新能源汽車前防撞梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化仿真與耐撞性提升研究

侯 凱，范艷輝，趙長(zhǎng)利

（山東交通學(xué)院汽車工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250357）

0 引 言

前防撞梁是在汽車碰撞過(guò)程中的第一道屏障，前防撞梁在碰撞過(guò)程中通過(guò)改變形變量，來(lái)減輕汽車前部損壞[1]。同時(shí)，新能源汽車質(zhì)量的大小與續(xù)航里程相關(guān)聯(lián)，前防撞梁輕量化設(shè)計(jì)能增加行駛里程，還能節(jié)省汽車制造成本。因此，開展新能源汽車前防撞梁耐撞性及輕量化研究具有重要意義。目前，國(guó)內(nèi)外很多的學(xué)者對(duì)前防撞梁進(jìn)行了研究，國(guó)外學(xué)者TANLAK.N 等[2]從防撞梁的橫梁出發(fā)，對(duì)其材料和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，在保證碰撞效果最大化的前提下，讓前防撞梁的質(zhì)量最小化。GAO 等[3]采用全局響應(yīng)算法對(duì)防撞梁進(jìn)行優(yōu)化，改變了防撞梁的材料屬性，用更強(qiáng)的碳纖維代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋁制材料。國(guó)內(nèi)蔣榮超等[4-5]采用基于TOPSIS 法對(duì)防撞梁進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后的防撞梁質(zhì)量降低,吸能量明顯提升，碰撞力峰值顯著下降。

在新能源汽車輕量化設(shè)計(jì)的過(guò)程中有多種途徑，例如使用更輕的材料或者是更加先進(jìn)的制造流程來(lái)制造防撞梁，但這些方式會(huì)導(dǎo)致總體成本上升。因此，考慮到控制新能源汽車成本不大幅度提升的同時(shí)兼顧耐撞性，可以在原材料屬性以及制作流程中保持恒定不變的基礎(chǔ)上，只改變橫梁和吸能盒的形狀和厚度，在耐撞性和輕量化之間尋求最優(yōu)解。

1 前防撞梁碰撞模型構(gòu)建與驗(yàn)證

首先建立前防撞梁碰撞模型并驗(yàn)證碰撞模型的有效性，其次基于LS-DYNA 軟件開展前防撞梁正面100%全寬碰撞仿真試驗(yàn)并深度分析仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)，找出構(gòu)建的前防撞梁模型在碰撞后的不足；最后針對(duì)不足通過(guò)改變前防撞梁的結(jié)構(gòu)，在實(shí)現(xiàn)前防撞梁總成吸能量最大化的基礎(chǔ)上利用全局響應(yīng)面法，面向多目標(biāo)問(wèn)題，在眾多Pareto 解集中尋找最大最優(yōu)解集，實(shí)現(xiàn)前防撞梁質(zhì)量最小化[6]。

1.1 碰撞模型構(gòu)建

此次研究中首先就是構(gòu)建新能源汽車前部防撞梁的正面100%全寬碰撞模型，如圖1 所示。借助Hypermesh 軟件完成有限元分析前的準(zhǔn)備工作，搭建好前部防撞梁整體模型，前防撞梁各部件均采用鋁制材料，各部位材料性能參數(shù)見表1；使用spotaweld 單位將建好的模型連接起來(lái)，將網(wǎng)格的單元尺寸設(shè)置為5 mm；設(shè)定橫梁、吸能盒上蓋板與下蓋板的厚度分別為1.8、2.0、2.3 mm。此次設(shè)計(jì)中前防撞梁模型共涵蓋了18 256 個(gè)單元、18 459 個(gè)節(jié)點(diǎn)。

表1 防撞梁總成各部分參數(shù)

圖1 前防撞梁正面100%碰撞模型

1.2 模型有效性驗(yàn)證

設(shè)置碰撞裝置相關(guān)參數(shù)：碰撞速度為50 km/h，防撞梁總成之間的接觸面積的靜摩擦系數(shù)和動(dòng)摩擦系數(shù)均設(shè)置為0.20，防撞梁與固定剛性墻之間的摩擦系數(shù)設(shè)置為0.16，設(shè)計(jì)時(shí)間為0.15 s，重力加速度為9.81 m/s2。使用LS-DYNA 求解器獲得測(cè)試結(jié)果。如圖2 所示，在本次碰撞過(guò)程中，整體的總能量沒(méi)有發(fā)生損耗，總體保持不變，但新能源汽車的動(dòng)能隨著時(shí)間的變化逐漸減少，內(nèi)部能量逐漸增加，最終接近平衡[7]。在碰撞過(guò)程中，曲線規(guī)律合理平穩(wěn)變化，碰撞過(guò)程中沙漏能量的最大比例為0.256%，遠(yuǎn)低于整個(gè)碰撞過(guò)程中總能量的5%，表明模型精度較高。

圖2 模型有效性驗(yàn)證

2 碰撞仿真試驗(yàn)分析

2.1 仿真試驗(yàn)

