淺析汽車保險(xiǎn)杠的優(yōu)化設(shè)計(jì)

朱曉華

摘 要：汽車的前保險(xiǎn)杠在 RCAR的正面 40%低速碰撞和行人雙腿的碰撞中會發(fā)揮緩沖以及吸能的作用，汽車保險(xiǎn)扛的剛度可以充分滿足 RCAR等級評價(jià)以及行人雙腿的保護(hù)性能中的較大要求。 [1]綜合性考慮行人的雙腿保護(hù)法規(guī)以及 RCAR中的具體要求，將材料變量當(dāng)做是正交試驗(yàn)的設(shè)計(jì)，對響應(yīng)面方法以及綜合平衡法進(jìn)行分別使用可以優(yōu)化汽車保險(xiǎn)杠。最終的研究結(jié)果顯示，響應(yīng)面方法可以有效的對材料屈服的強(qiáng)度進(jìn)行表征同時(shí)反應(yīng)個(gè)目標(biāo)值之間的關(guān)系，而使用綜合平衡法可以很好的對離散、變量少以及水平數(shù)量少的多目標(biāo)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化。在實(shí)施了相應(yīng)的優(yōu)化策略后可以有效的提高汽車保險(xiǎn)扛的整體性能。

關(guān)鍵詞：行人保護(hù)；響應(yīng)面法；綜合平衡法；多目標(biāo)優(yōu)化；RCAR

陳現(xiàn)領(lǐng)等在正面 RCAR試驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了汽車前端吸能盒的優(yōu)化，這一方法雖然對 RCAR等級評價(jià)實(shí)現(xiàn)了提升，但未充分考慮吸能盒強(qiáng)度在增強(qiáng)中對行人雙腿保護(hù)性能產(chǎn)生的影響。張濤等人借助靈敏分析法和序列二次規(guī)劃方法對某款 SUV車型前保險(xiǎn)杠進(jìn)行了行多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)，但是其只針對信任保護(hù)性能實(shí)行了優(yōu)化，并沒有考慮到 RCAR等級評價(jià)的相關(guān)要求，國外在汽車保險(xiǎn)杠性能設(shè)計(jì)中制定了法規(guī)，這對我國的汽車安全性的提高的產(chǎn)生了促進(jìn)作用。文章以汽車保險(xiǎn)杠滿足 RCAR等級評價(jià)并且保護(hù)行人的雙腿作為研究目的，通過實(shí)用性響應(yīng)面和綜合平衡兩個(gè)方法，對汽車保險(xiǎn)杠材料屈服強(qiáng)度實(shí)行了優(yōu)化。

1 測試汽車保險(xiǎn)杠性能

1.1 雙腿保護(hù)仿真

E-NCAP法規(guī)內(nèi)有一項(xiàng)主要指針對行人的保護(hù)測試，其中有十分具體的車輛測試前的準(zhǔn)備、測試動態(tài)發(fā)動機(jī)罩、大腿測試以及頭部測試等多個(gè)方法的評價(jià)。針對行人下肢的保護(hù)主要是通過小腿模型撞擊汽車保險(xiǎn)杠仿真開展的。[2]

參照相關(guān)法規(guī)定義，對汽車前端進(jìn)行畫線，主要是保險(xiǎn)杠的上部參考線，下部參考線和杠角線。在對測試區(qū)域進(jìn)行劃分后最終得出小腿撞擊區(qū)域，具體區(qū)域劃分如下圖 1中所示：

就正常的整備質(zhì)量車而言，車身在自身重量的承受以及乘員質(zhì)量的出現(xiàn)情況下會存在較小幅度的下沉，為實(shí)現(xiàn)對工況的進(jìn)一步精確化模擬，需要將小腿上升 25mm的高度。具體情況如下圖 2：

在實(shí)行建模中，要采取多中定義焊點(diǎn)處理方式，對車身相關(guān)部件實(shí)現(xiàn)連接。 [3]定義中的各種類型的接觸問題利用的是 AUTOMATIC，來處理各個(gè)部件的接觸問題。

