基于感知舒適度的乘用車保險杠剛度評價方法研究

樊瑤雯 王超 蔡昱丹

摘 要：本文針對保險杠感知舒適性優(yōu)化問題，根據(jù)傳統(tǒng)工程上使用CAE仿真方法及相關(guān)經(jīng)驗積累基礎(chǔ)上，開發(fā)了基于感知舒適度的保險杠剛度評價方法，以某乘用車前保險杠為例，使用Tcl/Tk語言編寫二次開發(fā)模型，建立了計入非彈性階段材料性能和非彈性接觸的計算模型，經(jīng)LAS-DYNA軟件計算得到剛度結(jié)果，再確定優(yōu)化參數(shù)，并提出參數(shù)變動范圍，對其進(jìn)行優(yōu)化。最終計算證明，結(jié)合此評價方法識別并解決保險杠剛度問題準(zhǔn)確，迅速，效率高。

關(guān)鍵詞：保險杠;感知舒適度;剛度;評價方法

1 前言

乘用車保險杠系統(tǒng)在實際工況中，由于其材料為塑料制品，與車身覆蓋件通常為鈑金件不同，在承受消費者按壓、行駛中的低速碰撞等載荷下容易發(fā)生變形。乘用車保險杠一般尺寸大、型面不規(guī)則、安裝布置不對稱，工程中處理其按壓偏軟的問題一般難度較大 [1]。

保險杠受到外界載荷作用時，承受外力后抵抗變形及小面積塌陷、維持設(shè)計型面特征的性能稱為抗凹性，這項指標(biāo)對于評價保險杠結(jié)構(gòu)設(shè)計質(zhì)量和使用性能具有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義[2]。

現(xiàn)有工程中，保險杠剛度評價大多是根據(jù)試驗測定的，隨著CAE仿真技術(shù)在工程開發(fā)中逐漸普及，現(xiàn)在使用有限元模擬技術(shù)來測定保險杠的剛度性能已經(jīng)達(dá)到工程應(yīng)用水平[3]。

為使CAE模擬精確度更加提高，目前保險杠剛度分析一般采用引入材料非線性、接觸非線性等參數(shù)的計算模型，使其精度大幅度提升，但此時，求解器對模型的前處理的要求也更高，一旦前處理仿真度不夠，則計算會出現(xiàn)精度偏差較大及不收斂的結(jié)果。因此，對現(xiàn)有技術(shù)人員的掌握CAE仿真分析保險杠剛度的能力要求較高。比如在剛度分析分析中設(shè)計接觸面主次及相關(guān)單元設(shè)置、子件預(yù)接觸距離多少的設(shè)置，都對分析經(jīng)驗要求很高。

由于保險杠系統(tǒng)一般在乘用車設(shè)計中，采用塑料成型后噴涂車身漆的方法實現(xiàn)[4]，其塑料基材一般選用PP類材料，雖然PP類材料在耐高溫、耐沖擊、強(qiáng)度、剛度等方面不如GMT或ABS類材料，但是憑借其加工成型性能好，成本低廉的優(yōu)勢以及合適的性能而被廣泛使用[5]。

一般客戶在購買車輛時認(rèn)為使用按壓的方法來評價汽車質(zhì)量時，容易認(rèn)為較軟的塑料件保險杠抵御風(fēng)險能力弱，導(dǎo)致心理舒適度降低，從而影響購車體驗。

在保險杠剛度試驗及CAE仿真計算中，分析人員對薄弱點的考慮一般根據(jù)個人的經(jīng)驗積累[6]，但由于保險杠本身不規(guī)則的型面、不均勻的厚度、不對稱安裝布置等，一般情況，準(zhǔn)確選擇分析點變得困難，經(jīng)驗無法形成知識積累，且經(jīng)過多輪分析優(yōu)化，剛較差的位置與之前的分析無法形成對比，為此，為補(bǔ)充經(jīng)驗的準(zhǔn)確度，現(xiàn)有工程上一般選擇多次計算并增多計算位置后進(jìn)行比較，這種方法精度一般很難控制而且浪費了時間。

本文針對保險杠感知舒適剛度優(yōu)化問題，面對保險杠剛度優(yōu)化過程中安裝布置及支撐結(jié)構(gòu)變化的變工況問題，分析現(xiàn)有工程經(jīng)驗，開發(fā)基于感知舒適度的保險杠剛度評價全流程優(yōu)化方法，通過某乘用車保險杠系統(tǒng)剛度優(yōu)化作為算例，使用該評價方法，得到剛度性能最優(yōu)的布置及支撐結(jié)構(gòu)，驗證了此方法解決保險杠感知舒適剛度問題的有效性，為工程實踐提供了剛度分析優(yōu)化的參考方法。

2 目前工程中的保險杠剛度優(yōu)化方法

2.1 剛度評價指標(biāo)

