為提高低速碰撞性能的轎車保險(xiǎn)杠吸能盒結(jié)構(gòu)優(yōu)化_孫成智

1、2010年(第32卷)第12期汽車工程AutomotiveEngineering2010(Vol.32)No.122010225為提高低速碰撞性能的轎車保險(xiǎn)杠吸能盒結(jié)構(gòu)優(yōu)化原稿收到日期為2009年11月3日修改稿收到日期為2010年3月3日。孫成智曹廣軍王光耀(上海汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心上海201804)[摘要]建立了吸能盒低速碰撞性能的評(píng)價(jià)模型提出了一種集成有限元模擬和序列響應(yīng)面法的優(yōu)化方法。為保證優(yōu)化過(guò)程的收斂采用信賴域模型管

2、理策略來(lái)調(diào)整設(shè)計(jì)空間。與傳統(tǒng)的基于梯度的優(yōu)化方法相比該方法計(jì)算量小結(jié)果準(zhǔn)確。最后給出了某轎車后保險(xiǎn)杠吸能盒結(jié)構(gòu)優(yōu)化實(shí)例驗(yàn)證了該方法的可靠性。關(guān)鍵詞:低速碰撞吸能盒結(jié)構(gòu)優(yōu)化序列響應(yīng)面法StructuralOptimizationofCarBumperCrashBoxforImprovingLowspeedCrashPerformanceSunChengzhiCaoGuangjun＆WangGuangyaoSAICMotorTechnica

3、lCenterShanghai201804[Abstract]Amodelforevaluatingthelowspeedcrashperformanceofcrashboxissetupandanoptimizationtechniqueintegratingfiniteelementsimulationandsequentialresponsesurfacemethodisproposed.Toassureconvergencein

4、simulationthetrustregionmodelmanagementstrategyisadoptedtoadjustdesignspaces.Comparedwithtraditionalgradientbasedoptimizationmethodtheproposedtechniquecangetaccurateresultswithmuchlesscomputationaleffort.Finallyarealcase

5、ofoptimizationoncrashboxstructurefortherearbumperofacarisgivenverifyingthereliabilityofthetechniqueproposed.Keywords:lowspeedcrashcrashboxstructuraloptimizationsequentialresponsesurfacemethod前言吸能盒安裝在轎車前縱梁(或后縱梁)與保險(xiǎn)杠橫梁之間在發(fā)

6、生碰撞時(shí)通過(guò)吸能盒的塑性變形來(lái)吸收低速碰撞所產(chǎn)生的能量盡可能保護(hù)車身的主要框梁結(jié)構(gòu)不受損壞以降低車輛修復(fù)成本。如何設(shè)計(jì)合理的吸能盒結(jié)構(gòu)使之在低速碰撞時(shí)能發(fā)生合理的軸向潰縮而吸收較多的碰撞能量同時(shí)要具有質(zhì)量輕、軸向壓潰力小的優(yōu)點(diǎn)一直是汽車防撞橫梁的設(shè)計(jì)熱點(diǎn)[13]。但是由于吸能盒的軸向潰縮是一個(gè)復(fù)雜的非線性過(guò)程潰縮過(guò)程吸收的變形能量和最大軸向力與吸能盒的結(jié)構(gòu)、材料之間的關(guān)系難以用一個(gè)確定的數(shù)學(xué)公式來(lái)表達(dá)往往須要通過(guò)非線性有限元分析來(lái)獲得且

7、有限元計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)使傳統(tǒng)的優(yōu)化方法無(wú)法應(yīng)用[4]。隨著CAE技術(shù)的發(fā)展碰撞過(guò)程的計(jì)算機(jī)模擬被廣泛應(yīng)用于各類轎車的開(kāi)發(fā)。但分析時(shí)間仍然較長(zhǎng)因?yàn)榕鲎策^(guò)程的優(yōu)化須要經(jīng)多次迭代計(jì)算才能獲得最優(yōu)結(jié)果每次迭代須要調(diào)用多次計(jì)算機(jī)模擬。為了解決這一問(wèn)題采用近似模型來(lái)替代耗時(shí)的計(jì)算機(jī)模擬已被工程界廣泛應(yīng)用[5]。產(chǎn)生近似模型有許多方法其中響應(yīng)面法(RSM)一直受研究人員的關(guān)注。響應(yīng)面法是采用實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)指定的設(shè)計(jì)點(diǎn)集合進(jìn)行實(shí)驗(yàn)得到目標(biāo)函數(shù)和約束函數(shù)的響應(yīng)面