按照相關(guān)規(guī)定，利用 initialVel卡片對行人保護(hù)碰撞中，利用有限元仿真模型初始速度，速度值為 11.1m/s，方向?yàn)?x軸正向。在 Hypermesh中實(shí)現(xiàn)對物體與節(jié)點(diǎn)進(jìn)行邊界的約束。除了要利用創(chuàng)建 Loadcols設(shè)置為 BoundSpcSe，還要借助 Analysis_Constraint實(shí)行各種自由度約束。[4]

通過以上步驟中，對行人下肢和汽車保險(xiǎn)杠碰撞有限元進(jìn)行仿真試驗(yàn)，網(wǎng)格尺寸是 6～8mm，仿真結(jié)果可以表現(xiàn)沙漏和質(zhì)量增大的范圍是在允許范圍內(nèi)的。

對仿真結(jié)果進(jìn)行分析后，在 E-NCAP規(guī)定中，小腿脛骨急速峰值< 150g，膝關(guān)節(jié)的剪切位移< 6mm，膝關(guān)節(jié)彎曲角度< 15°。

[5]提交有限模型 K文件要通過 LS-DYNA來計(jì)算，借助 HyperGraph讀取脛骨的加速度，計(jì)算膝關(guān)節(jié)剪切位移以及彎曲角度歷程曲線，得出最大值，同時(shí)要得出最終各個(gè)性能的值。

1.2 RCAR正面低速碰撞性能仿真

RCAR是歐洲保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)測試車輛保險(xiǎn)評價(jià)

而制定的，目的是要考察對車輛低速碰撞事故維修時(shí)間和成本，保險(xiǎn)公司要參考最終的試驗(yàn)結(jié)果，同時(shí)結(jié)合發(fā)動機(jī)性能、價(jià)格、整車質(zhì)量參數(shù)等確定車輛保險(xiǎn)登記。

依據(jù) RCAR相關(guān)法規(guī)，實(shí)現(xiàn)材料的分別賦予、接觸設(shè)置和初試速度設(shè)置，對 RCAR壁障和汽車前端位置正面 40%低速碰撞模型，

14 AUTO TIME

網(wǎng)格尺寸是 6～8mm的情況為自然接觸，提交計(jì)算后將會得出沙漏能和質(zhì)量之間是在增加允許范圍內(nèi)的。

汽車前端第一個(gè)以及 RCAR的壁障接觸點(diǎn)侵入量是可以很好的展現(xiàn)汽車前端吸收能力的，壁障與汽車縱向存在一定的角度，并且可找到壁障與汽車前端切點(diǎn)，對第一個(gè)接觸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)確定，該點(diǎn)與后面方向汽車座椅內(nèi)某點(diǎn)彈簧測量第一接觸侵入量實(shí)現(xiàn)確定。

有限元最終仿真結(jié)果是：脛骨加速度、膝關(guān)節(jié)剪切位移、膝關(guān)節(jié)彎曲角度可以分別在最小值中實(shí)現(xiàn)利用，知道了汽車前端可以滿足對行人下肢的保護(hù)，但前端結(jié)構(gòu)不能再低速碰撞中被充分吸能， RCAR測試首個(gè)接觸點(diǎn)侵入量較大，會造成后面汽車散熱片出現(xiàn)擠壓和變形，進(jìn)而要對汽車前端總體剛度實(shí)行提升，還要降低首個(gè)接觸點(diǎn)的侵入量，滿足行人下肢保護(hù)法規(guī)要求。[6]

