關(guān)于汽車用鋁合金吸能盒結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

朱震南　曾東建

摘要：汽車重量是汽車消耗能源的重要因素，為了減小汽車的耗能對(duì)其進(jìn)行減重成為重要的研究課題。鋁合金是汽車材料的重要組成部分，對(duì)其減重性能分析具有重要意義。基于近似模型計(jì)算和數(shù)值優(yōu)化方法，對(duì)其進(jìn)行碰撞仿真分析，進(jìn)而確定其相關(guān)的參數(shù)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行不同截面形狀的對(duì)比分析研究得到最優(yōu)的截面形狀。最后通過實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了其方法的有效性、科學(xué)性，能夠?yàn)檫M(jìn)一步進(jìn)行鋁合金吸能盒的減重研究提供參考。

關(guān)鍵詞：鋁合金吸能盒；近似模型計(jì)算；數(shù)值優(yōu)化方法；碰撞仿真分析；截面面積

隨著全球化石燃料的日益消耗，能源成為21世紀(jì)極為重要的資源。汽車是目前消耗化石能源的重要源泉之一。根據(jù)相關(guān)的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)汽車減重10%時(shí)能夠節(jié)約油的用量大約為3%到6%。因此，如何實(shí)現(xiàn)汽車的減重成為減少汽車汽油消耗的重要途徑。根據(jù)汽車工業(yè)的相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)汽車采用典型的鋁質(zhì)零部件時(shí)，能夠?qū)⑵渲亓繙p輕大約30%到40%，如果進(jìn)行二次減重甚至可以達(dá)到大約50%。因此，通過進(jìn)一步的研究鋁質(zhì)材料，能夠進(jìn)一步的減輕其重量。近年來通過對(duì)鋁質(zhì)材料的研究日益深入，對(duì)一些薄質(zhì)鋁質(zhì)材料進(jìn)行分析，并對(duì)其性能進(jìn)行沖擊檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其具有較好的結(jié)構(gòu)形式。如果將這些薄質(zhì)材料應(yīng)用于汽車工業(yè)中，能夠極大的減輕汽車的重量。本文基于傳統(tǒng)的優(yōu)化理論思想并在仿真分析的基礎(chǔ)上，采用某鋁質(zhì)材料通過大量的仿真分析和實(shí)驗(yàn)，建立以碰撞性能為基準(zhǔn)指標(biāo)，并應(yīng)用響面優(yōu)化的方法對(duì)其參數(shù)和尺寸進(jìn)行優(yōu)化分析，通過分析和研究能夠得出較為滿意的結(jié)果。

1響應(yīng)表面優(yōu)化法

所謂響應(yīng)表面優(yōu)化法是一種通過將實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，并采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)進(jìn)行結(jié)合來建立相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膬?yōu)化方法。采用此方法，通常需要建立以下幾個(gè)步驟：一是通過對(duì)實(shí)際模型進(jìn)行簡(jiǎn)化分析，進(jìn)而確定近似模型的形式；二是通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和仿真分析的方法采集足夠的性能參數(shù)，方便后續(xù)研究；三是通過應(yīng)用最小二乘法并應(yīng)用步驟二中基礎(chǔ)數(shù)據(jù)建立各個(gè)響應(yīng)的近似數(shù)學(xué)模型。在實(shí)際應(yīng)用過程中，首先需要應(yīng)用合適的數(shù)學(xué)構(gòu)造方法進(jìn)行建模并進(jìn)行尋優(yōu)計(jì)算，最后為了檢測(cè)其性能采用誤差來進(jìn)行檢測(cè)，如果能夠滿足實(shí)際工程誤差，則得到最優(yōu)的解，若不能滿足則需要重新構(gòu)造或者進(jìn)行優(yōu)化。

