轿车车身安全带固定点设计优化问题研究

潘 路

（北京汽车研究总院有限公司，北京 101300）



轿车车身安全带固定点设计优化问题研究

潘 路

（北京汽车研究总院有限公司，北京 101300）

摘 要：安全带固定点的设计是轿车车身结构设计中的重要组成部分。传统的安全带固定点的设计方法往往将安全带的安全性与舒适性分开进行设计，忽略了它们之间的关联性，造成安全带固定点的设计结果并非整体最优。因此，本文对其进行综合考虑，即建立乘员的安全性与舒适性模型和安全带约束系统模型，将安全带固定点的非线性优化问题转化为多因素影响的线性优化问题，然后通过仿真实验进行分析。结果表明，本文方法能够使安全带很好地满足安全性和舒适性，效果令人满足。

关键词：轿车 线性优化 安全带 固定点 安全性 舒适性

引言

随着经济的快速发展，我国的汽车保有量也越来越高，同时人们对汽车安全性能的要求也在逐渐提高。乘员舱内安全带是轿车结构中的重要组成部分，它不仅事关乘员的安全，而且也影响着乘员的舒适程度。因此，如何确定安全带的最优固定点，以保证乘员的安全性和舒适性，已经成为当前轿车车身结构安全设计中的一个热点问题。

由于在轿车车身结构设计中，安全带固定点的设计是轿车质量标准中强制性要求的项目，因此，安全带的安全性必须满足标准，这就需要对轿车车身结构设计中安全带固定点进行优化选择。本文将安全带固定点的非线性优化问题转化为多因素影响的线性优化问题，并利用约束条件对安全带固定点进行优化，最后进行仿真实验。

1 建立乘员的安全性与舒适性模型

乘员在轿车内乘坐时，当汽车平稳行驶时，安全带会对乘员的身体施加一个外力，乘员的肘关节、肩关节、躯干关节、膝关节四个主要关节都会感受到安全带束缚力的作用。因此，可以对乘员身体的这四个关节的受力情况进行分析，以此建立乘员的舒适性模型。设置乘员的肘关节、肩关节、躯干关节和膝关节分别表示为SE、SS、ST、SK，利用乘员身体这四个关节的受力强度准确描述乘员的舒适性。当关节受力强度最大化时，此时乘员的乘坐姿势为最舒适的状态。则这四个关节受力强度的计算方法能够用下述公式进行描述：

其中，βe为肘关节的角度，βs为肩关节的角度，βt为躯干关节的角度，βk为膝关节的角度，Gf为性别调整系数。

为了准确评价安全带的舒适性，利用加权强度函数来描述乘员感受到的舒适程度。由于Gf不是影响乘员舒适程度的因素，因此可以将其忽略。此外，关节受力强度的正负值只表示关节处于伸展状态或者弯曲状态，因此取其绝对值。于是，乘员整体的舒适度的优化函数为

在实际的安全带固定点设计过程中，需要综合考虑乘员H点的位置、踵点的位置和方向盘的位置，从而通过多种因素综合考虑来对乘员的舒适程度进行估计。利用国内成年人的标准体型，能够将公式（1-4）用人体的H点进行表示：

其中，XS、ZS为肩关节中心点在坐标系Oxz中的坐标，XH、ZH为髋关节中心点在坐标系Oxz中的坐标，h为国内成年人的平均身高，值为1678mm。为座椅后仰角度，设计值为110°，aS为乘员上臂长度，bS为乘员下肢长度，cS为乘员肩关节中心与方向盘中心之间的距离。由于H点、膝关节和踵点这三点构成三角形，于是由三角形的几何原理能够得到下述关系：

其中，lS为乘员大腿的长度，mS为乘员小腿的长度，nS为H点与踵点之间的距离，XP、ZP为踵点在坐标系Oxz内的坐标。

根据上述公式能够得知，加权强度函数能够转换为乘员H点位置、踵点位置和方向盘中心位置的函数。因此，在安全带固定点的设计中，需要对上述三个位置点进行优化。首先确定踵点位置，然后依次对乘员H点位置和方向盘中心点的位置进行优化，从而实现乘员舒适度的优化。

需要注意的是，乘员舒适度优化的目标函数为：

2 建立安全带约束系统模型

为了确定轿车内安全带的最优固定点，需要建立安全带的约束系统模型。该模型主要包括车身、安全带和假人。其中，安全带模型为多体模型，用于优化安全带的固定点和座椅H的位置点。假人模型采用的男性假人，其身高体重符合国内成年男性的平均值，用于估计乘员的损伤程度。轿车进行正面实体墙碰撞试验，并根据碰撞结果对假人各关节的受力情况进行分析。

试验结果显示，假人各关节的加速度和压缩量与试验结果相一致，表明该模型能够用于安全带固定点的优化。为了对乘员的安全性进行综合评价，利用加权伤害指标作为安全带安全性的评价指标，其公式为：

其中，CH136为乘员头部在36ms内的损伤指标，C为乘员胸部的压缩量，F1和Fr分别为乘员左、右大腿受到的力。

3 仿真实验结果及分析

为了验证本文方法在轿车车身结构设计中安全带固定点优化方面的优越性，需要进行一次仿真实验。实验中各参数的初始值和变化范围分别为：座椅H点x方向坐标XH的初始值为1150mm，下限值为1120mm，上限为1195mm；座椅H点z方向坐标ZH的初始值为504mm，下限值为470mm，上限值为550mm；方向盘中心点x方向XSW的初始值为-120mm，下限值为165mm，上限值为-75mm；限力级别L的初始值为5kN，下限值为3kN，上限值为7.2kN。利用仿真软件MATLAB7.0构建实验环境，利用上述参数进行安全带固定点的优化，得到结果为：假人头部的指标CH136的实际初始值为1192，最优值为794；胸部压缩量C的初始值为54.2mm，最优值为39.3mm；加权损伤指标CWI的初始值为0.95，最优值为0.67；加权强度F的初始值为702.4，最优值为852.7。

从得到的实验结果可以看出，假人头部的CH136得到了明显改善，完全能够满足轿车质量相关法规的要求，胸部也有了一定程度的改善，提高了轿车整体的安全性。同时，乘员的舒适程度也有了很大提高。

4 结束语

如何在轿车车身结构设计中确定安全带的最优固定点，以满足乘员对安全带的安全性和舒适性不断提高的要求，是轿车车身结构设计领域一个永恒的课题。本文将安全带的安全性与舒适性综合考虑，通过建立乘员的安全性与舒适性模型和安全带约束系统模型，得到安全带固定点的约束条件，并结合轿车质量的国家标准，对安全带固定点的位置进行优化，最后进行仿真实验。结果表明，本文方法能够使轿车整体的安全性和乘员的舒适性得到明显提高，取得了令人满意的效果。

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