某車型后端低速碰撞的安全性能分析及優(yōu)化

崔淑娟+陳可明+史愛民+符志+李氣輝

摘 要：根據(jù)GB 17354—1998法規(guī)要求對某車型進行了低速后碰撞的仿真分析，結(jié)果不滿足法規(guī)要求。針對分析結(jié)果提出了一種改進方案，經(jīng)過分析，采用新方案的車型滿足法規(guī)性能要求。但基于經(jīng)驗的設(shè)計方案并不能代表最優(yōu)解，以影響后端碰撞性能的關(guān)鍵組件材料厚度為設(shè)計變量，質(zhì)量為目標函數(shù)，建立了二階響應(yīng)面近似模型，并選用自適應(yīng)響應(yīng)面法（Adaptive Response Surface Method，ARSM）進行優(yōu)化，優(yōu)化后質(zhì)量減輕了22.7%，并且滿足法規(guī)要求。

關(guān)鍵詞：低速碰撞；防撞橫梁；自適應(yīng)響應(yīng)面法；輕量化

中圖分類號：U461.91 文獻標文獻標識碼：A文獻標DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2016.06.09

Abstract：A FE model of a car under low-speed rear end impacts was established according to the regulation of GB17354—1998， and it was found that the protective performance of the rear bumper did not meet the requirements. An improved rear bumper design based on experience was proposed which satisfies the requirements of the regulation； however， it may not be the best solution. To further optimize the improved structure， an adaptive response surface method was adopted in which the material thicknesses of key components were designated as design variables， the weight of the components as an objective function and the second order response surface approximation model was established. The result indicates that the optimized solution meets the requirements of the regulation and the weight of the bumper system is reduced by 22.7%.

Keywords：low-speed crash； bumper beam； adaptive response surface method； light weight

在城市中，低速碰撞是發(fā)生頻率最高的交通事故之一。低速碰撞是指汽車速度低于15 km/h的碰撞，由于低速碰撞一般不會造成人員傷亡，所以沒有引起人們足夠的重視。但針對低速碰撞的研究，有利于降低事故發(fā)生后汽車的維修費用和理賠費用，對延長車輛的使用壽命也有重要意義。

目前國內(nèi)針對低速碰撞安全性能的研究，側(cè)重于其前端結(jié)構(gòu)的安全性能，而對后端低速碰撞安全性能研究得較少。本文研究的主要內(nèi)容是：（1）簡單介紹國內(nèi)外有關(guān)低速碰撞的法規(guī)，并對它們的試驗要求進行對比分析。（2）根據(jù)GB 17354—1998《汽車前后端防護裝置》[1]的要求對某車型進行低速后碰撞的仿真分析。（3）針對仿真結(jié)果，對車體后端結(jié)構(gòu)提出優(yōu)化設(shè)計方案。（4）為了降低優(yōu)化方案的成本，運用Altair Hyperworks中的ARSM，基于目標值和約束響應(yīng)，以影響后端保護性能的關(guān)鍵組件的材料厚度為設(shè)計變量，計算出優(yōu)化解并進行驗算，滿足法規(guī)要求。

1 國內(nèi)外汽車低速碰撞評價體系簡介

汽車低速碰撞的評價體系雖然大部分為非強制性要求，但進行低速碰撞評價有利于保障汽車的安全性。通過低速碰撞的結(jié)果可以評價車輛的保險和維修費用，消費者可以參考這些測試結(jié)果來選擇自己所需的汽車。目前，關(guān)于汽車低速碰撞的評價體系主要有：高速公路安全保險協(xié)會（The Insurance Institute for Highway Safety，IIHS）、汽車修理研究協(xié)會（Research Council for Automobile Repairs，RCAR）、美國聯(lián)邦機動車安全標準（FMVSS PART 581）、聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟委員會汽車法規(guī)（ECE R42）和GB 17354—1998《汽車前后端防護裝置》。這些法規(guī)都是由各國政府、消費者組織或保險協(xié)會制定的。表1對這些法規(guī)進行了對比介紹。

2 GB17354—1998汽車前、后端保護裝置 評價標準及分析要求

GB 17354—1998《汽車前后端防護裝置》是我國關(guān)于低速碰撞的強制標準，其內(nèi)容和ECE R42所規(guī)定的內(nèi)容基本一致，均要求對前、后端保護裝置分別在整車整備質(zhì)量和加載質(zhì)量（半載）下進行縱向碰撞分析和車角碰撞分析。其中，縱向碰撞試驗包括正前方和正后方兩個方向各兩次碰撞。在每個方向的兩次碰撞中，一次是在車輛質(zhì)量為“整車整備質(zhì)量”時進行的，另一次是在質(zhì)量為“加載試驗車質(zhì)量”時進行的。兩次碰撞時的碰撞器中垂面位置相距不小于300 mm。縱向碰撞試驗的碰撞速度應(yīng)控制在4 km/h。車角碰撞試驗包括在車輛質(zhì)量為“整車整備質(zhì)量時對一個前車角和一個后車角的各一次碰撞，以及在車輛質(zhì)量為“加載試驗車質(zhì)量”時對另一個前車角和另一個后車角的各一次碰撞。碰撞器的A平面應(yīng)與車輛的縱向?qū)ΨQ面構(gòu)成60°±5°夾角。車輛的碰撞速度應(yīng)控制在2.5 km/h。碰撞器的有效質(zhì)量應(yīng)與試驗車輛的“整車整備質(zhì)量”相等，基準高度離地445 mm[2]。