保險杠受到按壓或其他載荷后，一般以塑料件變形結(jié)果評價其剛度性能，在按壓或碰撞時，往往會出現(xiàn)一個拐點，這是由于材料及布置形式的不同產(chǎn)生的。按壓力超過這個拐點時，剛度舒適性下降嚴(yán)重（但材料尚未到達(dá)屈服），這種特點我們稱為“塌陷節(jié)點”，見圖1。

塌陷節(jié)點是剛度感知舒適度的評價的重要指標(biāo)，保險杠設(shè)計中為避免塌陷節(jié)點或盡量提高塌陷節(jié)點按壓力的方法常通過擴(kuò)大壁厚，改變布置方式，加強(qiáng)支撐等方法，然后重新模擬試驗最終確定最優(yōu)的結(jié)構(gòu)，達(dá)到保險杠設(shè)計的要求[7]。

塌陷節(jié)點計算了非線性材料在塑性變形階段的參數(shù)，本文所使用保險杠模型中選用材料PP+EPDM-T10，如圖2是其材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線。

2.2 保險杠剛度優(yōu)化傳統(tǒng)方法及計算實例

本文以某乘用車保險杠系統(tǒng)為實例，說明剛度優(yōu)化傳統(tǒng)方法，圖3所示為流程圖。

本文使用CAE分析前處理軟件Hypermesh，截取某乘用車模型保險杠部分，共計87815個網(wǎng)格，125462個節(jié)點，支架與蒙皮接觸部分使用實體網(wǎng)格模擬，連接點的螺栓采用rbe2單元，并對周邊網(wǎng)格細(xì)化固定。

考慮到保險杠型面、加強(qiáng)結(jié)構(gòu)及布置的不對稱性、不規(guī)則性，精確判斷剛度較差點難以實現(xiàn)，此時首先選用7個位置（如圖4標(biāo)識）作為載荷點計算結(jié)果，最后對比各自剛度指標(biāo)的方法。

從計算結(jié)果（圖5所示）看出，點4和點6顯示較明顯的塌陷節(jié)點，節(jié)點后期載荷為150N上下，點5雖然沒有顯著的塌陷節(jié)點，此點的剛度性能卻是所有結(jié)果中最差的。

根據(jù)以上分析，制定了以下方案嘗試改進(jìn)：

（1）在點5附近設(shè)計一處支架以提高此處的支撐。

（2）將點4和點6附近的局部壁厚適當(dāng)增加。

改進(jìn)方案后計算，依然選用此7個載荷位置計算，剛度性能如圖6所示。

改進(jìn)的模型計算結(jié)果顯示點5的剛度指標(biāo)大大優(yōu)化，且只有點2顯示塌陷節(jié)點，但此塌陷節(jié)點提高到250N，因此確定此改進(jìn)方案有效。

以上介紹的傳統(tǒng)保險杠剛度舒適性評價方法面對實際設(shè)計過程的優(yōu)化問題是有效的，但是這種方法依然在精度和效率上存在不足：

（1）建立分析模型的過程步驟復(fù)雜，設(shè)置網(wǎng)格細(xì)化、主從面、分析步等參數(shù)在每次計算前都要重復(fù)，若遺漏設(shè)置或設(shè)置不一致則將出現(xiàn)錯誤。

（2）選擇按壓點只能根據(jù)工程經(jīng)驗判斷，為彌補(bǔ)不足，只能多次選點重復(fù)計算并比較結(jié)果，造成工作效率下降。

（3）改進(jìn)結(jié)構(gòu)后，實際薄弱位置變化，原來選取的載荷位點與真實薄弱點發(fā)生變化，計算結(jié)果可能出現(xiàn)誤判。

3 改進(jìn)的保險杠剛度分析評價方法

3.1 基于Tcl＼Tk語言的二次開發(fā)

本文采用的CAE建模軟件Hypermesh支持運行Tcl/Tk語言進(jìn)行二次開發(fā)。這種語言直接面向?qū)ο螅⒒诮忉屆?，且其完全開放腳本，最初是John Ousterhout開發(fā)，這種語言通過調(diào)用其核心命令集實現(xiàn)程序簡化，通過自定義的過程和調(diào)用，方便開發(fā)者編制更加界面友好的函數(shù)框架，它對字符串和數(shù)組等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也具有一定的支持[8]，對于初學(xué)者而言較C/C++等語言較易上手。

基于前文傳統(tǒng)保險杠剛度分析的流程，確立分析模型中用于可調(diào)整的參數(shù)可以設(shè)定三步：

①調(diào)整載荷面的法向使其與加載力朝向相對以免接觸參數(shù)錯誤。

②調(diào)整布置形式并確定可變范圍，通過編制的腳本調(diào)用生成相應(yīng)的布置邊界條件。

③框選載荷面單元及載荷節(jié)點。

利用以上總結(jié)，快速建立使用Tcl/Tk語言編制二次開發(fā)程序進(jìn)行保險杠剛度優(yōu)化的模型，開發(fā)人員僅用三步填寫相關(guān)參數(shù)，第四步點擊后，二次開發(fā)的程序即可完成保險杠剛度分析模型的前處理工作，見圖7。

