外文翻譯--汽車前部結(jié)構(gòu)與乘員約束系統(tǒng)的防撞性優(yōu)化設(shè)計(jì)（譯文）

1、<p><b>　　中文6389字</b></p><p>　　出處：AIAA. Optimum Design of Vehicle Frontal Structure and Occupant Restraint System for Crashworthiness : A Multilevel Approach Using SDSS[J]. Jsme International

2、 Journal, 2001, 44(4):594-601.</p><p><b>　　附件C：譯文</b></p><p>　　汽車前部結(jié)構(gòu)與乘員約束系統(tǒng)的防撞性優(yōu)化設(shè)計(jì)</p><p>　　摘要：CAE工具已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車碰撞安全性設(shè)計(jì)中，雖然它們還沒(méi)有滿足汽車的優(yōu)化設(shè)計(jì)。作者已提出一種統(tǒng)計(jì)設(shè)計(jì)支持系統(tǒng)，并發(fā)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)設(shè)計(jì)支持系統(tǒng)SDSS是

3、一種解決非線性動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的可用的優(yōu)化方法。這個(gè)系統(tǒng)是一種基于響應(yīng)曲面法和試驗(yàn)設(shè)計(jì)的綜合性優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。在本研究中，介紹了一種采用統(tǒng)計(jì)設(shè)計(jì)支持系統(tǒng)的多級(jí)優(yōu)化方法。這種方法對(duì)大規(guī)模的多級(jí)、多學(xué)科的優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題很適用，同時(shí)解決了汽車的前部結(jié)構(gòu)與乘員約束系統(tǒng)防撞性的優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題。結(jié)果顯示，可以通過(guò)采用這種新的方法得到成功而有效率的汽車前部結(jié)構(gòu)與乘員約束系統(tǒng)的協(xié)同優(yōu)化。</p><p>　　關(guān)鍵字：有限元方法，非線性問(wèn)題，

4、優(yōu)化設(shè)計(jì)，防撞性，前部結(jié)構(gòu)，乘員約束系統(tǒng)，安全性，統(tǒng)計(jì)設(shè)計(jì)支持系統(tǒng)</p><p><b>　　1. 引言</b></p><p>　　如今，為了評(píng)估汽車的安全性能和減少其發(fā)生碰撞后對(duì)乘員的傷害，汽車碰撞仿真已經(jīng)廣泛用于汽車發(fā)展的各種發(fā)展和設(shè)計(jì)階段。但是，由于汽車碰撞仿真通常需要大量的計(jì)算時(shí)間，從而使將早先的優(yōu)化仿真用于汽車安全性設(shè)計(jì)變得不太現(xiàn)實(shí)。作者提出了一種基于實(shí)

5、驗(yàn)設(shè)計(jì)與響應(yīng)曲面法的綜合設(shè)計(jì)方法——統(tǒng)計(jì)設(shè)計(jì)支持系統(tǒng)。在統(tǒng)計(jì)設(shè)計(jì)支持系統(tǒng)中，利用在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中使用的正交矩陣，可以使在數(shù)量上評(píng)價(jià)適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)空間內(nèi)的目標(biāo)函數(shù)的設(shè)計(jì)因素性能的效率成為可能。通過(guò)發(fā)現(xiàn)，統(tǒng)計(jì)設(shè)計(jì)支持系統(tǒng)SDSS對(duì)汽車碰撞的非線性動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的優(yōu)化設(shè)計(jì)即可用又有效。</p><p>　　在傳統(tǒng)的汽車設(shè)計(jì)中，加強(qiáng)型的汽車結(jié)構(gòu)部件被設(shè)計(jì)用于減輕結(jié)構(gòu)的重量，同時(shí)能保護(hù)乘員艙內(nèi)乘員的生存空間。與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的相對(duì)應(yīng)，乘

