汽車結構安全設計的研究

在汽車的安全性研究和現(xiàn)有汽車安全技術中，汽車的安全性分為被動安全性和主動安全性。從交通事故原因的調查分析結果表明，汽車預防事故的主動安全性，只能避免5%的事故，因此提高汽車在發(fā)生事故時保護乘員、行人，減輕和避免傷亡的被動安全性越來越受到人們的重視。對一輛車的安全來說，主動安全和被動安全都必須放到同等重要的位置，而被動安全性能則和一款車型的車身設計有著密不可分的關系，一個堅固的車身能大大降低碰撞對車內乘員所帶來的傷害，而先進的設計理念和合理的用料則決定著車身是否能在關鍵時刻力挽狂瀾，本文從多個方面總結了汽車結構安全設計。

1 太陽能汽車懸架設計[1]

1.1 主要目的和主要原理

De Camargo對太陽能汽車的懸架系統(tǒng)進行了深入的研究，特別是對直接負責承受輪轂力的結構部件進行設計，這對車輛的穩(wěn)定性起到關鍵作用。通過靜態(tài)和模態(tài)有限元分析，對碳纖維增強塑料制成的三種不同形狀進行了分析和比較：兩個前叉與一個橫臂連接，一個輪轂與一個新的滑動輪轂系統(tǒng)相連。懸架系統(tǒng)無疑是汽車正常運轉的最重要的系統(tǒng)之一。它不僅負責為乘客提供舒適的外部振動，而且還負責減震軟化，保護所有機械部件，同時保持整車重量，保持輪胎與路面增強的推進力和安全性的牢固接觸。

1.2 結論及存在的問題

針對新設計的非叉臂式車輪支撐懸架De Camargo提出了一種新布置，由輪轂連接到一個滑動輪轂，它直接連接到彈簧，旨在減少能源消耗的摩擦。眾所周知，單球接頭需要比滑動輪轂更少的摩擦力，但是十字臂的整體關節(jié)的設計使得單個滑動面的選擇變得更加合理。此外，通過碳纖維改進這種設計使其更緊湊，需要較少的零件數(shù)量，也大大減輕了所需的重量。模態(tài)分析允許根據(jù)固有頻率和振型來確定結構的振動響應。使用有限元的方法進行優(yōu)化設計是一個基本步驟，通常用作詳細的動態(tài)分析（如諧波、動態(tài)和剛體運動）的起點。我們知道每一個結構都可以受到不同外力的影響，如果它們在共振條件下可能會導致其機械部件的磨損和耐久性問題。因此，模態(tài)分析可以研究振動引起的結構的動態(tài)特性，旨在通過改進給定的機械設計來確定共振頻率，從而預測和避免共振現(xiàn)象。

2 多功能增材制造的設計框架嵌入式結構的耦合優(yōu)化策略[2]

2.1 主要目的和主要原理

Panesar A對汽車結構的安全性設計進行了優(yōu)化設計。提出了一種基于耦合系統(tǒng)和結構設計來優(yōu)化多功能部件的方法。這是通過在一個結構拓撲優(yōu)化過程中，將一個由若干連接的功能部件組成的系統(tǒng)結合在結構響應中的一部分來實現(xiàn)的。通過對具有集成元件和電路的懸臂板進行耦合優(yōu)化，證明了該方法的可行性。結果表明，該方法能夠設計出既考慮結構要求又考慮系統(tǒng)要求的多功能零件。

2.2 結論及存在的問題

Panesar A設計了一個體素建模環(huán)境，以實現(xiàn)系統(tǒng)設計、數(shù)值分析和制造之間的無縫過渡，它們都依賴于離散的體積空間。具體而言，用于系統(tǒng)設計的體素，用于FEA的六面體單元和用于噴射的bmp文件格式的具有相關層厚度的2D像素。同時，Panesar A提出了一個耦合優(yōu)化公式，該公式可以確定最佳的材料和系統(tǒng)布局，因為它解決了覆蓋在結構設計問題上的系統(tǒng)設計問題。盡管這種發(fā)展的直接應用是能夠使得設計具有嵌入式功能系統(tǒng)的增材制造（噴射）復合材料部件。例如具有電氣部件和導電軌道的結構部件。但是，Panesar A提出的策略應該被考慮用于解決更一般的工程問題。Panesar A的主要貢獻是改進的啟發(fā)式定義，允許一個更合適的耦合策略，其中的系統(tǒng)設計是同時進行的結構優(yōu)化。仿真結果表明，所提出的耦合方法具有很強的適用性，其中系統(tǒng)靈敏度，特別是路由靈敏度，結合多個設計問題的結構敏感性。

3 客車用散熱器冷卻風扇的設計優(yōu)化[3]

