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车身前部抗撞性优化的研究

禤伟旗  
【摘要】: 车身前部抗撞性优化的研究 现今,交通事故是一个非常严重的社会问题。特别是在中国,尽管人均拥有车辆的数字很低,但交通事故发生的几率非常高。汽车碰撞安全性是现代汽车工业研究的最关键内容之一。在汽车碰撞安全性的研究中,碰撞仿真技术被广泛采用。仿真技术可用来分析、优化汽车的抗撞性能。随着数值模拟仿真技术的不断发展,寻求更加适用于汽车碰撞安全性优化设计的方法,具有十分重要的工程意义和学术价值。车身结构作为主要的车辆吸能部件,必须具备优良的吸能特性来保证发生碰撞事故时避免乘员伤亡。 本文系统地研究了车身前部主要吸能部件:保险杠和前纵梁结构在动态碰撞过程中的力学特性。为了提高这部分结构的吸能特性,以此降低乘员伤亡的程度,文中详尽的介绍了具体的优化方法及流程: 首先有必要介绍并研究非线性有限元理论,其中包括基于Lagrangian法的控制方程、汽车碰撞有限元模拟中的主要单元、显式时间积分算法和接触对搜索方法等。在汽车碰撞过程中涉及到材料非线性、几何非线性和边界非线性这三类非线性问题的同时发生,具有高度的复杂性,这些理论可以很好的指导对汽车碰撞问题的有限元模拟,属于本文工作的理论基础。 针对结构拓扑修改问题中自由度增加的情况,利用Guyan减缩方法建立凝聚方程,将新的自由度包含于新的分析模型中,并提出了一种基于Lanczos迭代算法的静态重分析方法。根据初始分析结果,有针对地选取预条件子,并对相应预条件系统的系数矩阵进行优化,得到系数矩阵条件数显著减小的系统,而后应用新的预条件Lanczos迭代算法得到拓扑修改后结构的响应。通过算例证明了此方法能够大幅提高收敛速度,并验证了方法的正确性和有效性。此部分工作为后续非线性分析中的结构修改及拓扑优化问题奠定了基础。 尽管计算机技术在求解非线性问题中存在着优势,但对于大型结构、复杂的非线性大变形问题,如车辆的碰撞问题,在数值模拟上的投入往往非常巨大。因此,对于车辆的抗撞性优化设计问题,如何避免大规模的灵敏度计算,是提高设计效率的关键。本文中提出了一种基于静力学应变能计算的方法,应变能密度法。通过将碰撞过程中的动态载荷等效为不同方向的静态载荷,求解结构的应变能密度,以此综合衡量局部结构的承载贡献量。而后基于不同的承载贡献程度,划分不同的区域,进行多区域的拓扑优化。这种拓扑优化方法可以帮助设计人员在优化的过程中有效地控制不用区域的材料分配,以此设计出更为合理的复杂的大型结构。作为车辆发生前部碰撞时主要的变形吸能结构——前纵梁结构,通过应用应变能密度法及多区域的拓扑优化技术,得到了较为合理的材料分布。 前纵梁前部的直梁部位是否能够充分地压溃变形,对于整体的吸能特性有着很大的影响。诱导槽结构的尺寸、形状、布置的位置,对于前纵梁的吸能性能有着不同程度的影响。本文在直梁部位的边缘合理布置了小尺寸的方形诱导槽,这种布置形式不仅符合材料分布的分析结果,而且在制造工艺上较容易实现。加强板结构通常在薄壁覆盖件的内侧,并且形状与被加强件相似,厚度与被加强件相同或略厚。因此将加强板布置于出现局部塑性铰的位置,可以在重量增加极少的前提下,避免前纵梁局部塑性铰的过早出现,充分发挥了前部直梁部位的溃缩变形的吸能作用,有效地提高了整体结构的吸能特性。最终的对比分析也证明了文中的方法及流程对于提高前纵梁抗撞性问题的优越性和高效性。 另外一个解决非线性优化问题的策略就是利用代理模型的方法。这种方法能够在产品的优化或者概念设计阶段,有效地避免利用详细模型计算的复杂性。在构造代理模型时,试验点的选择是很重要的,任意选择的试验点会导致不精确的代理模型甚至构造不出模型。试验设计可以帮助确定合理的试验点,其宗旨是最大程度地提高试验精度和效率。为了能够建立准确描述保险杠结构在低速车辆前部碰撞时的吸能特性的代理模型,本文利用中心组合试验设计方法在样本区间中合理分布试验点。中心组合试验设计可以利用较少的试验建立一个精度高、统计性质好的代理模型,并能够解决试验优化问题。基于中心组合试验设计的样本分析结果,本文分别利用最小二乘法和Kriging法进行了代理模型的构造,并进行了误差分析。综合衡量保险杠的低速抗撞性优化问题的特征及两种方法的各自特点,选择了基于最小二乘法得到的代理模型作为后续的优化对象。 此外,在得到代理模型后,利用粒子群优化方法来优化结构的抗撞性问题。文中基于罚函数法将有约束的优化问题转化为无约束的优化问题,并给定了初始参数,以此利用粒子群优化方法来优化保险杠结构的低速抗撞性。最后的结果对比可以看出:在不违反约束条件下,整体的吸能性有了一定程度的提高,并且最大碰撞力及整体质量都有所下降,达到了优化的目标。


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