6、員約束系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的是減少乘員傷害。也就是說(shuō)，汽車結(jié)構(gòu)和乘員約束系統(tǒng)的設(shè)計(jì)兩者是分開(kāi)的，因?yàn)槠嚱Y(jié)構(gòu)和乘員約束系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是一種典型的多學(xué)科（或多級(jí)）問(wèn)題，盡管在每個(gè)系統(tǒng)之間存在平衡關(guān)系。然而進(jìn)行它們之間的協(xié)同綜合設(shè)計(jì)是非常重要的。本研究的目的是提出一種采用統(tǒng)計(jì)設(shè)計(jì)支持系統(tǒng)的新方法，用于像汽車安全性設(shè)計(jì)那樣的多學(xué)科設(shè)計(jì)。</p><p>　　在本次研究中，為了解決此類多學(xué)科問(wèn)題，作者提出了一種新的多級(jí)方法，它介紹了

7、在統(tǒng)計(jì)設(shè)計(jì)支持系統(tǒng)中協(xié)同優(yōu)化的基本內(nèi)容。在這種新方法中，每個(gè)設(shè)計(jì)規(guī)則作為一個(gè)子集，整個(gè)系統(tǒng)是由通過(guò)接觸面函數(shù)聯(lián)系起來(lái)的子集構(gòu)成。這是一種比較熟悉的協(xié)同分析方法。眾所周知，這種方法的優(yōu)勢(shì)為：（1）減少父集中響應(yīng)面的尺寸。（2）在每個(gè)集合中允許平行響應(yīng)曲面分析。(3)簡(jiǎn)化了父集和子集的優(yōu)化分析。通過(guò)使用這種方法，汽車前部和乘員艙結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)型部件和乘員約束系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)能夠使結(jié)構(gòu)輕量化和乘員安全性達(dá)到一個(gè)很好的平衡，此時(shí)加強(qiáng)型部件作為一個(gè)子集

8、，而乘員約束系統(tǒng)是作為另一個(gè)子集。這里，乘員座椅下部的減速度曲線將用作為兩個(gè)子集間的接觸面函數(shù)。首先，通過(guò)統(tǒng)計(jì)設(shè)計(jì)支持系統(tǒng)研究一系列典型的乘員損傷減速度波形的有效性。其次，在此基礎(chǔ)上，將加強(qiáng)型部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)約束條件作為一個(gè)合適的接觸面函數(shù)子集。最后，約束系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)通過(guò)使用從加強(qiáng)型部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)中獲得的減速度波形進(jìn)行的。</p><p>　　這種成功的方法確定了統(tǒng)計(jì)設(shè)計(jì)支持系統(tǒng)用于像汽車碰撞這樣的大規(guī)模非線性、

9、多學(xué)科問(wèn)題的效率性和正確性。</p><p>　　2. 統(tǒng)計(jì)設(shè)計(jì)支持系統(tǒng)</p><p>　　統(tǒng)計(jì)設(shè)計(jì)支持系統(tǒng)是由幾個(gè)函數(shù)組成的：有效性分析、再分析，離散評(píng)估、強(qiáng)度分析和可靠性評(píng)價(jià)。系統(tǒng)的基本內(nèi)容是有效性分析，在這里，目標(biāo)函數(shù)設(shè)計(jì)因素的影響是在數(shù)量上通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（正交矩陣設(shè)計(jì)）相結(jié)合來(lái)評(píng)價(jià)的。在結(jié)構(gòu)分析結(jié)果變化的基礎(chǔ)上，目標(biāo)函數(shù)與設(shè)計(jì)變量之間的相互關(guān)系由一些簡(jiǎn)單的估算表達(dá)式（響應(yīng)

10、面）提供。所有的后處理例如優(yōu)化都是通過(guò)估算表達(dá)式進(jìn)行的。由于結(jié)構(gòu)分析與系統(tǒng)中其他函數(shù)是分開(kāi)的，非線性問(wèn)題的優(yōu)化可以在沒(méi)有任何CAE環(huán)境下進(jìn)行。</p><p><b>　　3. 多級(jí)方法</b></p><p>　　由于討論的物理問(wèn)題可以通過(guò)統(tǒng)計(jì)設(shè)計(jì)支持系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)表達(dá)式，從而很容易將任何協(xié)同優(yōu)化算法引進(jìn)這個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行像汽車碰撞這樣的大規(guī)模多學(xué)科的優(yōu)化。<