2 響應(yīng)面的構(gòu)建和優(yōu)化

2.1 響應(yīng)面介紹

響應(yīng)面模型是應(yīng)用范圍十分廣泛的近似模型，它是回歸模型中的一種，在不同多項(xiàng)式的應(yīng)用中對功能表征問題可以通過計(jì)算機(jī)仿真模型來計(jì)算，主要優(yōu)勢為：可在少數(shù)的試驗(yàn)次數(shù)局部范圍內(nèi)總結(jié)出十分精確的逼近函數(shù)關(guān)系，同時(shí)可以使用簡單代數(shù)表達(dá)式進(jìn)行展現(xiàn)；計(jì)算方法較為簡便，在優(yōu)化過程中存在較大的便利性，在對合適的回歸模型進(jìn)行選擇的過程中，可以對存在復(fù)雜響應(yīng)面關(guān)系下進(jìn)行擬合，同時(shí)存在優(yōu)良魯棒性，具有扎實(shí)的數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)，存在十分強(qiáng)大的實(shí)用性與系統(tǒng)性，適用范圍廣，屬于比較復(fù)雜的工程設(shè)計(jì)系統(tǒng)工具，一般情況下會對二階響應(yīng)模型公式進(jìn)行使用：

2.2 響應(yīng)面的構(gòu)造

借助對關(guān)鍵項(xiàng)的選擇對一些作用很小的多項(xiàng)式進(jìn)行去除后，在這種多項(xiàng)式去除方式的基礎(chǔ)上，提升近似模型的可靠性，同時(shí)要對設(shè)計(jì)樣本的點(diǎn)數(shù)進(jìn)行減少。

在膝關(guān)節(jié)剪切代表縱坐標(biāo)時(shí)，最終擬合膝關(guān)節(jié)剪切位移與四個(gè)變量相應(yīng)型可表示成下圖情況：

通過以上相應(yīng)模型圖可以對試驗(yàn)變量進(jìn)行直接性得出與響應(yīng)值之間的關(guān)系，同時(shí)能夠得出其他響應(yīng)值和試驗(yàn)變量之間的對應(yīng)面模型圖。

2.3 以NSGAII為基礎(chǔ)的算法優(yōu)化

在以上研究內(nèi)容的基礎(chǔ)上，通過數(shù)學(xué)公式對汽車的前端目標(biāo)優(yōu)化實(shí)行相應(yīng)的描述，并且開展汽車前方多目標(biāo)優(yōu)化問題研究。

優(yōu)化計(jì)算方法，對構(gòu)造出的相應(yīng)模型進(jìn)行利用，依據(jù)優(yōu)化的目標(biāo)以及約束的條件實(shí)行迭代求解，在 65次迭代后得到最終的可行解，迭代次數(shù)一共為 241次，最后得出了 33個(gè) Pareto前沿解。使用 Pareto得到最優(yōu)解集，對設(shè)計(jì)人員提供幫助，為其提出多個(gè)可能性選擇方案，設(shè)計(jì)人員能夠?qū)⒃敿?xì)的工程情況作為實(shí)行的方案來進(jìn)行相應(yīng)的選擇，如果想要第一時(shí)間接觸侵入量，最終可以將迭代的次數(shù)設(shè)置為

171次，最終得出了 x1、x2、x3、x4的值分別是 209.64/585.47/175.26/395.90.每一種材料的屈服度是存在一定的差異的，正是因?yàn)檫@一原因，最終得到的優(yōu)化解的屈服強(qiáng)度和相應(yīng)的材料之間并不會出現(xiàn)對應(yīng)的關(guān)系，因而這一方法只可以提出一種可供選擇的材料參考方法。

3 利用汽車綜合平衡法優(yōu)化汽車前端目標(biāo)

關(guān)于優(yōu)化四變量和三水平，如汽車前端行人下肢保護(hù)性能與 RCAR正面 40%低速碰撞等情況，通過多目標(biāo)優(yōu)化可以對綜合平衡法實(shí)現(xiàn)綜合利用。

