汽車前防撞梁輕量化分析

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1、汽車前防撞梁輕量化分析 汽車前防撞梁輕量化分析 2014/08/14 《計(jì)算機(jī)輔助工程雜志》2014年第三期 1前防撞梁有限元模型 研究某車前防撞梁低速碰撞，在前防撞梁部件后方加裝原車型空載最大質(zhì)量的質(zhì)量體，進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，縱梁后部均作剛體．在ＲCAＲ低速碰撞法規(guī)中，碰撞速度為15km/h．此處以相同速度撞擊直徑為175mm的柱狀剛性壁障．用HyperMesh建立有限元模型，見圖1．仿真時(shí)間為200ms，仿真步長(zhǎng)為2E－6．原始設(shè)計(jì)的前防撞橫梁內(nèi)板所用材料為DP780，

2、厚度為3．8mm．用熱沖壓硼鋼BTＲ165替換DP780，先假定輕量化50%的效果，厚度設(shè)定為1．8mm，考察其效果．其他比較重要的部件有防撞梁外板和吸能盒，其材料為DC01．這3種材料的曲線均由試驗(yàn)所得，考慮不同應(yīng)變率對(duì)材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響．前防撞梁所用材料參數(shù)見表1． 2超高強(qiáng)度鋼橫梁的仿真結(jié)果分析 應(yīng)用BTＲ165材料的防撞梁橫梁全局能量變化曲線見圖2，可知，沙漏能僅占總能量0．2%，整體內(nèi)能和動(dòng)能合理且對(duì)稱，符合基本理論，仿真結(jié)果可靠．兩種設(shè)計(jì)的仿真結(jié)果比較見表2，其中吸能比指吸能盒與橫梁吸能之比．由表2可知，BTＲ165防撞梁橫梁吸能減少，原因是橫梁厚度不合適，需要進(jìn)行優(yōu)化．

3、計(jì)算吸能盒的吸能，發(fā)現(xiàn)在替換材料之后，兩個(gè)吸能盒吸能3816J，比原材料時(shí)的2457J增多，吸能盒與橫梁吸能比增大．將兩種設(shè)計(jì)的防撞梁橫梁和吸能盒吸能求和，得到BTＲ165材料時(shí)為8342J，原DP780材料為9012J，即BTＲ165材料整體未達(dá)到原來(lái)的吸能性能．因厚度和材料的抗拉強(qiáng)度是吸能的主要影響因素，故考慮對(duì)橫梁和吸能盒的厚度進(jìn)行匹配，在材料替換后，吸能更加合理，總體吸能更多．同時(shí)，由表2可知，最大侵入量有大幅增加，未達(dá)到原來(lái)的性能，也說(shuō)明需要進(jìn)行厚度尺寸優(yōu)化．對(duì)兩種材料橫梁碰撞仿真下的防撞梁后部加速度進(jìn)行SAE濾波，結(jié)果見圖3，可知，在碰撞開始階段，替換成超高強(qiáng)度鋼之后，加速度小于原

4、設(shè)計(jì);但在碰撞后階段出現(xiàn)較大峰值．同時(shí)，由表2可知，最大加速度大于原設(shè)計(jì)，故也需進(jìn)一步優(yōu)化． 3防撞梁試驗(yàn)設(shè)計(jì)和響應(yīng)面模型 3．1試驗(yàn)設(shè)計(jì)和樣本仿真為減少試驗(yàn)次數(shù)，同時(shí)得到有效而均勻的試驗(yàn)樣本，采用優(yōu)化的拉丁方進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)．［5］t1為防撞橫梁的厚度，取值范圍為［1．6，2．5］;t2為吸能盒的厚度，取值范圍為［1．8，3．0］．在取值范圍內(nèi)進(jìn)行優(yōu)化的拉丁方試驗(yàn)設(shè)計(jì)，得到12個(gè)樣本點(diǎn)，分別進(jìn)行12組仿真．有限元仿真每次需要得到5個(gè)響應(yīng)，分別為:橫梁與吸能盒質(zhì)量之和m，單位kg;吸能之和E，單位J;碰撞中整車最大加速度a，單位mm/s2;橫梁最大侵入量D，單位mm;吸能盒與橫梁吸能比Ｒa．仿