11、/p><p><b>　　圖1 相應(yīng)面表達(dá)式</b></p><p><b>　　圖2 優(yōu)化結(jié)構(gòu)樹(shù)</b></p><p>　　圖1和圖2顯示了使用統(tǒng)計(jì)設(shè)計(jì)系統(tǒng)提出的多級(jí)方法。由于系統(tǒng)是分割成一些子集的，各子集是通過(guò)父集內(nèi)的接觸面函數(shù)聯(lián)系在一起的，每個(gè)子集相應(yīng)面的平行發(fā)展是通過(guò)使用統(tǒng)計(jì)設(shè)計(jì)支持系統(tǒng)進(jìn)行的，各子集的相互作用能同時(shí)

12、通過(guò)一些列接觸面函數(shù)的假定值來(lái)研究。圖1顯示了響應(yīng)面產(chǎn)生的公式表達(dá)式，圖2顯示了通過(guò)預(yù)先使用相應(yīng)面表達(dá)式得到的優(yōu)化體系結(jié)構(gòu)。這就是說(shuō)，通過(guò)將每個(gè)子集的目標(biāo)函數(shù)和其他子集之間的接觸面函數(shù)聯(lián)系起來(lái)，在其他子集中的許多設(shè)計(jì)因素之間的影響可以不必要研究了。因?yàn)槊坎糠值慕佑|面函數(shù)能夠描述每個(gè)不同子集的所有設(shè)計(jì)因素的合成影響。因此，對(duì)每個(gè)子集的研究可以僅僅通過(guò)一系列設(shè)計(jì)因素的接觸面函數(shù)獨(dú)立的進(jìn)行。在有些情況下，接觸面函數(shù)應(yīng)該同時(shí)作為兩個(gè)子集的設(shè)計(jì)因

13、素。作者將在其他的研究中討論這種問(wèn)題。在大多數(shù)情況下，接觸面函數(shù)在第一個(gè)子集中可以作為目標(biāo)函數(shù)對(duì)待，同時(shí)在下一個(gè)子集中作為設(shè)計(jì)因素對(duì)待。這種情況的問(wèn)題將在本次研究中重點(diǎn)討論。</p><p>　　4.減速度波形特點(diǎn)的影響因素</p><p><b>　　4.1 接觸面函數(shù)</b></p><p>　　圖3顯示了整車和乘員約束系統(tǒng)的解析模型，其中

14、前部和乘員艙結(jié)構(gòu)作為一個(gè)子集，乘員約束系統(tǒng)作為另一個(gè)子集。如圖3所示，從整車乘員座椅下部的一點(diǎn)獲得的近似減速度波形，被用來(lái)作為兩個(gè)子集的接觸面函數(shù)。其中減速度波形是前部和乘員艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的結(jié)果。另一方面它應(yīng)該作為乘員約束系統(tǒng)的設(shè)計(jì)因素。通過(guò)近似減速度波形，闡明了減速度波形的特點(diǎn)，從而使在數(shù)量上處理減速度特點(diǎn)成為可能。在本研究中，減速度波形特點(diǎn)通過(guò)兩個(gè)因素來(lái)描述，一個(gè)是波形的峰值，另一個(gè)是波形的到達(dá)峰值的時(shí)間。因此，這兩個(gè)因素可以作為子集1

15、的設(shè)計(jì)結(jié)果，同時(shí)也可以用作子集2的設(shè)計(jì)因素。通常，在這兩個(gè)因素之間的相互作用都應(yīng)該要考慮，它們之間的相互作用的影響，可以通過(guò)交叉一小型的正交矩陣來(lái)研究。但是，那樣會(huì)增加解析模型的數(shù)量。在本研究中，假定兩個(gè)因素之間的互相作用很弱，可以忽略。在這部分中，在美國(guó)國(guó)家公路交通安全管理局介紹給公眾的整車碰撞模型基礎(chǔ)上局部進(jìn)行改進(jìn)使用。在與剛性墻正面完全碰撞發(fā)生之前，汽車的初速度是35英里每小時(shí)。</p><p>　　圖3