將新能源汽車前部防撞梁總成撞擊固定剛性墻的文件導(dǎo)入到LS-DYNA 求解器進(jìn)行求解計(jì)算，利用Hyperview 軟件完成碰撞仿真試驗(yàn)的后續(xù)處理。本次碰撞過(guò)程中只需要進(jìn)行到吸能盒趨于完全壓潰即可。如圖3 所示，在整個(gè)碰撞中每隔5 ms 選取一個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，在這期間觀察總成的形變情況。

圖3 前防撞梁總成在不同時(shí)刻的變形

由圖3 可見，在時(shí)間到達(dá)5 ms 時(shí)，橫梁已經(jīng)發(fā)生明顯變形，但由于剛開始橫梁吸收了絕大部分的能量，傳遞給吸能盒的能量較少，吸能盒形狀未發(fā)生較大的改變；當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)展到15 ms 的時(shí)候，橫梁所吸收的能量已經(jīng)完全飽和，剩余能量需要吸能盒吸收，此時(shí)的吸能盒開始有肉眼可見的明顯變形；隨著時(shí)間的增加，能量逐漸的增大，在試驗(yàn)進(jìn)展到25 ms時(shí)，吸能盒所吸收的能量已經(jīng)到達(dá)了極值狀態(tài)，吸能盒已經(jīng)完全壓潰。

2.2 耐撞性與輕量化分析

在判定前防撞梁耐撞性和輕量化是否符合要求，主要依靠的是吸能量E、最大碰撞力值Fmax、平均碰撞力值Fave、比吸能SEA 以及侵入值D這幾個(gè)指標(biāo)來(lái)進(jìn)行量化。吸能量E是指防撞梁總成所在壓潰過(guò)程中吸收的能量。最大碰撞力值Fmax表示前防撞梁總成結(jié)構(gòu)受到的最大沖擊力。如表2 所示，前防撞梁碰撞仿真中各個(gè)指標(biāo)的參數(shù)值。

表2 前防撞梁正面100%碰撞仿真中各指標(biāo)參數(shù)值

由圖4 可知，在碰撞過(guò)程中，最大吸能量E的數(shù)值約為8.756 2 kJ，由圖5 前防撞梁碰撞力曲線可知，碰撞力峰值約為351.25 kN?？傮w而言，總吸能量仍有提高的空間，而碰撞力的峰值相對(duì)略高，代表著加速度更大，導(dǎo)致沖擊力更大。因此，為了提高車輛碰撞結(jié)構(gòu)安全性，在最大限度地提高吸能量數(shù)值的同時(shí)還需要限制碰撞力的峰值避免過(guò)高。

圖4 前防撞梁吸能量曲線

圖5 前防撞梁碰撞力曲線

3 優(yōu)化數(shù)學(xué)模型

前防撞梁的優(yōu)化涉及許多變量，需要大量的工作量，為了提高優(yōu)化的效率，大多數(shù)研究只涉及對(duì)每個(gè)響應(yīng)大小基本效果有重大影響的變量。本文優(yōu)化的目標(biāo)是最大限度的增大前防撞梁橫梁和吸能盒的總吸能量E，最大限度地減小前防撞梁橫梁和吸能盒的碰撞力峰值Fmax，來(lái)保證防撞梁后方部件的安全性，在優(yōu)化輕型結(jié)構(gòu)時(shí)，M的質(zhì)量應(yīng)保持在最小值。明確各個(gè)約束條件后，即可構(gòu)造出優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型。

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了確保優(yōu)化設(shè)計(jì)的可靠性和模擬實(shí)驗(yàn)的高精度，有必要在樣本空間中創(chuàng)建足夠均勻的樣本，然后對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)擬合以獲得近似模型，或者進(jìn)行插值以獲得近似模式。最后，利用該近似模型對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。

本文利用哈默斯利法生成100 個(gè)哈默斯利樣本數(shù)據(jù)點(diǎn)，對(duì)這100 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)模型近似擬合。

3.2 模型擬合

近似模型的擬合精度可通過(guò)決定系數(shù)R2和校正決定系數(shù)Radj2進(jìn)行評(píng)判。決定系數(shù)R2和校正決定系數(shù)Radj2計(jì)算公式如下：

式中：p為變量數(shù)量;分別為各響應(yīng)的實(shí)際值、近似模型的預(yù)測(cè)值、實(shí)際值的平均值；N為單個(gè)構(gòu)件質(zhì)量。

由結(jié)果可知擬合精度參數(shù)響應(yīng)R2總吸能量E=0.953 2 kJ，碰撞力峰值Fmax=0.941 3 kN，Radj2的總吸能量E=0.948 6 kJ，碰撞力峰值Fmax=0.932 7 kN。由于R2和Radj2均在0.9 以上，說(shuō)明模型設(shè)計(jì)合理，可以進(jìn)行下一步的結(jié)構(gòu)優(yōu)化[8]。