3.1 利用平均效應(yīng)選擇優(yōu)化方案

A代表了小腿支撐件材料的屈服強(qiáng)度，其中 A1、A2和 A3分別表示者不同水平，并且保險(xiǎn)杠衡量材料屈服強(qiáng)度的關(guān)鍵，三個(gè)水平分表示方式為： B1、B2、B3；泡沫吸能盒的材料屈服強(qiáng)度水平代表數(shù)字分別是 C1、C2、 C3，D1、D2、D3分別代表了縱梁前端吸能盒材料的屈服強(qiáng)度水平，通過正交試驗(yàn)結(jié)果最終可以通過下表 1實(shí)行相應(yīng)的表示。

將 k1、k2、k3分別代表各個(gè)水平某目標(biāo)值的平均效應(yīng)，均效應(yīng)最大值和最小值的差以及變量同某目標(biāo)值的極差，將極差值當(dāng)做具體的依據(jù)，確定試驗(yàn)變量影響目標(biāo)值程度，各個(gè)變量對應(yīng)目標(biāo)值的平均效應(yīng)是有著一定的對應(yīng)關(guān)系的。

求解各個(gè)試驗(yàn)變量目標(biāo)值的平均響應(yīng)值后，將平均響應(yīng)值的每個(gè)目標(biāo)值對應(yīng)變量為依據(jù)得出最優(yōu)方案，優(yōu)化后得出的方案一共有四種，且各個(gè)方案之間是完全不同的。

3.2 綜合平衡法前提下的汽車前端目標(biāo)表2 綜合平衡的最終優(yōu)化結(jié)果優(yōu)化

依據(jù)極差值的差異，確定試驗(yàn)變量，依據(jù)目標(biāo)值的重要陳低估，在具體優(yōu)化過程中首先

小腿支撐件材料屈服強(qiáng) 保險(xiǎn)杠橫梁材料屈服強(qiáng) 泡沫吸能盒的材料屈服 縱梁前端吸能盒的材料

考慮極差較大的因素。綜合平衡法要對每一個(gè)試驗(yàn)變量指標(biāo)影響實(shí)行綜合考慮，在極差分析和實(shí)際情況中得到最為合適的優(yōu)化方案。小腿支撐件材料屈服強(qiáng)度對各個(gè)不同指標(biāo)產(chǎn)生的影響，對脛骨加速度、膝關(guān)節(jié)彎曲度、

首個(gè)觸侵入量實(shí)行相應(yīng)的優(yōu)化方案 A3實(shí)現(xiàn)結(jié)合，此外膝關(guān)節(jié)剪切位移的平均效應(yīng)為 3.63，該值顯著低于 6，滿足了指標(biāo)值。因此，綜合考慮并選取小腿支撐件材料的屈服度強(qiáng)度為 A3。

關(guān)于保險(xiǎn)杠橫梁材料屈服強(qiáng)度影響指標(biāo)的性能關(guān)系，考慮脛骨加速度、膝關(guān)節(jié)彎曲角度等相關(guān)內(nèi)容，其中的 B2方案是最合適的，針對膝關(guān)節(jié)剪切位移和第一接觸點(diǎn)侵入量實(shí)施相應(yīng)的觀察可以得出方案 B1的優(yōu)化是最為合適的。且可以得知膝關(guān)節(jié)剪切位移水平居于第二的位置，在各種影響因素是非常重要的，相比較脛骨加速度、膝關(guān)節(jié)彎曲角度等方面的極差水平來看分別居于第二和第三的位置，就膝關(guān)節(jié)剪切位移的強(qiáng)大性能來看，各個(gè)極差值存之間的差別并不是特別大，每個(gè)因素出現(xiàn)的變化都會嚴(yán)重影響目標(biāo)值，對此，實(shí)施綜合考慮后選取 B1作為保險(xiǎn)杠材料是最優(yōu)方案。

