混杂工况下校车常开式安全气囊的多目标优化

doi:10.16265/j.cnki.issn1003-3033.2022.04.011

中国安全科学学报 ›› 2022, Vol. 32 ›› Issue (4): 72-79.doi: 10.16265/j.cnki.issn1003-3033.2022.04.011

混杂工况下校车常开式安全气囊的多目标优化

洪亮¹^,²(), 刘刚¹, 葛如海¹^,³, 李梁¹, 李思远¹

¹ 江苏大学汽车与交通工程学院,江苏镇江 212013
² 好孩子儿童用品有限公司,江苏昆山 215331
³ 常熟理工学院汽车工程学院,江苏常熟 215500

收稿日期:2022-01-11 修回日期:2022-03-14 出版日期:2022-04-28 发布日期:2022-10-28
作者简介:
洪亮 (1986—),男,江苏镇江人,博士,讲师,主要从事汽车被动安全与人体生物力学方面的研究。E-mail: loudly1986@126.com。
葛如海,教授。
基金资助:
国家自然科学基金资助(51805224); 中国博士后科学基金资助(2020M671307); 江苏省资助博士后研究人员计划项目(2019Z061); 江苏省博士后科研资助计划项目(2019K043)

Multi-objective optimization of normally-open airbag of school buses under mixed conditions

HONG Liang¹^,²(), LIU Gang¹, GE Ruhai¹^,³, LI Liang¹, LI Siyuan¹

¹ School of Automotive and Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang Jiangsu 212013, China
² Goodbaby International Holdings Ltd., Kunshan Jiangsu 215331, China
³ School of Automobile Engineering, Changshu Institute of Technology, Changshu Jiangsu 215500, China

Received:2022-01-11 Revised:2022-03-14 Online:2022-04-28 Published:2022-10-28

摘要/Abstract

摘要：

为提升混杂工况下校车儿童乘员的安全性,对常开式安全气囊的保护性能开展优化设计。首先,明确6、12岁儿童的损伤阈值;然后,基于台车试验数据,构建与验证校车仿真模型,并搭建校车—常开式安全气囊耦合模型;最后,基于校车碰撞工况与儿童年龄的不同组合,建立6种混杂工况,决选常开式安全气囊的主要设计参数为优化因素,以加权伤害指标为优化目标,构建响应面代理模型。结果表明:利用改进型NSGA-Ⅱ算法,权衡确定上部拉带长度0.258 8 m,安装点高度0.385 6 m, 泄气阀开启压力1.199 6×10⁵ Pa,泄气阀开度1.98为最优配置;混杂工况下,具备最优配置的常开式安全气囊可最大限度地降低儿童乘员的损伤风险。

关键词: 混杂工况, 校车, 常开式安全气囊, 多目标优化, 儿童损伤阈值

Abstract:

In order to improve child occupants' safety on school buses under mixed conditions, protective performance of normally-open airbag was optimized. Firstly, injury thresholds of 6-year-old and 12-year-old children were determined. Secondly, a simulation model of school buses was established and verified by sled test data, and a coupling model of school buses and normally-open airbag was built. Finally, based on different combinations of collision conditions and child ages, six mixed conditions were established. Finally, a response surface proxy model was constructed with airbag's main design parameters as optimization factors and weighted injury criterion as optimization target. The results show that according to improved NSGA-Ⅱ algorithm, the optimal configuration is upper strap length at 0.258 8 m, height of installation position at 0.385 6 m, initial pressure of exhaust at 1.199 6×10⁵ Pa, and its opening degree at 0.98. And under mixed conditions, normally-open airbag with optimal configuration can minimize risk of injuries in child occupants.

Key words: mixed conditions, school buses, normally-open airbag, multi-objective optimization, children injury thresholds

洪亮, 刘刚, 葛如海, 李梁, 李思远. 混杂工况下校车常开式安全气囊的多目标优化[J]. 中国安全科学学报, 2022, 32(4): 72-79.

HONG Liang, LIU Gang, GE Ruhai, LI Liang, LI Siyuan. Multi-objective optimization of normally-open airbag of school buses under mixed conditions[J]. China Safety Science Journal, 2022, 32(4): 72-79.

图/表 14

表1

6岁与12岁儿童的损伤阈值

损伤指标	阈值(第50百分位成年男性)	比例缩放系数	阈值(6岁儿童)	阈值(12岁儿童)
头部伤害指标H	700	$(λ E) 2 / (λ L H) 1.5$	365.4	700.0^*(779.2^#)
胸部3 ms合成加速度a/g	60	$λ E / λ L M$	60.0^*(61.6^#)	60.0^*(69.6^#)
胸部压缩量D/mm	63	$λ L D$	38.9	51.5
左大腿力F^L/N	10 000	$λ E (λ L F) 2$	—	6 805^*(6 820^#)
右大腿力F^R/N	10 000	$λ E (λ L F) 2$	—	6 805^*(6 820^#)

表1

图1

图2

图3

图4

图5

表2

图6

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图7

图8

表4

表5

表6

参考文献 16

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儿童年龄	损伤指标	原始波形	简化波形	误差/%
6岁	H	113.57	115.02	1.28
6岁	a/g	28.45	28.12	1.16
12岁	H	275.79	273.59	0.80
	N	1.114 1	1.071 2	3.85
	a/g	19.18	18.52	3.44
	F^L/N	940	954	1.49
	F^R/N	2 094	2 154	2.87

碰撞波形	6岁儿童	12岁儿童
波形1	工况1	工况4
波形2	工况2	工况5
波形3	工况3	工况6

优化因素	初始值	最优值
上部拉带长度x₁/m	0.235 0	0.258 8
安装点高度x₂/m	0.395 0	0.385 6
泄气阀开启压力x₃/Pa	1.250 0×10⁵	1.199 6×10⁵
泄气阀开度x₄	1.00	1.98

工况	H	a/g	W₆
工况1(优化前)	315.57	29.08	0.750 0
工况1(优化后)	164.04	26.87	0.448 6
优化前后伤害变化率/%	-48.02	-7.60	-40.19
工况2(优化前)	596.87	39.58	1.341 3
工况2(优化后)	355.62	38.49	0.873 7
优化前后伤害变化率/%	-40.42	-2.86	-34.86
工况3(优化前)	1 061.60	48.42	2.275 8
工况3(优化后)	696.32	48.61	1.577 0
优化前后伤害变化率/%	-34.41	+0.39	-30.71

工况	H	N	a/g	D/mm	W₁₂
工况4(优化前)	72.44	0.427 6	17.10	14.64	0.202 4
工况4(优化后)	40.96	0.302 6	16.47	12.13	0.154 3
优化前后伤害变化率/%	-43.46	-29.23	-3.68	-17.15	-23.77
工况5(优化前)	147.89	0.570 1	23.50	15.59	0.303 8
工况5(优化后)	99.17	0.443 7	20.94	13.05	0.237 7
优化前后伤害变化率/%	-32.94	-22.17	-10.89	-16.29	-21.76
工况6(优化前)	262.90	0.728 9	31.83	15.99	0.442 5
工况6(优化后)	186.71	0.596 5	28.41	14.20	0.355 1
优化前后伤害变化率/%	-28.98	-18.16	-10.75	-11.19	-19.75

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