基于反求理論的汽車安全性優(yōu)化分析論文

　　隨著汽車數(shù)量的不斷增長(zhǎng)，交通事故的頻繁發(fā)生，安全性優(yōu)化在汽車設(shè)計(jì)過(guò)程中的地位越來(lái)越重要。文獻(xiàn)分別對(duì)汽車車架和B柱進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，將其應(yīng)用到整車的優(yōu)化中。文獻(xiàn)從汽車整體性能的角度出發(fā)對(duì)車身多處結(jié)構(gòu)的厚度進(jìn)行計(jì)算，考慮其對(duì)汽車碰撞性能的影響。文獻(xiàn)對(duì)一種客車的側(cè)翻安全性進(jìn)行評(píng)估，并對(duì)其上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定改進(jìn)。文獻(xiàn)利用響應(yīng)面技術(shù)對(duì)車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。文獻(xiàn)在考慮響應(yīng)面的同時(shí)還利用了逐步回歸模型，對(duì)汽車碰撞的安全性進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)考慮到了材料特性對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，并與不考慮材料特性時(shí)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較。在上述研究中，大部分關(guān)于汽車安全的分析并沒(méi)有考慮材料特性參數(shù)對(duì)汽車安全性能的影響，有些雖然己經(jīng)得到了材料的各種彈塑性參數(shù)，并且考慮到材料參數(shù)變化對(duì)汽車安全性的影響，但只是利用了通用的特性參數(shù)，并沒(méi)有針對(duì)某一特定材料求出其對(duì)應(yīng)的參數(shù)。

　　在零件的加工過(guò)程中，由于飯金件的沖壓以及環(huán)境溫度等的變化，材料的特性也會(huì)隨之變化，從而使得材料的一些參數(shù)發(fā)生變化，與通用的參數(shù)值產(chǎn)生一定的差距。當(dāng)對(duì)實(shí)際過(guò)程進(jìn)行模擬試驗(yàn)時(shí)，由于利用了默認(rèn)的參數(shù)值，使得模擬與試驗(yàn)結(jié)果的差距變大。

　　針對(duì)上述方法的不足，通過(guò)反求方法求出某種材料準(zhǔn)確的特性參數(shù)，并將其應(yīng)用到某重卡駕駛室翻滾模擬試驗(yàn)中，對(duì)駕駛室進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，從而提高駕駛室的安全性。

　　1背景

　　車輛翻滾的事故率在交通事故中所占的比例并不是很高，但是一旦發(fā)生，乘員死亡在所有的交通事故中卻占很大的比例。車輛翻滾主要發(fā)生在車輪滑到路邊小溝時(shí)或者撞到路邊的邊護(hù)欄時(shí)。當(dāng)汽車在高速路上行駛時(shí)，如果遇到比較滑的標(biāo)志線，也有可能由于失去控制而發(fā)生翻滾。

　　利用某重卡駕駛室模型，通過(guò)對(duì)頂蓋的頂壓試驗(yàn)來(lái)模擬翻滾試驗(yàn)對(duì)駕駛員乘坐空間的影響。

　　2材料參數(shù)反求

　　2. 1反求方法及流程

　　參數(shù)反求是將試驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)與利用有限元仿真計(jì)算出的數(shù)據(jù)作比較，得到誤差函數(shù)公式為式中:X為待求材料參數(shù)向量;m為測(cè)試點(diǎn)總數(shù);在第1個(gè)時(shí)間點(diǎn)下加速度的有限元仿真響應(yīng)值;為在第i個(gè)時(shí)間點(diǎn)下的試驗(yàn)測(cè)試響應(yīng)值。通過(guò)不斷調(diào)整所求參數(shù)，直到誤差函數(shù)值在變量變化的范圍內(nèi)最小，從而得到所求的參數(shù)值。由于各點(diǎn)處的試驗(yàn)值相差較大，為了保證所有的測(cè)試點(diǎn)都有大致相同的概率被優(yōu)化，對(duì)其進(jìn)行歸一化處理。