16、解析模型和減速度波形</p><p>　　4.2減速度波形的特點(diǎn)</p><p>　　為了得到約束系統(tǒng)的減速度波形的有效性分析，減速度波形的峰值以及其對(duì)應(yīng)的時(shí)間作為典型的因素使用。圖4顯示了約束系統(tǒng)的峰值影響的研究情況。圖5顯示了峰值時(shí)間的影響情況。在圖4和圖5中，初始波形是從圖3中近似的減速度波形中獲得的，在它的基礎(chǔ)上，波形的峰值以及其對(duì)應(yīng)的峰值時(shí)間都轉(zhuǎn)換成四種比例的數(shù)據(jù)，h1~h4,t

17、1~t4表示。</p><p>　　在從圖4和圖5中獲得減速度波行中，乘員約束系統(tǒng)通過(guò)使用Sled模型（座椅周圍的環(huán)境是從整車中去除的）進(jìn)行研究。因此，能夠得到減速度特點(diǎn)的改變對(duì)乘員損傷的影響。當(dāng)考慮前部和乘員艙結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)型部件的設(shè)計(jì)，可以選擇乘員需要的減速度特點(diǎn)的范圍。</p><p>　　圖4 減速度波形峰值的波動(dòng)</p><p>　　圖5 減速度波形峰值時(shí)間的

18、波動(dòng)</p><p><b>　　4.3 碰撞仿真</b></p><p>　　對(duì)于防撞性評(píng)價(jià)的方法，作者采用了在美國(guó)廣泛運(yùn)用的新車評(píng)價(jià)議程N(yùn)CAP.此時(shí)汽車的安全性通過(guò)汽車以35英里每小時(shí)的初速度與剛性墻正面碰撞來(lái)評(píng)價(jià)的。它是基于乘員受到安全帶的嚴(yán)重傷害的概率來(lái)評(píng)價(jià)的。</p><p>　　模擬整車碰撞的乘員約束系統(tǒng)模型被用作為解析模型。模型

19、包括五十百分位假人模型。它是一種已經(jīng)發(fā)展成為用來(lái)評(píng)價(jià)乘員損傷的乘員有限元模型。整個(gè)模型的節(jié)點(diǎn)數(shù)目大概為9400，單元數(shù)目大概為8800.圖6顯示了用于本次研究的乘員約束系統(tǒng)模型。</p><p>　　本次研究在工作站上使用市場(chǎng)流行的PAM-CRASH/SAFE軟件，評(píng)價(jià)計(jì)算時(shí)間為40分鐘。</p><p>　　圖6 乘員約束系統(tǒng)解析模型</p><p><b&

20、gt;　　4.4 評(píng)價(jià)特征值</b></p><p>　　NCAP通過(guò)整車與剛性墻以35英里每小時(shí)的初速度發(fā)生正面碰撞時(shí)乘員嚴(yán)重傷的概率來(lái)評(píng)價(jià)汽車的安全性。嚴(yán)重?fù)p傷的概率PTotal按下式計(jì)算：</p><p>　　=1/(1+exp（5.02-0.00351 ）) (1)</p><p>　　=1/(1+exp（5.55-0

21、.0693 ）) (2)</p><p>　　=1-(1- )( 1- ) (3)</p><p>　　是頭部損傷值， 是胸部加速度值， 是頭部嚴(yán)重?fù)p傷的概率， 是胸部嚴(yán)重?fù)p傷的概率。頭部損傷值和胸部加速度按下式計(jì)算：</p><p>　　是頭部質(zhì)心的加速度， 是脊骨上一點(diǎn)的加速度。</

22、p><p>　　因此， 被選擇為評(píng)價(jià)的特征值，作為目標(biāo)函數(shù)。此外，為了評(píng)價(jià)車內(nèi)二次碰撞，頭部和方向盤(pán)之間的距離L也要需要選擇。</p><p><b>　　4.5 有效性分析</b></p><p>　　設(shè)計(jì)因素關(guān)系到安全氣囊，安全帶作用的因素。因此，選擇了一下8個(gè)因素作為設(shè)計(jì)因素：</p><p>　　安全帶預(yù)緊器的有效性

23、</p><p><b>　　安全帶上固定點(diǎn)位置</b></p><p><b>　　安全帶織物剛度</b></p><p><b>　　安全帶能量吸收性能</b></p><p>　　碰撞發(fā)生后到安全氣囊氣體發(fā)生器開(kāi)啟時(shí)的時(shí)間間隔</p><p>&l

