氣囊誤作用擺錘試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

呂立人

（上海交通大學(xué)，上海 200240）

氣囊誤作用擺錘試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

呂立人

（上海交通大學(xué)，上海 200240）

簡(jiǎn)要介紹了氣囊誤作用擺錘試驗(yàn)臺(tái)的初始設(shè)計(jì)，將試驗(yàn)臺(tái)的框架結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象，運(yùn)用Pam-Crash軟件進(jìn)行工況仿真，找出薄弱環(huán)節(jié)，對(duì)試驗(yàn)臺(tái)框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，并且再次仿真，得到的優(yōu)化結(jié)果符合企業(yè)內(nèi)部對(duì)試驗(yàn)臺(tái)抗沖擊性的要求，而且試驗(yàn)驗(yàn)證了仿真計(jì)算的準(zhǔn)確性。試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)改進(jìn)是有效的。

氣囊誤作用；擺錘試驗(yàn)；有限元仿真；拓?fù)鋬?yōu)化

自氣囊面世60多年來(lái)，在車輛碰撞事故中挽救了千千萬(wàn)萬(wàn)人的生命。但是，近年來(lái)，關(guān)于汽車氣囊在非事故性碰撞中誤點(diǎn)爆而傷害乘員的事件屢屢發(fā)生，即氣囊本身存在安全不確定性。

在某些日常行駛條件下，氣囊傳感器可能受到某些非事故性撞擊信號(hào)的干擾，或者車輛整車剛度比較小，經(jīng)過(guò)非事故性碰撞或者顛簸，會(huì)引起車身在氣囊傳感器位置的共振，從而誤將氣囊點(diǎn)爆，我們將其稱之為“氣囊誤作用”。這種“誤作用”不僅會(huì)使乘員受到傷害，而且也是一種浪費(fèi)，會(huì)增加維修費(fèi)用。因此，氣囊誤作用試驗(yàn)成為了國(guó)內(nèi)外氣囊供應(yīng)商和汽車制造企業(yè)的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。目前，綜合考慮到我國(guó)駕駛習(xí)慣和道路情況的氣囊誤作用試驗(yàn)法規(guī)可能會(huì)在2017年年中以推薦性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的形式面世。

在氣囊誤作用系列試驗(yàn)中，擺錘打擊試驗(yàn)?zāi)M了日常生活中飛行的足球和滿載的購(gòu)物車撞擊車身的情況，國(guó)內(nèi)針對(duì)這個(gè)試驗(yàn)的非標(biāo)設(shè)備尚屬少數(shù)。本文研究的是一臺(tái)具有通用特性的擺錘試驗(yàn)臺(tái)。在研究初期，依照工程經(jīng)驗(yàn)得到了試驗(yàn)臺(tái)的初始設(shè)計(jì)方案，并以此作為起點(diǎn)，通過(guò)有限元模擬試驗(yàn)工況，找到了試驗(yàn)臺(tái)的薄弱環(huán)節(jié)，采用軟件拓?fù)鋬?yōu)化的方法再設(shè)計(jì)試驗(yàn)臺(tái)框架結(jié)構(gòu)；之后再一次進(jìn)行仿真，確定其滿足要求；最后通過(guò)試驗(yàn)的方法驗(yàn)證了仿真計(jì)算的準(zhǔn)確性。

1 試驗(yàn)臺(tái)初始方案

1.1 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

擺錘打擊試驗(yàn)臺(tái)屬于撞擊類試驗(yàn)臺(tái)，如果試驗(yàn)臺(tái)在試驗(yàn)時(shí)存在因設(shè)計(jì)不佳而導(dǎo)致的機(jī)械振動(dòng)，就會(huì)影響試驗(yàn)精度。周而復(fù)始、長(zhǎng)此以往的振動(dòng)，勢(shì)必會(huì)縮短試驗(yàn)臺(tái)的使用壽命。無(wú)論從試驗(yàn)角度看，還是從企業(yè)成本角度看，這種結(jié)構(gòu)缺陷都是不能被允許的。筆者所在企業(yè)對(duì)這類試驗(yàn)臺(tái)的要求是：①撞擊對(duì)試驗(yàn)臺(tái)產(chǎn)生的振動(dòng)加速度在±10 g區(qū)間內(nèi)；②撞擊對(duì)試驗(yàn)臺(tái)產(chǎn)生的最大振動(dòng)位移量不超過(guò)5 mm。