4 前防撞梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

從LS-DYNA 求解器得出的計(jì)算結(jié)果可知，前防撞梁總成模型在碰撞過(guò)程中沿水平方向的變形量較大，前防撞梁中部發(fā)生較大的彎曲變形，給后方部件帶來(lái)不同程度的擠壓，由此說(shuō)明防撞梁偏軟。為此在原有的防撞梁在材質(zhì)、生產(chǎn)工藝不改變的基礎(chǔ)上，運(yùn)用全局響應(yīng)面法，從橫梁和吸能盒的厚度、結(jié)構(gòu)樣式出發(fā)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。

4.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

全局響應(yīng)面法是隨機(jī)選擇接近初始值的優(yōu)化起點(diǎn)，然后在每個(gè)迭代步驟創(chuàng)建一個(gè)全局搜索設(shè)計(jì)點(diǎn)，以響應(yīng)面的自主更新。該算法將局部搜索和全局搜索相結(jié)合，快速獲得最佳全局解。本文基于一個(gè)近似模型使用全局響應(yīng)面法進(jìn)行500 次迭代以獲得優(yōu)化的Pareto解集。由于迭代次數(shù)過(guò)多，不可能提取所有Pareto 解。如表3 所示，只提取了15 個(gè)允許的Pareto 解集。

表3 部分Pareto 優(yōu)化解

表4 近似模型和仿真結(jié)果比較

表3 包含15 組優(yōu)化的Pareto 解決方案。下面列舉了符合不同目標(biāo)和要求的設(shè)計(jì)解決方案。如果想要前防撞梁能最大程度的吸收較大的能量，則可以選擇第2、7 和9 組的解決方案。如果強(qiáng)調(diào)前防撞梁的輕量化，則可以使用第3、5、6 和10 組的解決方法。如果想同時(shí)考慮吸能量和質(zhì)量，可以選擇第8、12 和15 組的解決方案。由表3 可知唯有第8 組解既兼顧了吸能量又兼顧了輕量化，符合最優(yōu)解標(biāo)準(zhǔn)，因此選取該組為優(yōu)化最終解。

4.2 碰撞安全性分析

根據(jù)圖6（a）可以看出，改進(jìn)前防撞梁的前部為扁平狀，不利于吸能，容易對(duì)汽車防撞梁后部件造成損傷，圖6 可以看出改進(jìn)后的汽車防撞梁的形狀變成了拱橋狀，增大了吸能緩沖區(qū)距離，有利于更好地增大汽車總吸能量[9]。由圖7 可以看出，總吸能量曲線在大概碰撞開始7 ms 的時(shí)候就較改進(jìn)之前有明顯的提升，最大碰撞力數(shù)值由改進(jìn)之前的351.25 kN降低到307.28 kN，最大值發(fā)生了顯著的下降。從表5中能夠看出，汽車前防撞梁在改進(jìn)之后，其總吸能數(shù)值提升了1.125 9 kJ，同比增加12.85%，總質(zhì)量降低了0.18 kg，同比減少4.17%，最大碰撞力數(shù)值降低了43.97 kN，同比減少12.52%，比吸能數(shù)值增大了360.09 J/kg，同比增加17.76%。由此可以得出，汽車前防撞梁在改進(jìn)之后耐撞性、輕量化方面也有顯著改善[10]。

表5 汽車前防撞梁改進(jìn)前后性能參數(shù)對(duì)比

圖6 防撞梁改進(jìn)前后對(duì)比

圖7 改進(jìn)前后前防撞梁總吸能曲線圖以及碰撞力曲線圖

如圖8 所示，由于前防撞梁和吸能盒的材料沒(méi)有變化，只改變了形狀和厚度。如圖9 所示，吸能盒改進(jìn)前最大碰撞力為237.21 kN，改進(jìn)后最大碰撞力為229.52 kN，峰值碰撞力比優(yōu)化前降低了7.69 kN，降低了3.24%，同時(shí)吸能盒能量轉(zhuǎn)化時(shí)間由之前的83 ms，提前到77 ms，說(shuō)明優(yōu)化后吸能盒動(dòng)能和內(nèi)能之間轉(zhuǎn)化的效果要比優(yōu)化之前好。

圖8 吸能盒前后對(duì)比

圖9 100%正面碰撞吸能盒碰撞力

5 結(jié) 語(yǔ)

在相同碰撞條件下，可以看出通過(guò)對(duì)前防撞梁的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，總吸能量相較于改進(jìn)之前提升了12.85 %、輕量化程度提高了4.17%,而吸能盒則相較于之前吸能時(shí)間提前了大約5 ms，最大碰撞力降低了3.24%。由此可知，改進(jìn)優(yōu)化后的汽車前防撞梁耐撞性得到了極大的提升，優(yōu)化達(dá)到了預(yù)期效果。說(shuō)明對(duì)新能源汽車防撞梁進(jìn)行的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，能夠在輕量化的前提下，提高前防撞梁的耐撞性和吸能特性，為整車安全性能的研究提供了一種新的方法。