2鋼制吸能盒碰撞分析

為了能夠有效對(duì)其思想進(jìn)行說明，采用某一種乘用車設(shè)計(jì)制造新的鋁合金盒進(jìn)行說明。其具體步驟為：第一步，通過大量的碰撞仿真分析，采用在HYPERM ESH中建立仿真模型，并根據(jù)仿真模型對(duì)其性能進(jìn)行分析研究；第二步，在第一步的基礎(chǔ)上，依據(jù)RCAR法規(guī)中規(guī)定的保險(xiǎn)杠低速碰撞條件對(duì)其工況進(jìn)行詳細(xì)分析，并建立鋼制吸盒碰撞的仿真模型以及對(duì)其仿真分析得到的變形情況。依據(jù)上述步驟進(jìn)行仿真分析得到，該鋼制吸盒的屈服強(qiáng)度為344MPa，碰撞力峰值大約為78.6KN，最大變形量大約為102.7mm，平均的碰撞力為41.8kN。通過這些數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真分析發(fā)現(xiàn)：鋼制吸盒的變形大小反映其吸能性能的好壞，其值越大說明其性能越優(yōu)越。

3鋁合金吸能盒截面形狀的確定與參數(shù)優(yōu)化

通過對(duì)鋁合金的吸能進(jìn)行分析評(píng)估得到其最優(yōu)的截面形狀，通過分析評(píng)估發(fā)現(xiàn)，正八邊形雖然其吸能性能較為突出，但是其碰撞峰值過大，而不宜采用；如果采用正六邊形的鋁管材料，能夠使各個(gè)參數(shù)都更加均衡。因此，通過這些分析研究，最終確定將鋁合金吸盒的截面確定為正六邊形。確定好其形狀后，通過采用Is IGHT數(shù)學(xué)優(yōu)化軟件進(jìn)行模擬分析進(jìn)而確定其結(jié)構(gòu)參數(shù)和參數(shù)。具體思路為：一是確定優(yōu)化的目標(biāo)，本文以吸能盒的平均碰撞力和總能量作為優(yōu)化目標(biāo)；二是確定約束條件，即為碰撞力峰值、最大變形量、吸能盒質(zhì)量以及結(jié)構(gòu)和材料的參數(shù)；三是碰撞仿真分析方法的確定，本文以拉丁立方實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行空間的選取，并在此基礎(chǔ)上各個(gè)響應(yīng)曲面的系數(shù)矩陣；四是對(duì)模型進(jìn)行仿真分析評(píng)估，最后得出響應(yīng)的結(jié)論。本文通過采用上述思想和步驟，通過對(duì)某一實(shí)際的模型進(jìn)行仿真分析得到，數(shù)學(xué)優(yōu)化和仿真分析的參數(shù)不一樣，比如在力峰值方面，采用數(shù)學(xué)優(yōu)化法時(shí)，其值為77.6kN，而采用仿真分析方法時(shí)其值為76.7kN，誤差大約為-1.2%，說明存在一定的誤差。但同時(shí)對(duì)最大變形量、總吸能量和力均值進(jìn)行分析研究發(fā)現(xiàn)，這些參數(shù)的誤差范圍都在5%范圍內(nèi)，符合工程的實(shí)際需求。通過仿真得出，本文采用的方法具有科學(xué)性和可行性，能夠有效的指導(dǎo)工程的實(shí)際建設(shè)。

4實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

通過上文從理論上進(jìn)行分析，可以大致確定模型的相關(guān)參數(shù)，進(jìn)而可以進(jìn)行制造加工。但工藝具有一定的誤差，因此需要對(duì)實(shí)際進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，以確保質(zhì)量的性能。其具體步驟：一是實(shí)驗(yàn)室材料的準(zhǔn)備，主要是器材的準(zhǔn)備；二是實(shí)驗(yàn)時(shí)需要設(shè)置相關(guān)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，比如實(shí)驗(yàn)時(shí)的加載速度和加載距離；三是根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行分析，根據(jù)相關(guān)的參數(shù)確定其是否滿足要求。

5結(jié)語

本文通過對(duì)鋼制吸能盒的碰撞進(jìn)行相關(guān)的研究，制定相應(yīng)的評(píng)估參數(shù)指標(biāo)，然后對(duì)比分析不同截面下的碰撞性能確定最終的截面形狀。在此基礎(chǔ)上通過近似的響應(yīng)模型的優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)其參數(shù)和結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終確定最優(yōu)的方案。為了能夠檢驗(yàn)設(shè)備的質(zhì)量，通過采用靜態(tài)壓縮試驗(yàn)對(duì)比的方法驗(yàn)證其強(qiáng)度性能。最終發(fā)現(xiàn)，鋁合金通過工業(yè)的提高在減重時(shí)也能保障其強(qiáng)度性能。