1.2 試驗(yàn)臺(tái)的功能

此次設(shè)計(jì)的是一臺(tái)通用型氣囊誤作用擺錘試驗(yàn)臺(tái)，它具有以下功能：①可完成足球撞擊等輕質(zhì)碰撞沖擊器的試驗(yàn)；②可以完成購(gòu)物車撞擊等重質(zhì)碰撞沖擊器的試驗(yàn)；③重質(zhì)碰撞沖擊器和輕質(zhì)碰撞沖擊器的最高打擊速度不小于6.8 m/s。

1.3 試驗(yàn)臺(tái)框架結(jié)構(gòu)

參考工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，試驗(yàn)臺(tái)的核心部件，比如擺臂、擺臂提升機(jī)構(gòu)、擺臂移動(dòng)機(jī)構(gòu)等通過(guò)連接板用螺栓緊固在龍門形框架上。龍門形框架分為上、中、下3個(gè)部分。整個(gè)框架結(jié)構(gòu)均是由標(biāo)準(zhǔn)方管焊接而成的。

龍門形框架上部分是由2個(gè)相同的矩形框上下拼接而成的頂框架，每個(gè)矩形框的內(nèi)部由長(zhǎng)短不一的方管支撐矩形框的長(zhǎng)短兩邊，在矩形框的四角焊接4塊三角形加強(qiáng)筋，以提高其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。龍門形框架下部分是左右兩邊站立著的支撐框架，將上、中2個(gè)部分支撐起來(lái)。每個(gè)支撐框架下部通過(guò)連接板用20個(gè)M16的螺栓與預(yù)埋的地基連接。

龍門形框架中間部分通過(guò)兩邊側(cè)框?qū)⑸舷聝刹糠诌B接起來(lái)。在頂框架與支撐框架、頂框架與側(cè)框之間增加斜向支撐來(lái)增加上、中、下3部分之間的連接強(qiáng)度。在“四邊形”結(jié)構(gòu)中增加更多的“三角形”，這是增強(qiáng)框架結(jié)構(gòu)的慣用做法。試驗(yàn)臺(tái)初始設(shè)計(jì)如圖1所示。

2 基于Pam-Crash的有限元仿真

2.1 有限元模型建立

我們可以將CAD的模型格式直接導(dǎo)入到Hypermesh中，并且將一些對(duì)仿真沒(méi)有影響的零件簡(jiǎn)化成具有相同外形、相同質(zhì)心位置的“塊”，比如電機(jī)、減速器、擺臂釋放機(jī)構(gòu)和不計(jì)算工況的輕質(zhì)擺臂等，這樣可以節(jié)約計(jì)算資源。仿真工況中的試驗(yàn)車輛的有限元模型采用筆者所在單位現(xiàn)有的車輛有限元模型。

試驗(yàn)臺(tái)框架結(jié)構(gòu)是用標(biāo)準(zhǔn)方管搭建而成的，單根方管的長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于厚度，因此，采用殼（shell）單元。重質(zhì)擺臂的材料為304不銹鋼，厚度為5 mm。由于擺臂臂長(zhǎng)為3.5 m，所以，重質(zhì)擺臂同樣采用殼（shell）單元。這2種材料的材料機(jī)械性能如表1所示。

試驗(yàn)臺(tái)的網(wǎng)格劃分經(jīng)過(guò)Hypermesh處理后如圖2所示。

圖1 試驗(yàn)臺(tái)初始設(shè)計(jì)

表1 材料機(jī)械性能表

圖2 試驗(yàn)臺(tái)網(wǎng)格模型

2.2 邊界條件與載荷

按照初始設(shè)計(jì)方案，在試驗(yàn)臺(tái)兩側(cè)的支撐框架底部設(shè)置位移約束，即使試驗(yàn)臺(tái)牢固固定在試驗(yàn)地面上。

試驗(yàn)臺(tái)最大打擊能力為購(gòu)物車碰撞沖擊器安裝在最低位置、重質(zhì)擺臂在90°擺角位置釋放所獲得的速度。根據(jù)理論計(jì)算，這個(gè)速度可以達(dá)到7.2 m/s。在考慮了一定安全裕度的條件下，設(shè)置打擊速度為7.5 m/s，設(shè)置速度載荷為7.5 m/s。

