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價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)化過程的收斂采用信賴域模型管

2、理策略來調(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、生碰撞時通過吸能盒的塑性變形來吸收低速碰撞所產(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)使之在低速碰撞時能發(fā)生合理的軸向潰縮而吸收較多的碰撞能量同時要具有質(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復(fù)雜的非線性過程潰縮過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)系難以用一個確定的數(shù)學(xué)公式來表達(dá)往往須要通過非線性有限元分析來獲得且

7、有限元計(jì)算時間較長使傳統(tǒng)的優(yōu)化方法無法應(yīng)用[4]。隨著CAE技術(shù)的發(fā)展碰撞過程的計(jì)算機(jī)模擬被廣泛應(yīng)用于各類轎車的開發(fā)。但分析時間仍然較長因?yàn)榕鲎策^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。為了解決這一問題采用近似模型來替代耗時的計(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、模型來預(yù)測非實(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)式回歸模型來近似高次的目標(biāo)函數(shù)往往會帶來較大的誤差[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)化過程中如果某次目標(biāo)函數(shù)的相對變化小于

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]對提出的算法進(jìn)行檢驗(yàn)高階多項(xiàng)式函數(shù)見式(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)生變形同時為了縮短計(jì)算時間將整車有限元模型進(jìn)行簡化保留車