Gf為性別調整系數。

為了準確評價安全帶的舒適性，利用加權強度函數來描述乘員感受到的舒適程度。由于Gf不是影響乘員舒適程度的因素，因此可以將其忽略。此外，關節受力強度的正負值只表示關節處于伸展狀態或者彎曲狀態，因此取其絕對值。于是，乘員整體的舒適度的優化函數為

在實際的安全帶固定點設計過程中，需要綜合考慮乘員H點的位置、踵點的位置和方向盤的位置，從而通過多種因素綜合考慮來對乘員的舒適程度進行估計。利用國內成年人的標準體型，能夠將公式（1-4）用人體的H點進行表示：

其中，XS、ZS為肩關節中心點在坐標系Oxz中的坐標，XH、ZH為髖關節中心點在坐標系Oxz中的坐標，h為國內成年人的平均身高，值為1678mm。為座椅后仰角度，設計值為110°，aS為乘員上臂長度，bS為乘員下肢長度，cS為乘員肩關節中心與方向盤中心之間的距離。由于H點、膝關節和踵點這三點構成三角形，于是由三角形的幾何原理能夠得到下述關系：

其中，lS為乘員大腿的長度，mS為乘員小腿的長度，nS為H點與踵點之間的距離，XP、ZP為踵點在坐標系Oxz內的坐標。

根據上述公式能夠得知，加權強度函數能夠轉換為乘員H點位置、踵點位置和方向盤中心位置的函數。因此，在安全帶固定點的設計中，需要對上述三個位置點進行優化。首先確定踵點位置，然后依次對乘員H點位置和方向盤中心點的位置進行優化，從而實現乘員舒適度的優化。

需要注意的是，乘員舒適度優化的目標函數為：

2 建立安全帶約束系統模型

為了確定轎車內安全帶的最優固定點，需要建立安全帶的約束系統模型。該模型主要包括車身、安全帶和假人。其中，安全帶模型為多體模型，用于優化安全帶的固定點和座椅H的位置點。假人模型采用的男性假人，其身高體重符合國內成年男性的平均值，用于估計乘員的損傷程度。轎車進行正面實體墻碰撞試驗，并根據碰撞結果對假人各關節的受力情況進行分析。

試驗結果顯示，假人各關節的加速度和壓縮量與試驗結果相一致，表明該模型能夠用于安全帶固定點的優化。為了對乘員的安全性進行綜合評價，利用加權傷害指標作為安全帶安全性的評價指標，其公式為：

其中，CH136為乘員頭部在36ms內的損傷指標，C為乘員胸部的壓縮量，F1和Fr分別為乘員左、右大腿受到的力。

3 仿真實驗結果及分析

為了驗證本文方法在轎車車身結構設計中安全帶固定點優化方面的優越性，需要進行一次仿真實驗。實驗中各參數的初始值和變化范圍分別為：座椅H點x方向坐標XH的初始值為1150mm，下限值為1120mm，上限為1195mm；座椅H點z方向坐標ZH的初始值為504mm，下限值為470mm，上限值為550mm；方向盤中心點x方向XSW的初始值為-120mm，下限值為165mm，上限值為-75mm；限力級別L的初始值為5kN，下限值為3kN，上限值為7.2kN。利用仿真軟件MATLAB7.0構建實驗環境，利用上述參數進行安全帶固定點的優化，得到結果為：假人頭部的指標CH136的實際初始值為1192，最優值為794；胸部壓縮量C的初始值為54.2mm，最優值為39.3mm；加權損傷指標CWI的初始值為0.95，最優值為0.67；加權強度F的初始值為702.4，最優值為852.7。

從得到的實驗結果可以看出，假人頭部的CH136得到了明顯改善，完全能夠滿足轎車質量相關法規的要求，胸部也有了一定程度的改善，提高了轎車整體的安全性。同時，乘員的舒適程度也有了很大提高。

4 結束語

如何在轎車車身結構設計中確定安全帶的最優固定點，以滿足乘員對安全帶的安全性和舒適性不斷提高的要求，是轎車車身結構設計領域一個永恒的課題。本文將安全帶的安全性與舒適性綜合考慮，通過建立乘員的安全性與舒適性模型和安全帶約束系統模型，得到安全帶固定點的約束條件，并結合轎車質量的國家標準，對安全帶固定點的位置進行優化，最后進行仿真實驗。結果表明，本文方法能夠使轎車整體的安全性和乘員的舒適性得到明顯提高，取得了令人滿意的效果。

Research on Design Optimization of Car Body Safety Belt Fixed Point

PAN Lu
（Beijing Automobile Research Institute Co. Ltd， Beijing 101300）

Abstract:The design of the safety belt is an important part of the car body structure design. Traditional safety belt fixed point design method often safety belt s afety and comfort are designed separately， ignoring the correlation between them， resulting in a safety belt fixed point of the design results is not the overall optimal. Therefore， in this paper the were considered， namely the establishment of passenger safety and comfort model and safety belt restraint system model， the safety belt fixed point of nonlinear optimization problem into the influence factors of linear optimization problem， and then through the simulation experiments were analyzed. The results show that this method can satisfy the safety and comfort， and the effect is satisfactory.

Key words:car， linear optimization， safety belt， fixed point，safety， comfort