3.2 優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)模型

面對剛度優(yōu)化問題，先將工程問題進(jìn)行歸納，確定數(shù)學(xué)模型，明確約束條件，通過最優(yōu)準(zhǔn)則確定邊界條件，以數(shù)學(xué)方法求得最優(yōu)解的方法即為最優(yōu)化問題。[9]

最優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)模型如下：

其中，x∈（x1，x2，…xn）TI∈Rn，f： Rn→R，ci：Rn→R，（i=1，2，…，m）

x為優(yōu)化的設(shè)計變量，f（x）為目標(biāo)函數(shù)，st.為約束條件，ci（x）為約束函數(shù)，ci（x） =0為等式約束，ci（x）≥0為不等式約束。

3.3 改進(jìn)的保險杠感知舒適剛度優(yōu)化分析方法

利用2.1介紹的快速建模腳本，經(jīng)過適當(dāng)簡化，可以實現(xiàn)在具體案例中的無交互操作，即實現(xiàn)了自動化建模，在此基礎(chǔ)上通過定制優(yōu)化參數(shù)，開發(fā)保險杠感知舒適剛度優(yōu)化分析方法。

分析后制定具體流程如下：

（1）構(gòu)建原始CAE分析模型，可以按照工程經(jīng)驗適當(dāng)簡化，如將卡扣連接變?yōu)橛策B接等。

（2）編制二次開發(fā)程序，對該保險杠模型加載面力并導(dǎo)出可計算模型。

（3）連接計算軟件計算結(jié)果并將位移最大的位置存入結(jié)果文件中。

（4）編制二次開發(fā)程序，使用原始CAE分析模型，使用步驟3的結(jié)果文件在薄弱點生成剛度計算模型。

（5）再次鏈接計算軟件計算得到結(jié)果并存入結(jié)果文件。

（6）調(diào)整參數(shù)范圍，對原始CAE計算模型進(jìn)行工況變動，生成與原始模型結(jié)構(gòu)變化的計算模型。

（7）回到第1步的內(nèi)容重新計算，生成各參數(shù)對應(yīng)的優(yōu)化結(jié)果，分析后確定最優(yōu)化的布置及加強(qiáng)結(jié)構(gòu)。

4 改進(jìn)的保險杠剛度分析評價方法應(yīng)用實踐

本文為將保險杠感知舒適剛度分析優(yōu)化評價方法與傳統(tǒng)方法進(jìn)行對比，仍然采用某乘用車保險杠系統(tǒng)為例，進(jìn)行可變工況的保險杠剛度優(yōu)化分析全流程實現(xiàn)。

4.1 優(yōu)化問題定義

根據(jù)以上傳統(tǒng)方法計算結(jié)果，保險杠系統(tǒng)可能出現(xiàn)塌陷節(jié)點的最小載荷約為150N，因此以此加載力下保險杠剛度變形最小為優(yōu)化目標(biāo)，采用保險杠側(cè)向的兩種安裝點位置和4個加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的Y向坐標(biāo)及設(shè)計的Z向10種布置安裝緊固形式為優(yōu)化變量。

使用Isight優(yōu)化軟件，將改進(jìn)的優(yōu)化分析方法的整合，變量參數(shù)的選擇使用DOE拉丁方試驗法采點，形成最終結(jié)果數(shù)據(jù)，見表1。

其中安裝點及加強(qiáng)點位置參數(shù)應(yīng)在設(shè)計可實現(xiàn)的區(qū)間內(nèi)選擇，安裝緊固形式1-10分別代表一種安裝形式。

循環(huán)計算220次后，選擇最優(yōu)結(jié)果對應(yīng)的結(jié)構(gòu)布置形式如圖8所示。

經(jīng)過優(yōu)化，該保險杠剛度分析其薄弱點由優(yōu)化前的14.736mm降為6.264mm，與傳統(tǒng)優(yōu)化方法相比，薄弱點的剛度性能提高了約12%。

經(jīng)過剛度舒適度優(yōu)化后確定的結(jié)構(gòu)設(shè)計，制造成型的保險杠如下圖9所示。該車型上市后，收到了售后問題中關(guān)于保險杠剛度按壓的問題顯著減少。

5 結(jié)論

（1）面對保險杠系統(tǒng)感知舒適剛度CAE分析中模型建立低效的難題，使用Tcl＼Tk語言編制了腳本提高建模效率，工程實踐中使此二次開發(fā)程序進(jìn)行建模的過程去除了重復(fù)步驟，提高了工作效率。

（2）感知舒適度剛度優(yōu)化時，安裝點形式及加強(qiáng)位置后變動后，剛度較差點位置也隨之發(fā)生移動，針對這個問題，本文研究并開發(fā)了剛度感知舒適度分析的優(yōu)化方法，使用二次開發(fā)的建模程序和Isight整合調(diào)用各軟件，使用該方法優(yōu)化后可以得到剛度性能最優(yōu)的保險杠結(jié)構(gòu)布置形式，為工程實踐中保險杠感知舒適剛度問題提供了一種快速高效的解決方法。

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