3 原車型后端低速碰撞性能分析

3.1 有限元模型搭建

本文選取市場上某車型進行研究分析。根據(jù)GB 17354—1998對車輛和碰撞器的要求，采用Hyper-mesh軟件建立該車型仿真模型和剛性碰撞器仿真模型，按照實車參數(shù)設(shè)置零件的材料和厚度，并通過焊接、螺栓、鉸鏈等方式建立各部件之間的連接關(guān)系。為減少計算時間，截取后段車身并進行配重，保證質(zhì)心位置和實車質(zhì)心坐標一致。其中碰撞器的整備質(zhì)量為1 500 kg。模型參數(shù)見表2。

根據(jù)GB 17354—1998的試驗方法要求，建立相應(yīng)的邊界條件。圖1為四種工況邊界條件示意圖。

（1）車輛不具有初始速度和約束，車輪處于直行位置。

（2）碰撞器的A平面保持垂直，基準線保持水平。

（3）碰撞器的基準高度距離提供的整備質(zhì)量地面線和半載質(zhì)量地面線445 mm。

（4）分為縱向碰撞仿真和車角碰撞仿真兩部分。

3.2 低速碰撞有限元模型仿真結(jié)果及評價

法規(guī)中規(guī)定，在低速碰撞過程中，永久變形和損壞僅局限于保險杠和將保險杠安裝到車架上的安裝架和固定件，車身不能明顯受損。具體要求：照明和信號裝置應(yīng)能繼續(xù)正常工作并清晰可見；發(fā)動機罩、行李廂蓋和車門應(yīng)能正常開閉；車輛的燃料和冷卻系統(tǒng)應(yīng)無泄漏，不發(fā)生油、水路堵塞，其密封裝置與油、水箱蓋應(yīng)能正常工作；車輛的排氣系統(tǒng)不應(yīng)有妨礙其正常工作的損壞或錯位；車輛的傳動系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向和制動系統(tǒng)應(yīng)保持良好的調(diào)整狀態(tài)并能正常工作[2]。

除觀察結(jié)果動畫外，仿真分析過程主要考察目標值分解為：

（1）后保險杠橫梁不能觸碰后圍板，即縱向侵入位移不能大于許可位移L1（許可位移是指保險杠橫梁到后圍板的縱向距離，車體的該空間尺寸為120 mm，考慮仿真誤差，取0.9的安全系數(shù)，本文此目標值設(shè)為108 mm）。

（2）車身最大塑性應(yīng)變不能超過5%。

（3）對于車輛縱向?qū)χ信鲎瞾碚f，碰撞器在碰撞中不能接觸后背門；對車角碰撞中，則要避免接觸到汽車的大燈。為此，對中碰撞時碰撞器侵入量的最大許可位移是L2=123 mm，取0.9的安全系數(shù)，目標設(shè)定110 mm。對車角碰撞中，碰撞器侵入量的最大許可位移是L3=120 mm，取0.9的安全系數(shù)，目標設(shè)定108 mm，如圖2所示。

仿真模型運算后能量守恒，質(zhì)量變化、沙漏能和界面滑移能均在有效范圍內(nèi)（小于5%），模型結(jié)果有效?？疾煲韵聨追矫娴姆抡娼Y(jié)果。

3.2.1 后保險杠橫梁的侵入位移

后保險杠橫梁的x向侵入位移，如圖3所示。整備質(zhì)量-縱向中心4 km/h碰撞工況下的保險杠橫梁侵入量較大，為120 mm，超過目標值設(shè)定的108 mm。

3.2.2 車身后端的塑性應(yīng)變

車身后端直接受到碰撞影響的零件是后圍板和后縱梁，其塑性應(yīng)變云圖如圖4所示。整備質(zhì)量-縱向中心4 km/h碰撞工況下，后防撞橫梁輕微撞擊了后圍板，其塑性應(yīng)變超過了目標設(shè)定值。

3.2.3 碰撞器侵入量

四種工況下，碰撞器均沒有觸碰后背門和車燈，侵入量依次為：93.7 mm、91.2 mm、100.1 mm、88.3 mm，后背門可以正常開閉。

4 設(shè)計方案仿真分析

4.1 設(shè)計方案

從仿真結(jié)果來看，整備質(zhì)量-縱向中心碰撞工況下，后防撞橫梁變形較為嚴重，縱向侵入量超過目標設(shè)定值。后保險杠橫梁輕微撞擊后圍板，使后圍板發(fā)生變形，并且最大塑性應(yīng)變超過了5%，分析該車體結(jié)構(gòu)空間布置，進行優(yōu)化。該車型后防撞橫梁外板厚度1 mm，材料為DC01，除后防撞橫梁外板外沒有其它加強件，結(jié)構(gòu)薄弱。在充分考慮后部空間的情況下，結(jié)合工程實際，如圖5所示，采用較常見的型材，沿防撞橫梁走向，增加加強管，材料為Q235，厚度為2 mm，以提高后端防護裝置的剛度[3-4]。