8、模型來(lái)預(yù)測(cè)非實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的響應(yīng)值。在計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)非常耗時(shí)的情況下既要減少優(yōu)化設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)次數(shù)以保證總體優(yōu)化時(shí)間的要求又要確保近似模型的精度。但采用二次多項(xiàng)式回歸模型來(lái)近似高次的目標(biāo)函數(shù)往往會(huì)帶來(lái)較大的誤差[6]。因此本文中提出了一種基于計(jì)算機(jī)模擬的優(yōu)化方法它集成了轎車碰撞計(jì)算機(jī)模擬和序列響應(yīng)面法為保證優(yōu)化過(guò)程的收斂應(yīng)用信2010(Vol.32)No.12孫成智等:為提高低速碰撞性能的轎車保險(xiǎn)杠吸能盒結(jié)構(gòu)優(yōu)化1095ρk=[f(xk)f(xk1)]

9、[f(xk)f(xk1)](5)每一步優(yōu)化迭代之后信賴域半徑按如下規(guī)則改變。(1)ρk≤0近似模型不精確廢除k次迭代最優(yōu)點(diǎn)xk＊使xk1c=xkc(xkc為k次迭代信賴域中心點(diǎn))信賴域半徑收縮至原來(lái)的14以進(jìn)一步提高近似模型的精度。(2)00.75且‖xk1＊xkc‖0.75且‖xk1＊xkc‖=Δk近似模型精確且xk＊位于信賴域以內(nèi)xk1c=xk＊將信賴域半徑擴(kuò)大1倍。2.4終止準(zhǔn)則在基于模擬的優(yōu)化過(guò)程中如果某次目標(biāo)函數(shù)的相對(duì)變化小于

10、ε1或所有設(shè)計(jì)變量的上、下邊界之差小于ε2則優(yōu)化搜索過(guò)程結(jié)束。優(yōu)化終止準(zhǔn)則為(f(k)f(k1))f(k)ε1(k=1…n)或xiLxiU≤ε2(i=1…n)其中ε1、ε2為一較小值由設(shè)計(jì)者給定?；谛蛄许憫?yīng)面的有限元優(yōu)化流程框圖見(jiàn)圖2。3算法驗(yàn)證為了驗(yàn)證算法的可靠性選擇高階多項(xiàng)式函數(shù)[10]對(duì)提出的算法進(jìn)行檢驗(yàn)高階多項(xiàng)式函數(shù)見(jiàn)式(6)表1為優(yōu)化結(jié)果和理論最優(yōu)值的比較。結(jié)果表明本文中提出的序列響應(yīng)面算法比普通響應(yīng)面法具有更高精度。f(x

11、1x2)=[1(x1x21)2(1914x13x2114x26x1x23x22)][30(2x13x2)2(1832x112x2148x236x1x227x22)]x2x2∈[22](6)表1高階多項(xiàng)式函數(shù)優(yōu)化結(jié)果比較優(yōu)化方法最優(yōu)設(shè)計(jì)最優(yōu)函數(shù)值理論解(01)3.0序列響應(yīng)面法(0.010.99)3.11普通響應(yīng)面法(1.80.67)412.8圖2基于序列響應(yīng)面法優(yōu)化框圖4工程應(yīng)用采用上述優(yōu)化方法確定某轎車后保險(xiǎn)杠吸能盒的最佳結(jié)構(gòu)以提高后

12、保險(xiǎn)杠低速碰撞性能。按照RCAR(researchcouncilforautomobilerepairs)的規(guī)定低速碰撞實(shí)驗(yàn)時(shí)剛性碰撞小車質(zhì)量為1400kg碰撞速度為16.0kmh。車輛與剛性小車重疊40%并成10夾角車輛配重后的質(zhì)量為1240kg再加上75kg的假人吸能盒材料為B340LA防撞橫梁材料為B340590DP?？紤]在低速碰撞時(shí)除后保險(xiǎn)杠系統(tǒng)外車身前部其它零部件基本不發(fā)生變形同時(shí)為了縮短計(jì)算時(shí)間將整車有限元模型進(jìn)行簡(jiǎn)化保留車