3.1 主要目的和主要原理

汽車散熱器冷卻風扇已被視為是一個重要的噪聲源，在車輛和日益增加的噪音環(huán)境下，對于汽車散熱器冷卻風扇的優(yōu)化設計是十分重要的。雖然現(xiàn)有的一些經(jīng)驗預測技術已經(jīng)很多，但是它們仍不夠準確，不能詳細描述整個噪聲譜和各種容易出現(xiàn)噪聲的區(qū)域。因此，對于高精度的計算流體動力學（CFD）的研究是必不可少的。CFD中的大渦模擬技術是用來解決流體的微小尺度運動的，因為與系統(tǒng)級壓力相比，模擬的聲壓非常小，而且要求非常精確。詳細的網(wǎng)格依賴性是為了實現(xiàn)更高的精度以及將網(wǎng)格要求保持在計算可行的區(qū)域內。通過比較頻域中的A加權聲壓級（SPL）譜，證實了CFD研究得到的數(shù)值結果與測試結果的對比。

3.2 結論及存在的問題

這項工作分為兩大部分，第一部分是風扇噪聲的CFD分析和通用工藝布局的建立。第二部分的工作重點是對整體噪聲和噪聲頻譜進行幾何修改的研究。該實驗在半消聲室中進行驗證。只是簡單地應用實驗程序以獲得用于建立計算模擬的模型。這里采用一個6葉片冷卻散熱器風扇模塊用于驗證和確認風扇噪音數(shù)據(jù)。散熱器在實驗過程中不會使用，實驗的目的是模擬無散熱器的獨立風扇模塊的噪聲譜。風扇的CFD分析必須在截斷域中進行。選擇該域是為了盡量減少計算需求，并盡量減少通道對計算的影響。該域與四個不同的表面網(wǎng)格以及體積網(wǎng)格進行網(wǎng)格化，以研究網(wǎng)格靈敏度的影響以及獲得不敏感的網(wǎng)格。使用任何湍流模型的一個重要考慮因素是無量綱參數(shù)y+，它是粘性效應滲透的距離的定量度量。需要系統(tǒng)地對各種幾何變化做進一步研究，以建立一個標準來優(yōu)化風扇的噪聲特性。

4 汽車結構的多學科設計優(yōu)化方法[4]

4.1 主要目的和主要原理

多學科設計優(yōu)化（MDO）可以作為改進汽車結構設計的有效方法。大規(guī)模MDO問題通常涉及多學科，他們必須同時并自主地工作才能高效地解決方案。比較現(xiàn)有的MDO方法，并根據(jù)汽車結構應用的特性評估其適用性是目前汽車結構的多學科優(yōu)化方法的主要研究方向。同時，多層次和單層次的優(yōu)化方法都要進行考慮。在優(yōu)化汽車結構時，通常需要元模型來減輕詳細仿真模型的計算負荷。元模型可以在優(yōu)化過程之前由各個團隊創(chuàng)建，從而提供分配工作的方式。因此，結合模型的單級方法是實施MDO為汽車結構發(fā)展的最直接的途徑。如果多級優(yōu)化方法在特殊情況下的優(yōu)點被認為是彌補了其缺點，那么分析目標群相對于協(xié)作優(yōu)化具有許多優(yōu)點，但是這兩種方法都是可能的選擇。然而，似乎沒有任何適用于汽車應用的MDO方法的研究。此外，在汽車開發(fā)中使用的許多模擬模型，必須包含元模型。

4.2 結論及存在的問題

汽車各子系統(tǒng)的分析內容成相互交錯的網(wǎng)絡結構，要改變傳統(tǒng)整體優(yōu)化方式，采用分布式網(wǎng)絡優(yōu)化，就要在總統(tǒng)系統(tǒng)分析的基礎上進行系統(tǒng)分解，將耦合的設計系統(tǒng)分解組織成一些比較簡單的子問題。采用各學科比較成熟完善的分析工具來分析，然后對相對獨立的子問題進行協(xié)調、優(yōu)化。我們應用車輛一體化設計分析系統(tǒng)（IVDA）來分析設計。在IVDA系統(tǒng)中，結構分析和設計采用彈性梁模型處理，利用NASTRAN軟件程序計算響應和敏感性，并在車體強度、車身長度、彎扭頻率等約束限制下優(yōu)化車體重量。空氣動力學氣動阻力分析采用神經(jīng)網(wǎng)絡方法，對實驗數(shù)據(jù)進行擬合計算。這樣各學科子任務可以實現(xiàn)并行設計，在優(yōu)化程序運行過程中，充分利用了各學科局部的分析優(yōu)化能力，控制學科間的耦合設計變量，并且在結構學科優(yōu)化過程中，同時進行多學科的敏感性分析計算。

[1]De Camargo F V,Fragassa C,Pavlovic A,et al.Analysis of the suspension design evolution in solar cars[J].FMETransactions,2017,45(3)：394-404.

[2]Panesar A,Brackett D,Ashcroft I,et al.Design framework for multifunctional additive manufacturing：Placement and routing of three-dimensional printed circuit volumes[J].Journal of Mechanical Design,2015,137(11)：111414.

[3]Tare K,Mukherjee U,Vaidya R J.Design Optimization of Automotive Radiator Cooling Module Fan of Passenger Vehicle for Effective Noise Management Using CFD Technique[R].SAETechnical Paper,2017.

[4]Domeij B?ckryd R,Ryberg A B,Nilsson L.Multidisciplinary design optimisation methods for automotive structures[J].International Journal of Automotive and Mechanical Engineering,2017,14(1)：4050-4067.