万方数据
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第１０期李亦文等：车身低速碰撞吸能结构的优化设计
３碰撞盒结构抗撞性优化设计
３．１问题描述
在车辆发生低速前部碰撞时，吸能变形的部件主要是保险杠和碰撞盒．这些部件的整体尺寸受到车身设计的限制，但组成碰撞盒的薄壁结构的厚度是可以作为设计变量进行低速抗撞性能优化的．某轿车车身的保险杠及碰撞盒如图２所示．由于在发生碰撞过程中，保险杠横梁部分的变形量较少，因此仅将碰撞盒结构中的４个主要部件的板厚被定义为本次优化设计的４个设计变量，分布区域及初值如图３所示．
图２简化的保险杠及碰撞盒结构
Ｆｉｇ．２Ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄｂｕｍｐｅｒａｎｄｃｒａｓｈｂｏｘｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ
图３碰撞盒结构的４个设计变量分布
Ｆｉｇ．３Ｆｏｕｒｄｅｓｉｇｎｖａｒｉａｂｌｅｓｏｆｔｈｅｃｒａｓｈｂｏｘｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
考虑到实际车身部件的板厚范围以及轻量化要求，本文中的优化数学模型可简化为
ｍａｘＥｉｎ，
ｆｍ，≤３．０ｋｇ
ｓ．ｔ．＜Ｆ。。。≤８０ｋＮ．（６）
【ｔ，∈［￡？，￡ｙ］
式中：Ｅｉ。为碰撞盒结构的内能增量；ｍ。，Ｆ。。，分别为结构质量（包含保险杠）和最大碰撞力；选择碰撞盒结构的各个薄壁板厚ｔ为设计变量，变化范围为１～３ｍｍ．目标是内能最大化，约束为质量不大干３．０ｋｇ，同时最大碰撞力不大于８０ｋＮ，这样就保证了轻质量和结构可靠性的条件下，达到低速碰撞时碰撞盒结构的吸能最大化．
为了有效地模拟碰撞盒在汽车正碰过程中在轴向载荷作用下的变形吸能特性，在数值计算中，考虑到保险杠及碰撞盒整体结构的对称性，只选取左侧的碰撞盒及１／２保险杠结构作为研究对象．碰撞盒后端连接在车体的部分被固定，其前端用ｌｔ的刚性墙撞击，撞击速度为４ｍ／ｓ．在低速碰撞仿真时，材料模型可以选用不计应变率效应的弹塑性材料ｎ引．因此，整体结构的材料未考虑应变率效应，为理想弹塑性材料．
３．２多参数的响应面构造
通过二次回归正交组合设计方法，因素数ｚ一４，选择正交表Ｌ－。（２１５）进行变换，二水平试验次数ｔ。一２４—１６，星号试验次数为ｔ，一２×４—８，零水平试验ｔ。一１，因此总试验次数为２５次．计算结果如表１所示．
表１设计变量及响应值试验列表
Ｔａｂ．１Ｄａｔａｏｆｄｅｓｉｇｎｓａｍｐｌｅｓ
基于最小二乘法，构造出Ｅｉ。，Ｆ。。。的二次响应面近似函数及ｍ，的线性近似函数分别如式（７）～（９）所示．
Ｅｉ。＝一２１２７．７５１６＋３０９．９３６７ｔ１＋
２０７２．４７３３ｔ２＋１０１８．７７５２ｔ３＋１４３４．２７４
９ｔ４一万方数据
北京理工大学学报第３０卷
２５．６１４５ｔ｝一７１．５９３７ｔ；一１３．４３６７ｔ；＋
１９．０８３７ｔ：一１８．６７７４ｔｌｔ２＋６２．１４９７ｔｌｔ３—
１６．４７４７ｔｌｔ４—３９．９８８７ｔ２ｔ３—１６８．８７１９ｔ２ｔ４—
２０４．２６９３ｔ３ｔ４，（７）
Ｆ。。。＝４０．５９２７＋５．９９２０ｔ１—８．９２７９ｔ２—
６．８０７４ｔ３—９．８６５４ｔ４—１．８２１４ｔ｝＋４．３４８８ｔ；＋
４．２０４Ｉｔ；＋５．２１７ｎ：＋０．４９２６ｔｌｔ２＋
１．３０８７ｔｌｔ３—１．７１７８ｔｌｔ４＋２．４４７５ｔ２ｔ３＋
６．１３８５ｔ２ｔ４＋０．９０４６ｔ３ｔ４，（８）
ｍ。一１．１６３０＋０．ｉ００６ｔ１＋０．５８５８ｔ２＋
０．１８２３ｔ３＋０．１８５４ｔ４．（９）将响应面模型的响应值及有限元数值模拟的结果代入式（５），得到Ｅｉ。和Ｆ。；的决定系数Ｒ２为９９．６６％和９８．９４％，调整决定系数Ｒ：ｄｉ的值分别为９９．１９％和９７．４６％．可以看出，二者的响应面模型可以很好地拟合响应量，对该响应面进行优化是较为可行的．