4.2 設(shè)計方案仿真結(jié)果

優(yōu)化設(shè)計方案與原車仿真結(jié)果對比見表3，工況1、2、3、4分別對應(yīng)整備質(zhì)量-縱向中心4 km/h

碰撞、加載質(zhì)量-縱向偏置4 km/h碰撞、整備質(zhì)量-左后車角2.5 km/h碰撞、加載質(zhì)量-右后車角2.5 km/h碰撞。

從仿真結(jié)果來看，設(shè)計方案的后端防撞梁低速碰撞性能得到較大提高，滿足法規(guī)要求。但是設(shè)計方案是基于個人經(jīng)驗，由于無法明確多變量和目標響應(yīng)之間的關(guān)系，往往得不到最佳解。從工程實際角度出發(fā)，為了實現(xiàn)成本的最低化和整車輕量化，降低能耗，本研究采用響應(yīng)面法對設(shè)計方案進行進一步優(yōu)化[5]。

5 設(shè)計方案參數(shù)優(yōu)化

5.1 響應(yīng)面法

式中：P為設(shè)計點的個數(shù)；yi、、分別為響應(yīng)量的實測值、響應(yīng)量的預(yù)測值以及響應(yīng)量實測值的平均值。通常 R2越接近于1，近似模型的擬合效果越好 [7]。

5.2 后端防護裝置參數(shù)優(yōu)化

本研究以設(shè)計更輕且能滿足國標要求的后端防護裝置為目的，將對后端低速碰撞性能起到關(guān)鍵作用的各組件的材料厚度t選為設(shè)計變量，見表4。優(yōu)化過程選擇整備質(zhì)量-縱向中心4 km/h碰撞工況，因為通過仿真分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該工況下后端低速碰撞性能最差。最后將優(yōu)化結(jié)果代入另外3個工況進行驗證。

建立如式（4）所示的數(shù)學(xué)優(yōu)化模型，即優(yōu)化目標為計算模型重量最小，約束方程分別為后防撞梁的縱向侵入量L1小于108 mm，碰撞器的侵入量L2<110 mm。

設(shè)計變量及區(qū)間如圖6和表4所示。

在Hyper-study中選用LSR法進行響應(yīng)面表達式的擬合，并選用ARSM進行優(yōu)化計算。ARSM優(yōu)化算法不同于全局響應(yīng)面法（Global Response Re-gression，GRSM）和遺傳算法（Genetic Algorithm，

GE），其最主要的特點是迭代收斂速度快，效率高。也正因為迭代速度快，計算結(jié)果可能僅為局部最優(yōu)，但通常認為這種局部最優(yōu)解對結(jié)構(gòu)的優(yōu)化已經(jīng)足夠。ARSM優(yōu)化算法本質(zhì)上就是利用足夠的響應(yīng)和變量數(shù)值點擬合函數(shù)，然后對函數(shù)求極值[8]。

經(jīng)過8次迭代運算得到局部最優(yōu)解，數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表5。根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)計算得到響應(yīng)面的系數(shù)矩陣，建立的響應(yīng)面表達式如式（5）所示。響應(yīng)面的決定系數(shù)R2為0.999，可知響應(yīng)面精度滿足要求，運用最優(yōu)解進行碰撞仿真，將仿真結(jié)果與近似模型優(yōu)化結(jié)果進行對比，見表6，誤差在5%以內(nèi)，ARSM優(yōu)化算法準確可靠。

結(jié)合工程實際，分別取t1，t2，t3，t4，t5為1.0 mm、1.4 mm、1.4 mm、1.2 mm、1.4 mm。各零部件優(yōu)化后的質(zhì)量與基礎(chǔ)模型質(zhì)量對比值見表7。將厚度優(yōu)化后的零部件在四種工況下進行驗算，設(shè)計方案與原車仿真結(jié)果對比見表8，各工況均滿足要求。

5 結(jié)論

本研究對某車型的后端低速碰撞進行了仿真分析，并基于經(jīng)驗提出了一種設(shè)計方案，該方案的應(yīng)用使車輛滿足GB 17354—1998關(guān)于前后端低速碰撞的性能要求。使用Hyper-study軟件對設(shè)計方案進行優(yōu)化，以模型總質(zhì)量為目標，后端防護裝置的料厚屬性為設(shè)計變量，采用ARSM算法，建立二階響應(yīng)面近似模型并進行優(yōu)化。結(jié)果表明，優(yōu)化后，后端保護系統(tǒng)低速碰撞防護性能滿足GB 17354—1998的要求，相較于基于經(jīng)驗提出的設(shè)計方案質(zhì)量降低了22.7%，有一定的工程實際意義。

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