　　將仿真過(guò)程中碰撞臺(tái)車B柱處的加速度曲線與試驗(yàn)測(cè)得的曲線作比較。采用LSYNA碰撞仿真軟件模擬臺(tái)車試驗(yàn)，其中吸能盒材料DC04采用式(2)所示的動(dòng)態(tài)本構(gòu)關(guān)系。在有限元仿真中，可以直接輸入材料的應(yīng)變率參數(shù)C和P，或者通過(guò)載入多條不同應(yīng)變率的應(yīng)力應(yīng)變曲線來(lái)代替應(yīng)變率參數(shù)的輸入。由于本文的目的是為求得材料的應(yīng)變率參數(shù)，所以在建立有限元模型時(shí)，直接輸入材料應(yīng)變率參數(shù)來(lái)定義材料的性質(zhì)。采用遺傳算法對(duì)應(yīng)變率參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。將C和P作為決策變量，取模擬與試驗(yàn)之間的差距作為目標(biāo)函數(shù)。利用遺傳算法進(jìn)行不斷迭代優(yōu)化，求得差距的最小值，從而得到材料的應(yīng)變率參數(shù)。

　　反求過(guò)程具體步驟如下:

　　1)給定吸能盒的幾何參數(shù)，確定吸能盒的U型板和腹板之間焊點(diǎn)的位置。

　　2)將吸能盒平整地焊接在試驗(yàn)臺(tái)車上，對(duì)其進(jìn)行碰撞試驗(yàn)。利用臺(tái)車B柱處的加速度傳感器采集碰撞過(guò)程中臺(tái)車的加速度，得到其隨時(shí)間變化的曲線。

　　3)建立吸能盒碰撞仿真模型。利用有限元軟件模擬吸能盒碰撞過(guò)程，模擬的吸能盒尺寸及材料均與試驗(yàn)中的材料參數(shù)相同。采集與步驟(2)中同一位置處的加速度曲線。

　　4)根據(jù)加速度曲線的變化采集若干個(gè)時(shí)刻處的加速度值。通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真計(jì)算數(shù)據(jù)之間的差距得到誤差函數(shù)值。

　　5)利用遺傳算法不斷修改應(yīng)變率參數(shù)并進(jìn)行迭代計(jì)算，求得誤差函數(shù)最小時(shí)的應(yīng)變率參數(shù)，即為反求得的參數(shù)。

　　2. 2有限元模型的建立及計(jì)算

　　模擬的吸能盒與試驗(yàn)的幾何參數(shù)完全一致，在臺(tái)車上配以適當(dāng)重量來(lái)代替試驗(yàn)中的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，使仿真重量與試驗(yàn)臺(tái)車重量一致。在Hypermesh中利用剛性墻來(lái)模擬試驗(yàn)中的碰撞接觸。臺(tái)車的初始速度設(shè)定為25 km/h。

　　臺(tái)車的模擬主要采用剛性材料;在Hypermesh中采用四邊形網(wǎng)格處理吸能盒，共有節(jié)點(diǎn)9 24。個(gè)，網(wǎng)格8 920個(gè)。吸能盒各網(wǎng)格尺寸均控制在5 mm以內(nèi)。

　　3某重卡駕駛室白車身優(yōu)化

　　利用反求方法得到了試驗(yàn)中吸能盒的材料特性參數(shù)。將該材料應(yīng)用到某重卡駕駛室的白車身結(jié)構(gòu)，并利用有限元模擬其在翻滾試驗(yàn)中的安全性，根據(jù)汽車翻滾的要求，在對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化時(shí)要考慮到駕駛員乘坐空間的變化，使其在變形后仍能保證駕駛員的安全。所以本文以頂蓋在駕駛員位置的壓縮量最小化和卡車駕駛室質(zhì)量最小化為目標(biāo)建立多目標(biāo)優(yōu)化模型。同時(shí)駕駛室側(cè)圍的吸能不超過(guò)給定值，對(duì)駕駛室頂蓋和側(cè)圍的厚度進(jìn)行優(yōu)化，建立如下的多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題:

　　4結(jié)論

　　1)利用與車身相同的材料建立了吸能盒碰撞的仿真模型。給碰撞臺(tái)車設(shè)置一定的初始速度，使得吸能盒與剛性墻進(jìn)行碰撞。在碰撞臺(tái)車上裝有加速度傳感器，采集了臺(tái)車中間位置處的加速度曲線。

　　2)利用仿真軟件構(gòu)造與試驗(yàn)相同的模型并對(duì)其進(jìn)行碰撞計(jì)算，得到了模擬的加速度曲線。

　　3)將1)和2)中得到的兩條曲線進(jìn)行比較，并通過(guò)反求技術(shù)求出材料的應(yīng)變率參數(shù)。相對(duì)于默認(rèn)的參數(shù)值，C和P分別增大了7. 89%和減小了1. 51%。

　　4)在對(duì)汽車翻滾模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，利用遺傳算法得到了一組解。相對(duì)于其它的優(yōu)化結(jié)果，給設(shè)計(jì)者提供了多個(gè)參考值。

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