24、t;b>　　氣體發(fā)生器質(zhì)量流率</b></p><p><b>　　安全氣囊彎曲直徑</b></p><p><b>　　安全氣囊拉帶長(zhǎng)度</b></p><p>　　相應(yīng)設(shè)計(jì)因素見(jiàn)表1。這些設(shè)計(jì)因素值分別被分配到正交矩陣L18中。</p><p>　　表格2顯示的是從圖4和圖5中

25、獲得的9種減速度波形。表2中，在“初始”波形的基礎(chǔ)，將峰值和其對(duì)應(yīng)的時(shí)間分別轉(zhuǎn)換成h1~h4和t1~t4顯示。</p><p>　　在正交矩陣的基礎(chǔ)上，對(duì)每種減速度波形進(jìn)行了18次的有限元分析?？偣灿?jì)算次數(shù)為162.在每次計(jì)算完的后處理中獲得損傷標(biāo)準(zhǔn)值。</p><p>　　有效性分析是在有限元分析結(jié)構(gòu)的方差分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，根據(jù)方差分析的損傷概率YPtotal和頭部與方向盤(pán)之間的距離Y

26、L 得出估算表達(dá)式。</p><p><b>　　4.6 優(yōu)化</b></p><p>　　當(dāng)假人頭部被阻止與方向盤(pán)發(fā)生碰撞時(shí)，乘員約束系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)是通過(guò)評(píng)估表達(dá)式進(jìn)行的。優(yōu)化問(wèn)題如下所示，設(shè)計(jì)因素的因素水平如表格3所示。</p><p>　　目標(biāo)函數(shù)： YPtotal→minimum</p><p>　　約束條件：

27、YL ≥50[mm]</p><p>　　為了驗(yàn)證損傷值，通過(guò)有限元分析對(duì)優(yōu)化設(shè)置的因素水平再次進(jìn)行計(jì)算。評(píng)估值和優(yōu)化設(shè)置的計(jì)算值的對(duì)比如圖7和圖8。圖顯示了評(píng)估值比較符合計(jì)算值。</p><p>　　圖7 由于估算和計(jì)算的損傷概率（峰值）</p><p>　　圖8 由于估算和計(jì)算的損傷概率（峰值時(shí)間）</p><p>　　4.7 減速度特點(diǎn)

28、的波動(dòng)范圍的研究</p><p>　　如圖7和圖8所示，從h2到intial的范圍和從intial到t3的范圍內(nèi)，損傷的概率穩(wěn)定，相對(duì)較低。由于考慮了前部和乘員艙結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)型部件的設(shè)計(jì)，減速度波形的峰值比在initial時(shí)的要高，要早，這會(huì)對(duì)乘員約束系統(tǒng)的設(shè)計(jì)產(chǎn)生不利的影響?？紤]乘員安全性和結(jié)構(gòu)輕量化之間的平衡非常重要。因此，相對(duì)于“initial”時(shí)較低，較遲的減速度峰值范圍應(yīng)該作為加強(qiáng)型部件設(shè)計(jì)時(shí)的約束條件。

29、</p><p>　　5.加強(qiáng)型部件的優(yōu)化 </p><p>　　5.1 以減速度特點(diǎn)為約束條件</p><p>　　在前述的部分中，可以獲得使乘員安全性到達(dá)很好的平衡的減速度特性范圍。在下面的部分中，對(duì)前部和乘員艙結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)型部件的優(yōu)化將以減速度特點(diǎn)范圍為約束條件進(jìn)行。</p><p><b>　　5.2 碰撞仿真</b&g

30、t;</p><p>　　在美國(guó)國(guó)家公路交通安全管理局介紹給公眾的整車碰撞有限元模型基礎(chǔ)上局部進(jìn)行改進(jìn)使用（如圖9所示）。在與剛性障壁完全正面碰撞和與可變形障壁偏置碰撞之前時(shí)，汽車的初始速度為 35英里每小時(shí)。對(duì)于完全正面碰撞時(shí)，模型的總單元數(shù)大概為22700，節(jié)點(diǎn)數(shù)大概為24000.對(duì)于偏置碰撞時(shí)，模型的總單元數(shù)大概為37000，節(jié)點(diǎn)數(shù)大概為51200.使用的軟件依然為PAM-CRASH/SAFE.平均所需的計(jì)