泡沫吸能盒材料屈服強(qiáng)度影響各個(gè)指標(biāo)的性能，針對脛骨加速度、膝關(guān)節(jié)彎曲角度和膝關(guān)節(jié)剪切位移的優(yōu)化方案可以選擇 C2，對于首個(gè)接觸點(diǎn)的侵入量優(yōu)化方案可以選擇 C1，泡沫吸能盒材料屈服強(qiáng)度在首次接觸點(diǎn)侵入量極差處于最后的影響度，這一情況導(dǎo)致的影響是比較小的，實(shí)行綜合考慮后選擇 C2作為泡沫吸能盒是最優(yōu)方案。[7]

縱梁前端的吸能盒材料屈服強(qiáng)度影響指標(biāo)產(chǎn)生的情況，縱梁前端吸能盒材料強(qiáng)度出現(xiàn)首個(gè)接觸侵入量極差存在第一的情況，它是重要的影響因素，并且對脛骨的加速度極差水平排在第三，造成膝關(guān)節(jié)的彎曲角度極差是第四位，對于膝關(guān)節(jié)的剪切位移極差水平是第三，這些都是不太重要的影響因素，綜合考慮選取 D3是最優(yōu)方案。在各種因素對各種指標(biāo)的影響綜合分析，最終得出了整體優(yōu)化參數(shù)。

3.3 最終的仿真優(yōu)化結(jié)果

目標(biāo)值，優(yōu)化結(jié)果可以通過下表 3顯示。

從上表得知，綜合平衡法實(shí)行優(yōu)化后最后的結(jié)果需要排除脛骨加速度峰值性能可能會出現(xiàn)的下降情況，其他性能都有可能會出現(xiàn)提升現(xiàn)象，在第一接觸點(diǎn)侵入量降低到 210mm的情況下，提升了 RCAR正面 40%低速碰撞的維修性能。

4 基于綜合平衡法的汽車前端優(yōu)化

依據(jù)極差大小對試驗(yàn)變量的目標(biāo)值重要性來實(shí)現(xiàn)確定，在具體的優(yōu)化過程中，首先對極差比較大的因素實(shí)現(xiàn)考慮，并且綜合平衡閥對需要每個(gè)試驗(yàn)變量針對每一個(gè)指標(biāo)的影響來實(shí)現(xiàn)綜合性的考慮，同時(shí)還要依據(jù)極差分析和實(shí)際情況對綜合選擇優(yōu)化方案。

小腿支撐件材料屈服的輕度對各個(gè)指標(biāo)造成的影響，針對脛骨加速度和膝關(guān)節(jié)的彎曲角度以及首次接觸點(diǎn)來優(yōu)化需要選擇的方案是 A3，同時(shí)對膝關(guān)節(jié)剪切位移而言，需要選擇 A3。膝關(guān)節(jié)的剪切唯一平均效應(yīng)是 3.63，該值小于 6，并且對指標(biāo)值實(shí)現(xiàn)了滿足，因此需要考慮選擇小腿支撐件材料屈服強(qiáng)度水平是 A3。

對于脛骨加速度和膝關(guān)節(jié)的彎曲角度來看，最優(yōu)方案要選擇 B2，膝關(guān)節(jié)的剪切位移以及第一接觸點(diǎn)的侵入量來看，優(yōu)化方案是 B1.對于膝關(guān)節(jié)的剪切位移極差水平來看是第二，是比較重要的影響因素，對于脛骨的加速度和膝關(guān)節(jié)的彎曲極差水平分別排在第二和第三，并且針對膝關(guān)節(jié)的剪切位移性能而言，各個(gè)極差值并不會相差太大，每一個(gè)因素的變化針對目標(biāo)值的影響都比較大，在綜合考慮的基礎(chǔ)上需要選擇 B1作為保險(xiǎn)扛衡量的最優(yōu)方案。

5 小結(jié)

文章對行人雙腿保護(hù)性能和 RCAR正面 40%低速碰撞性能中的汽車保險(xiǎn)杠實(shí)施了多個(gè)目標(biāo)優(yōu)化分析，在保險(xiǎn)杠的優(yōu)化過程中使用了響應(yīng)面法和綜合平衡法。希望可以提升保險(xiǎn)杠的安全性能。

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