5、真計(jì)算得到的樣本數(shù)據(jù)結(jié)果見表3． 3．2響應(yīng)面模型響應(yīng)表面法是一種將試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)理統(tǒng)計(jì)相結(jié)合建立經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膬?yōu)化方法．［6］采用響應(yīng)表面法構(gòu)造近似模型，首先需確定響應(yīng)面的形式，然后運(yùn)用試驗(yàn)設(shè)計(jì)和仿真采集足夠多的樣本性能參數(shù)，最后運(yùn)用最小二乘法建立各響應(yīng)量的近似模型．實(shí)際工程問題多用多項(xiàng)式響應(yīng)面模型，而且以2階多項(xiàng)式響應(yīng)面［7-9］應(yīng)用最廣泛，曲面模擬精確度比較高，對(duì)樣本點(diǎn)要求較少，適合變量少的問題．其具體函數(shù)表達(dá)式為面精度滿足要求．質(zhì)量對(duì)于厚度應(yīng)為線性關(guān)系，在本文得出的m響應(yīng)面模型中二次項(xiàng)、交叉項(xiàng)和常數(shù)項(xiàng)都非常小，即m與t1和t2為線性關(guān)系．吸能、最大加速度、最大侵入量和吸能比的可視化響應(yīng)面見

6、圖3～6． 4防撞梁的多目標(biāo)優(yōu)化 考慮到吸能是防撞梁的主要性能，因此需要將吸能和質(zhì)量作為優(yōu)化目標(biāo)，進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化．［10］在多目標(biāo)優(yōu)化中，對(duì)于吸能的對(duì)比目標(biāo)，仍然為原設(shè)計(jì)的吸能(9012J)，這里取9000J;對(duì)于質(zhì)量的對(duì)比目標(biāo)，取減重40%，即總質(zhì)量為5．0kg．這樣產(chǎn)生的目標(biāo)函數(shù)可以去單位化，兩種目標(biāo)的單位都為1，同時(shí)取權(quán)重相等且均為1;將最大加速度、最大侵入量和吸能比作為約束條件，考慮自變量的取值范圍;與原設(shè)計(jì)相比，這些約束均為性能不下降，得到優(yōu)化模型為。在Isight中建立與Approximation模塊連接的Optimization模塊設(shè)置好約束和目標(biāo)，利用得出的近似模型進(jìn)行優(yōu)化

7、，工作流圖見圖7．由于變量參數(shù)只有2個(gè)，而且各響應(yīng)面均為2階多項(xiàng)式，故應(yīng)用NLPQL進(jìn)行優(yōu)化，經(jīng)過(guò)22步迭代后收斂．優(yōu)化后t1的理論值為2．2968，t2的理論值為2．0496．經(jīng)圓整后，t1為2．3，t2為2．0．利用上述優(yōu)化模型得到的優(yōu)化方案數(shù)值，修改有限元模型進(jìn)行仿真，計(jì)算結(jié)果與響應(yīng)面結(jié)果對(duì)比見表4．由表4可以看出，除最大加速度外，其他各項(xiàng)性能指標(biāo)的響應(yīng)面值和有限元仿真值相差均在5%以內(nèi)［5-7］，說(shuō)明響應(yīng)面結(jié)果可靠．優(yōu)化后的前防撞梁系統(tǒng)的各項(xiàng)仿真結(jié)果和原設(shè)計(jì)對(duì)比見表5，可以看出各項(xiàng)性能接近于原設(shè)計(jì)，防撞梁系統(tǒng)整體減重36%．優(yōu)化設(shè)計(jì)與原設(shè)計(jì)的加速度對(duì)比見圖8，優(yōu)化前后的最大加速度幾乎相

8、同，而且優(yōu)化設(shè)計(jì)后大部分時(shí)間的整車加速度比原設(shè)計(jì)小． 5結(jié)論 (1)在低速前柱碰模型中，防撞梁應(yīng)用超高強(qiáng)度鋼，然后進(jìn)行厚度優(yōu)化，在保證低速碰撞性能下，減輕前防撞梁的質(zhì)量．在替換材料之后需要做進(jìn)一步的優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)輕量化的目標(biāo)．(2)利用優(yōu)化拉丁方取樣方法，從而有效減少碰撞仿真次數(shù)，得到有效而均勻的采樣點(diǎn)．運(yùn)用2階多項(xiàng)式響應(yīng)面構(gòu)建低速碰撞的響應(yīng)面模型，與仿真結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證有效性，可以用于優(yōu)化． 作者：陳則堯吳憲丁巨岳單位：同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院同濟(jì)汽車設(shè)計(jì)研究院 上一個(gè)文章： 探討高職計(jì)算機(jī)技能型人才培育革新下一個(gè)文章： 格子波爾茲曼方法的機(jī)艙散熱分析