31、算時(shí)間對(duì)于完全正面碰撞大概為20小時(shí)，對(duì)于偏置碰撞時(shí)大概為40小時(shí)。</p><p>　　圖9 用于完全正面碰撞和偏置碰撞的解析模型</p><p><b>　　5.3 有效性分析</b></p><p>　　如圖10和表4所示，選擇11個(gè)前部和乘員艙結(jié)構(gòu)周圍的加強(qiáng)型部件的厚度作為設(shè)計(jì)因素，這些設(shè)計(jì)因素能減小碰撞時(shí)乘員損傷的程度。在表4中，11

32、個(gè)加強(qiáng)型部件被分為6個(gè)因素，在有效性分析與優(yōu)化中，這6個(gè)因素作為設(shè)計(jì)因素看待。設(shè)計(jì)因素水平如表5所示，這些設(shè)計(jì)因子被它們的上限值分別規(guī)格化了。這些因素水平被分別地分配到正交矩陣L18中。</p><p>　　圖10 解析模型與因素設(shè)計(jì)</p><p>　　選擇這11個(gè)加強(qiáng)型部件的重量（Yweight）作為一個(gè)目標(biāo)函數(shù)。選擇腳踏板侵入量(YToe-board=⊿lToe-board) 和A

33、柱與C柱空間之間的變形量（ YA-Cpillar=⊿lA-Cpillar）作為優(yōu)化研究的約束條件的特征值，如圖11所示。這3個(gè)值都時(shí)從偏置碰撞分析中獲得的。另外，減速度波形（從完全正面碰撞分析中座椅下方一點(diǎn)獲得的）的峰值(YPeak value)和其對(duì)應(yīng)的時(shí)間（YDelay time）也被選擇作為特征值。這兩個(gè)值時(shí)從圖12中的近似減速度波形曲線的峰值點(diǎn)獲得的。</p><p>　　在正交矩陣的基礎(chǔ)上，有限元分析

34、進(jìn)行了18次。從每次計(jì)算的后處理中獲得用作評(píng)價(jià)的特征值。既然這樣，完全正面碰撞和偏置碰撞的分析在相同的條件下進(jìn)行。因此，用作評(píng)價(jià)完全正面碰撞和偏置碰撞的特征值可以通過(guò)相同的計(jì)算處理獲得。</p><p>　　圖11偏置碰撞模型解析結(jié)果</p><p><b>　　圖12 減速度特性</b></p><p>　　有效性分析在變量分析的基礎(chǔ)上通過(guò)使

35、用解析模型的結(jié)果進(jìn)行的，根據(jù)變量分析得到Y(jié)weight，YToe-Board，YA-Cpillar,YPeak value 和YDelay time的估算表達(dá)式。估算表達(dá)式圖下所示：</p><p>　　Yweight =-0.186+16.346X1+4.137X2+8.895X3+2.512X4+5.775X5+8.609X6 [kg] (1)</p>&

36、lt;p>　　YToe-Board =-0.2209-0.0319X1-0.0197X2-0.0613X3-0.0283X4-0.0198X5 [m] (2)</p><p>　　YA-Cpillar =0.1710-0.0243X1-0.0199X2-0.0361X3 -0.0130X4-0.1621X5+0.0968 X52 [m]

37、 (3)</p><p>　　YPeak value =261.67-26.33X1+26.33X2+31.67X3+37.33X4+27.67X5 [m/s2] (4)</p><p>　　YDelay time =0.07439+0.00167X1-0.00233X2-0.0

38、0366X3-0.00233X4-0.01633X5</p><p>　　-0.00933 X52 -0.02433X6 +0.01467X62 [t] (5)</p><p><b>　　5.4 優(yōu)化 </b></p><p>　　為了使加強(qiáng)型部件的重量盡可能輕，優(yōu)化分析根據(jù)表達(dá)式進(jìn)行。另一方面，

