氣囊誤作用擺錘試驗臺結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

呂立人

（上海交通大學，上海 200240）

氣囊誤作用擺錘試驗臺結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

呂立人

（上海交通大學，上海 200240）

簡要介紹了氣囊誤作用擺錘試驗臺的初始設計，將試驗臺的框架結(jié)構(gòu)作為研究對象，運用Pam-Crash軟件進行工況仿真，找出薄弱環(huán)節(jié)，對試驗臺框架結(jié)構(gòu)進行拓撲優(yōu)化，并且再次仿真，得到的優(yōu)化結(jié)果符合企業(yè)內(nèi)部對試驗臺抗沖擊性的要求，而且試驗驗證了仿真計算的準確性。試驗結(jié)果表明，對試驗臺的結(jié)構(gòu)改進是有效的。

氣囊誤作用；擺錘試驗；有限元仿真；拓撲優(yōu)化

自氣囊面世60多年來，在車輛碰撞事故中挽救了千千萬萬人的生命。但是，近年來，關于汽車氣囊在非事故性碰撞中誤點爆而傷害乘員的事件屢屢發(fā)生，即氣囊本身存在安全不確定性。

在某些日常行駛條件下，氣囊傳感器可能受到某些非事故性撞擊信號的干擾，或者車輛整車剛度比較小，經(jīng)過非事故性碰撞或者顛簸，會引起車身在氣囊傳感器位置的共振，從而誤將氣囊點爆，我們將其稱之為“氣囊誤作用”。這種“誤作用”不僅會使乘員受到傷害，而且也是一種浪費，會增加維修費用。因此，氣囊誤作用試驗成為了國內(nèi)外氣囊供應商和汽車制造企業(yè)的重點研究內(nèi)容。目前，綜合考慮到我國駕駛習慣和道路情況的氣囊誤作用試驗法規(guī)可能會在2017年年中以推薦性國家標準的形式面世。

在氣囊誤作用系列試驗中，擺錘打擊試驗模擬了日常生活中飛行的足球和滿載的購物車撞擊車身的情況，國內(nèi)針對這個試驗的非標設備尚屬少數(shù)。本文研究的是一臺具有通用特性的擺錘試驗臺。在研究初期，依照工程經(jīng)驗得到了試驗臺的初始設計方案，并以此作為起點，通過有限元模擬試驗工況，找到了試驗臺的薄弱環(huán)節(jié)，采用軟件拓撲優(yōu)化的方法再設計試驗臺框架結(jié)構(gòu)；之后再一次進行仿真，確定其滿足要求；最后通過試驗的方法驗證了仿真計算的準確性。

1 試驗臺初始方案

1.1 設計準則

擺錘打擊試驗臺屬于撞擊類試驗臺，如果試驗臺在試驗時存在因設計不佳而導致的機械振動，就會影響試驗精度。周而復始、長此以往的振動，勢必會縮短試驗臺的使用壽命。無論從試驗角度看，還是從企業(yè)成本角度看，這種結(jié)構(gòu)缺陷都是不能被允許的。筆者所在企業(yè)對這類試驗臺的要求是：①撞擊對試驗臺產(chǎn)生的振動加速度在±10 g區(qū)間內(nèi)；②撞擊對試驗臺產(chǎn)生的最大振動位移量不超過5 mm。

1.2 試驗臺的功能

此次設計的是一臺通用型氣囊誤作用擺錘試驗臺，它具有以下功能：①可完成足球撞擊等輕質(zhì)碰撞沖擊器的試驗；②可以完成購物車撞擊等重質(zhì)碰撞沖擊器的試驗；③重質(zhì)碰撞沖擊器和輕質(zhì)碰撞沖擊器的最高打擊速度不小于6.8 m/s。

1.3 試驗臺框架結(jié)構(gòu)

參考工程設計經(jīng)驗，試驗臺的核心部件，比如擺臂、擺臂提升機構(gòu)、擺臂移動機構(gòu)等通過連接板用螺栓緊固在龍門形框架上。龍門形框架分為上、中、下3個部分。整個框架結(jié)構(gòu)均是由標準方管焊接而成的。