2.3 結(jié)果分析

采用PAM-CRASH求解器進(jìn)行仿真計(jì)算，經(jīng)過(guò)處理，把結(jié)果輸出成如圖3和圖4的應(yīng)力云圖和位移云圖。在試驗(yàn)臺(tái)頂框架中間布置虛擬加速度傳感器，以監(jiān)測(cè)加速度信號(hào)。

圖3 試驗(yàn)臺(tái)應(yīng)力云圖

圖4 試驗(yàn)臺(tái)位移云圖

至此可得出以下結(jié)論：①試驗(yàn)臺(tái)框架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力從上至下減小，可見(jiàn)打擊后應(yīng)力的方向是從上至下傳遞的；②應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在上頂框架的上方框，靠近中間位置；③在頂框架中，Y向方管所受的應(yīng)力大于X向方管所受應(yīng)力；④試驗(yàn)臺(tái)框架結(jié)構(gòu)的振動(dòng)位移量從上至下逐漸減小；⑤試驗(yàn)臺(tái)的振動(dòng)位移主要集中在試驗(yàn)臺(tái)頂框架；⑥位移最大值出現(xiàn)在頂框架中間部位，位移量為8.03 mm，即“向后倒”，不滿足企業(yè)內(nèi)部對(duì)其5 mm的要求；⑦加速度信號(hào)最大值為5.83 g，滿足企業(yè)內(nèi)部要求。

綜上所述，需要采取相關(guān)措施來(lái)分散上頂框的應(yīng)力，并且減小其在碰撞中的振動(dòng)；增加Y向的支撐，減少“向后倒”的幅度。

3 試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 拓?fù)淠Ｐ徒?/p>

由拓?fù)鋬?yōu)化理論可知，試驗(yàn)臺(tái)拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果是包含在初始拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的，不需要對(duì)具體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模。因此，我們將“長(zhǎng)方體塊”作為初始模型，即優(yōu)化區(qū)域。試驗(yàn)臺(tái)框架結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化分成2塊進(jìn)行——支撐框架和Y向加強(qiáng)支撐。對(duì)這2個(gè)優(yōu)化區(qū)域劃分網(wǎng)格、施加邊界條件和載荷，具體如圖5所示。

圖5 框形支撐（左）與Y向加強(qiáng)支撐（右）初始拓?fù)淠Ｐ?/p>

圖6 框形支撐（左）與Y向加強(qiáng)支撐（右）拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

3.2 拓?fù)鋬?yōu)化參數(shù)設(shè)定

3．2．1 目標(biāo)函數(shù)

從成本和項(xiàng)目進(jìn)度的角度考慮，優(yōu)化結(jié)果在滿足約束條件的情況下，應(yīng)該盡可能結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、用材最省，所以，在選取目標(biāo)函數(shù)時(shí)，確定以最小體積為優(yōu)化目標(biāo)。

3．2．2 優(yōu)化變量

本文要得到的優(yōu)化結(jié)果是支撐框架和Y向加強(qiáng)支撐的最佳結(jié)構(gòu)，顯然優(yōu)化變量便是完整的“長(zhǎng)方體塊”和“開(kāi)洞”的“長(zhǎng)方體塊”。

3．2．3 約束函數(shù)

為了減少試驗(yàn)臺(tái)的振動(dòng)位移量，使其能滿足企業(yè)內(nèi)部要求，約束函數(shù)設(shè)置為位移約束，位移的上限設(shè)置為2 mm。

3.3 優(yōu)化結(jié)果與分析

拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果如圖6所示，顏色越亮麗的地方就是越需要布置材料的地方，相反，顏色越深暗的地方表示該處材料布置的必要性不大。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，可將這2個(gè)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果重新建立成實(shí)用的工程結(jié)構(gòu)，具體如圖6所示。

3.4 優(yōu)化效果

為了驗(yàn)證優(yōu)化的有效性，將優(yōu)化后的方案再一次進(jìn)行工況仿真。同樣，把結(jié)果輸出成應(yīng)力云圖和位移云圖，如圖7和圖8所示。