３．３自适应响应面方法（ａｄａｐｔｉｖｅＲＳＭ）优化过程自适应响应面优化方法是把目标函数和约束都近似为设计变量ｔ的二次多项式：
ｙ。（￡）≈多ｉ（￡）＝ａｉ０＋∑ａ口ｔ，＋∑∑ａｉｊｋｔ九，
Ｊ＝１Ｊ＝１＾＝１
（ｉ＝１，２，…，ｍ＋１）．（１０）式中：ｍ为约束变量的个数；咒为设计变量的个数；蛳，口ｏ，口驰为多项式系数，它是通过与前一次设计点的最／ｂ－－乘拟合得到．‘
整个优化过程仅需１６次迭代就达到了收敛并获得了最优解．优化后设计变量的值及结构的碰撞变形图如表２及图４所示．
表２设计变量和响应的初始值及优化值Ｔａｂ．２Ｉｎｉｔｉａｌａｎｄｏｐｔｉｍａｌｖａｌｕｅｓｏｆｄｅｓｉｇｎｖａｒｉａｂｌｅｓ
ａｎｄｒｅｓｐｏｎｓｅｓ
由表２可知，利用自适应响应面法对得到的响应面近似模型进行优化，在整体质量及最大碰撞力都略有降低的情况下，使整体可吸收能量的数值提高了近５％，较好地提升了结构抗撞性能，达到了碰撞盒结构性能的优化目标，优化效果明显．由图４可以看出，优化后碰撞盒结构的变形吸能模式较为规整，基本为逐层压溃，符合褶皱压缩的理想碰撞变形模式．通过表１与表２可以看出，薄壁结构的厚度及布置区域对碰撞盒结构的吸能特性影响很大，单
图４碰撞盒结构的变形图
Ｆｉｇ．４Ｃｏｌｌｉｓｉｏｎａｌｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｃｒａｓｈｂｏｘ
纯增加板厚并不意味着结构抗撞性能的提升．虽然无法求出部件厚度变化关于整体吸能特性的灵敏度具体数值，但优化结果证明了不同位置的板厚对目标函数的影响差距明显．
４结论
从提高车身低速碰撞吸能结构——碰撞盒的抗撞特性角度出发，采用二次回归正交组合试验设计方法，在较好地满足精度要求的情况下构造出了吸能值和最大碰撞力的响应面模型，、以此掌握了不同部件板厚对目标函数的敏感程度，为后续优化设计做了铺垫。结合自适应响应面优化方法（ａｄａｐｔｉｖｅＲＳＭ）对响应面模型进行了优化分析，在原质量及最大碰撞力略有降低条件下，显著地提升了碰撞盒结构的吸能能力，达到了吸能最大化的优化目标．因此，通过对车身碰撞盒结构抗撞特性的ＤＯＥ及优化分析，能够极好地达到车身吸能结构的设计要求，同时验证了文中方法的正确性及有效性，在实际的车身产品设计过程中是值得借鉴和推广的．
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Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００６，
万方数据
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车身低速碰撞吸能结构的优化设计
作者：李亦文， 徐涛， 徐天爽， 李强， 郝亮， LI Yi-wen， XU Tao， XU Tian-shuang， LI Qiang， HAO Liang
作者单位：李亦文,徐天爽,李强,郝亮,LI Yi-wen,XU Tian-shuang,LI Qiang,HAO Liang(吉林大学,机械科学与工程学院,吉林,长春,130022)， 徐涛,XU Tao(吉林大学,机械科学与工程学院,吉
林,长春,130022;吉林大学,汽车动态模拟国家重点实验室,吉林,长春,130022)
刊名：
北京理工大学学报
英文刊名：TRANSACTIONS OF BEIJING INSTITUTE OF TECHNOLOGY
年，卷(期)：2010,30(10)
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本文链接：https://www.doczj.com/doc/af10835750.html,/Periodical_bjlgdxxb201010010.aspx