39、從乘員艙的變形對(duì)乘員安全空間的保護(hù)和在減速過(guò)程中保持較低的乘員損傷對(duì)于優(yōu)化都是需要考慮的。當(dāng)結(jié)構(gòu)輕量化與乘員安全性達(dá)到平衡時(shí)，圖7和圖8的結(jié)果闡明了減速度的限制。優(yōu)化問(wèn)題如下所示，同時(shí)設(shè)計(jì)因素的初始值和優(yōu)化值如表6所示。</p><p><b>　　目標(biāo)函數(shù)：</b></p><p>　　目標(biāo)函數(shù)： YPtotal→minimum</p><p&g

40、t;　　約束條件: YToe-Board ≤0.10[m]</p><p>　　YA-Cpillar ≤0.0350[m]</p><p>　　YPeak value≤350[m/s2] </p><p>　　YDelay time≥0.0660[s]</p><p>　　為了驗(yàn)證求解方法，通過(guò)使用了完全正面碰撞和偏置碰撞的優(yōu)化設(shè)置的因素因

41、子進(jìn)行的有限元分析直接再次進(jìn)行計(jì)算。初始設(shè)計(jì)值，估算值和優(yōu)化設(shè)置的計(jì)算值3者的對(duì)比如表7所示。</p><p>　　如表7所示，在初始設(shè)計(jì)中，腳踏板的侵入量和A柱與C柱之間空間的變形量都非常小，由于加強(qiáng)型部件很厚，它們的重量很大，這就意味著它們的硬度大。對(duì)于優(yōu)化的結(jié)果，加強(qiáng)型部件的重量相對(duì)于初始設(shè)計(jì)減少了大約35%，同時(shí)在乘員艙中適當(dāng)?shù)某藛T生存空間得到保證。當(dāng)估算的重量和減速與計(jì)算的相比較時(shí)，優(yōu)化方法的估算誤差小

42、于1%。腳踏板的誤差在10%左右，但依然滿足限制要求。盡管A柱與C柱的誤差在16%左右，但對(duì)于計(jì)算得出的結(jié)果有點(diǎn)超出限制?？梢郧宄目闯?，在數(shù)量上對(duì)誤差的分析在今后的研究中是非常必要的，考慮這些誤差的優(yōu)化分析方法將會(huì)成為很重要的方法。</p><p>　　6.乘員約束系統(tǒng)的優(yōu)化</p><p>　　6.1 在分析中使用的減速度波形</p><p>　　完全正面碰撞的

43、減速度波形時(shí)從乘員座椅下方的一點(diǎn)獲得的。減速度波形和近似波形如圖13所示。在接下來(lái)的處理中，乘員約束系統(tǒng)的最終優(yōu)化是通過(guò)使用近似波形進(jìn)行的。接下來(lái)的分析是使用帶有這條波形的模型進(jìn)行的。</p><p><b>　　6.2 有效性分析</b></p><p>　　在這部分中，在模型中采用和前面相同的條件。在正交矩陣L18的基礎(chǔ)上，模型的分析使用近似減速度波形進(jìn)行18次計(jì)

44、算，如圖13所示。從每次計(jì)算的后處理中獲得乘員損傷值。</p><p>　　圖13 優(yōu)化后的加強(qiáng)型部件減速度</p><p>　　在變量分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，得到損傷概率的估算表達(dá)式Y(jié)Ptotal和頭部與方向盤(pán)之間的距離YL。估算表達(dá)式如下所示：</p><p>　　YPtotal=-0.18756+0.02933XB+0.05205XD+0.18322XE-0.044

45、83X2E+0.04110XF</p><p>　　-0.05820XG+0.15241XH+0.04113H2 (11)</p><p>　　YL=19.533-9.25XA+7.015XC+54.908XD-10.135X2D+34.129XF-52.604XG [mm] （12）</p><p><

46、;b>　　6.3 優(yōu)化</b></p><p>　　這部分，我們進(jìn)行了乘員約束系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化問(wèn)題表達(dá)如下所示，初始的與優(yōu)化后的設(shè)計(jì)因素水平如表8所示：</p><p>　　目標(biāo)函數(shù)：YPtotal→minimum</p><p>　　YL≥50 [mm]</p><p>　　初始設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)，估算值和優(yōu)化的計(jì)算值的