與優(yōu)化前的結(jié)果作對(duì)比，可以得出以下幾個(gè)結(jié)論：①總體來(lái)看，優(yōu)化后的試驗(yàn)臺(tái)框架所受應(yīng)力比試驗(yàn)前減小。由此可知，Y向加強(qiáng)支撐的確分擔(dān)了一部分應(yīng)力。②頂框架的應(yīng)力減小最為顯著，所以，增強(qiáng)后部支撐使根基更穩(wěn)定的做法會(huì)使頂部應(yīng)力減小。③優(yōu)化后的試驗(yàn)臺(tái)框架的振動(dòng)位移量比試驗(yàn)前減小。由此可見(jiàn)，Y向加強(qiáng)支撐穩(wěn)定了試驗(yàn)臺(tái)的振動(dòng)。④位移最大值出現(xiàn)在頂框架中間部位，位移量4.31 mm，滿足企業(yè)內(nèi)部對(duì)其提出的5 mm要求。⑤加速度信號(hào)最大值為9.13 g，滿足企業(yè)內(nèi)部要求。優(yōu)化后的支撐框架和Y向加強(qiáng)支撐如圖9所示。

綜上所述，這2個(gè)優(yōu)化結(jié)果是有效的。

圖7 優(yōu)化后試驗(yàn)臺(tái)應(yīng)力云圖

4 仿真工況驗(yàn)證試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)方法

驗(yàn)證試驗(yàn)在平整的試驗(yàn)場(chǎng)地上進(jìn)行，試驗(yàn)條件要與仿真工況盡可能保持一致。打擊點(diǎn)選擇在試驗(yàn)車輛車身剛度相對(duì)最大的位置，即B柱下門檻位置，與仿真工況保持一致。將購(gòu)物車碰撞沖擊器的中心與試驗(yàn)車輛B柱下門檻的中心位置對(duì)齊，將重質(zhì)擺臂提升至90°角位置后釋放，打擊試驗(yàn)車輛，速度測(cè)量單元記錄下實(shí)際打擊速度。試驗(yàn)后，通過(guò)布置在試驗(yàn)臺(tái)頂框架的加速度傳感器來(lái)分析試驗(yàn)臺(tái)在受到?jīng)_擊時(shí)的穩(wěn)定性。為了保證試驗(yàn)的有效性，試驗(yàn)重復(fù)3次進(jìn)行，每一次的打擊試驗(yàn)條件一致，共使用2部同款試驗(yàn)車。

圖9 優(yōu)化后的支撐框架（左）和Y向加強(qiáng)支撐（右）

圖10 仿真與試驗(yàn)加速度信號(hào)

4.2 試驗(yàn)結(jié)果與仿真對(duì)比

在試驗(yàn)臺(tái)頂部與仿真工況相同位置布置了加速度傳感器，3次試驗(yàn)的加速度值非常接近，取其平均值，并將數(shù)據(jù)積2次分可以得到位移的信號(hào)。相關(guān)人員將試驗(yàn)與優(yōu)化后的仿真結(jié)果作對(duì)比，如圖10、圖11所示。至此，可以得出以下幾個(gè)結(jié)論：①試驗(yàn)臺(tái)的振動(dòng)趨勢(shì)相近；②仿真中，試驗(yàn)臺(tái)各部件間采用剛性連接，使得振動(dòng)加速度信號(hào)在整體上更大一些；③試驗(yàn)臺(tái)最大加速度為5.5 g；④試驗(yàn)臺(tái)最大振動(dòng)位移為3.27 mm。

綜上所述，仿真與驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果相近，仿真可信；試驗(yàn)臺(tái)最大振動(dòng)加速度和最大振動(dòng)位移均滿足企業(yè)內(nèi)部要求，優(yōu)化有效。

圖11 仿真與試驗(yàn)位移信號(hào)

5 結(jié)束語(yǔ)

采用有限元仿真加拓?fù)鋬?yōu)化的方法，讓一個(gè)零件或者一個(gè)產(chǎn)品在生產(chǎn)制造前達(dá)到所期望的性能是現(xiàn)在越來(lái)越多企業(yè)的選擇。這樣做，不僅開(kāi)發(fā)周期短，而且投入成本比較少。本文所用的試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)方法、拓?fù)鋬?yōu)化方法可以為類似試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)、建造提供參考。

［1］唐波.中國(guó)汽車安全氣囊標(biāo)準(zhǔn)制訂的探討［J］.汽車與配件，2012（32）：13-15.

［2］鄭祖丹，俞晶鑫.乘用車安全氣囊匹配中誤作用試驗(yàn)研究［J］.質(zhì)量與標(biāo)準(zhǔn)化，2011（10）：37-41.

〔編輯：白潔〕

U491.6+1

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.13.023

2095-6835（2017）13-0023-04

呂立人（1988—），上海人，上海交通大學(xué)在職碩士研究生，現(xiàn)主要從事汽車零部件安全試驗(yàn)工作。