47、比較如圖表9所示。</p><p>　　如表9所示，作為優(yōu)化的結(jié)果，損傷概率從初始設(shè)計(jì)中降低了大概37%，同時(shí)滿足限制條件。估算的損傷概率的誤差大概為5.3%。盡管頭部與方向盤(pán)之間的距離L的誤差為31%，但是依然滿足限制條件。</p><p><b>　　7.結(jié)論</b></p><p>　　在本次研究中，針對(duì)統(tǒng)計(jì)設(shè)計(jì)支持系統(tǒng)提出了一種多級(jí)方法

48、。提出的方法應(yīng)用于汽車防撞性的多學(xué)科優(yōu)化，在這里，前部結(jié)構(gòu)與乘員艙作為一個(gè)單獨(dú)的子集，乘員約束系統(tǒng)作為另一個(gè)子集。乘員艙的減速度波形被用作為這兩個(gè)子集之間的接觸面函數(shù)。前部與乘員艙結(jié)構(gòu)的11個(gè)設(shè)計(jì)因素和乘員約束系統(tǒng)的8個(gè)設(shè)計(jì)因素用于優(yōu)化。結(jié)果顯示，使用多級(jí)方法，每個(gè)子集（或設(shè)計(jì)區(qū)域）響應(yīng)曲面的產(chǎn)生和優(yōu)化設(shè)計(jì)能平行地進(jìn)行，兩個(gè)子集之間的相互作用可以通過(guò)接觸面函數(shù)來(lái)研究。最后結(jié)果顯示，汽車前部結(jié)構(gòu)和乘員約束系統(tǒng)的協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)能在結(jié)構(gòu)輕量化和

49、乘員安全性達(dá)到很好的平衡下成功地進(jìn)行。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　Kashiwamura,T.,Shiratori,M.and Yu,Q.,Statistical Optimization Method, Optimization of Nonlinear Problems with Design of Experiments

50、,(in Japanese), (7998), ISBN 4一254-71487-7. Asakura Shoten.</p><p>　　Taguchi, G., Design of Experiments (3rd Edition),(in Japanese), (1976), Maruzen.</p><p>　　Myers,R.H. and Montgomery, D.C;Res

51、ponse Surface Methodology, (1995), John Wiley and Sons,Inc</p><p>　　Yajima,H.,Yu, Q., Shiratori, M. and Motoyama,K., Application of the Statistical Design Support System toward Vehicle Safety Equipment,

52、computer Aided Optimum Design of Structures VI,(1999), pp. 129 137.</p><p>　　Yoshimoto, T., Yajima, H二Yu, Q，Shiratori, M. and Motoyama, K., Multi-Objective Optimization for Crash Safety Design of Vehicles, I

53、nternational Body Engineering Conference, SAE Paper 993210（1999）</p><p>　　Kroo, I.,Decomposition and Collaborative Optimization for Large-scale Aerospace Design,In Multidisciplinary Design Optimization:St

54、ate of the Art, (199:i), SIAM Publications.</p><p>　　Cramer, L;.,J., Dennis, Jr, J.E.,Frank, P.D., Lewis,R.M.and Shubin, G.R., Problem Formulation for Multidisciplinary Optimization, SIAM Journal of Optimiza

55、tion, Vo1.4, No.4 (1994):pp. 754一776.</p><p>　　Thareja,R. and Haftka,R.T., Numerical Difficulties Associated with Using Equality Constraints to Achive Multi-Level Decomposition in Structural Optimization,

56、 AIAA Paper No.86 0854CI', (1986).</p><p>　　Hackeny, J.R. and Kahane, C.J., The New Car Assessment program: Five Star Rating System and Vehicle Safety Performance Characteristics,SAE Int'1 Congress

57、 and Exposition, SAE Paper 950888(1995)</p><p>　　Society of Automotive Engineers of Japan (edited), Safety Technologies of Vehicles, (in Japanese)，(1996), Asakura Shoten.</p><p>　　譯文原文出處： Q

58、iang YU，Naoya KOIZUMI，Hideoki YAJIMA and Masaki SHiRATORI. Optimum Design of Vehicle Frontal Structure and Occupant Restraint system for Crashworthiness; JSME International Journal Series A,Vol.44,No.4,2001</p>