龍門形框架上部分是由2個相同的矩形框上下拼接而成的頂框架，每個矩形框的內(nèi)部由長短不一的方管支撐矩形框的長短兩邊，在矩形框的四角焊接4塊三角形加強筋，以提高其結(jié)構(gòu)強度。龍門形框架下部分是左右兩邊站立著的支撐框架，將上、中2個部分支撐起來。每個支撐框架下部通過連接板用20個M16的螺栓與預埋的地基連接。

龍門形框架中間部分通過兩邊側(cè)框?qū)⑸舷聝刹糠诌B接起來。在頂框架與支撐框架、頂框架與側(cè)框之間增加斜向支撐來增加上、中、下3部分之間的連接強度。在“四邊形”結(jié)構(gòu)中增加更多的“三角形”，這是增強框架結(jié)構(gòu)的慣用做法。試驗臺初始設計如圖1所示。

2 基于Pam-Crash的有限元仿真

2.1 有限元模型建立

我們可以將CAD的模型格式直接導入到Hypermesh中，并且將一些對仿真沒有影響的零件簡化成具有相同外形、相同質(zhì)心位置的“塊”，比如電機、減速器、擺臂釋放機構(gòu)和不計算工況的輕質(zhì)擺臂等，這樣可以節(jié)約計算資源。仿真工況中的試驗車輛的有限元模型采用筆者所在單位現(xiàn)有的車輛有限元模型。

試驗臺框架結(jié)構(gòu)是用標準方管搭建而成的，單根方管的長度遠大于厚度，因此，采用殼（shell）單元。重質(zhì)擺臂的材料為304不銹鋼，厚度為5 mm。由于擺臂臂長為3.5 m，所以，重質(zhì)擺臂同樣采用殼（shell）單元。這2種材料的材料機械性能如表1所示。

試驗臺的網(wǎng)格劃分經(jīng)過Hypermesh處理后如圖2所示。

圖1 試驗臺初始設計

表1 材料機械性能表

圖2 試驗臺網(wǎng)格模型

2.2 邊界條件與載荷

按照初始設計方案，在試驗臺兩側(cè)的支撐框架底部設置位移約束，即使試驗臺牢固固定在試驗地面上。

試驗臺最大打擊能力為購物車碰撞沖擊器安裝在最低位置、重質(zhì)擺臂在90°擺角位置釋放所獲得的速度。根據(jù)理論計算，這個速度可以達到7.2 m/s。在考慮了一定安全裕度的條件下，設置打擊速度為7.5 m/s，設置速度載荷為7.5 m/s。

2.3 結(jié)果分析

采用PAM-CRASH求解器進行仿真計算，經(jīng)過處理，把結(jié)果輸出成如圖3和圖4的應力云圖和位移云圖。在試驗臺頂框架中間布置虛擬加速度傳感器，以監(jiān)測加速度信號。

圖3 試驗臺應力云圖

圖4 試驗臺位移云圖

至此可得出以下結(jié)論：①試驗臺框架結(jié)構(gòu)的應力從上至下減小，可見打擊后應力的方向是從上至下傳遞的；②應力的最大值出現(xiàn)在上頂框架的上方框，靠近中間位置；③在頂框架中，Y向方管所受的應力大于X向方管所受應力；④試驗臺框架結(jié)構(gòu)的振動位移量從上至下逐漸減小；⑤試驗臺的振動位移主要集中在試驗臺頂框架；⑥位移最大值出現(xiàn)在頂框架中間部位，位移量為8.03 mm，即“向后倒”，不滿足企業(yè)內(nèi)部對其5 mm的要求；⑦加速度信號最大值為5.83 g，滿足企業(yè)內(nèi)部要求。

綜上所述，需要采取相關措施來分散上頂框的應力，并且減小其在碰撞中的振動；增加Y向的支撐，減少“向后倒”的幅度。

3 試驗臺結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 拓撲模型建立

由拓撲優(yōu)化理論可知，試驗臺拓撲優(yōu)化的結(jié)果是包含在初始拓撲結(jié)構(gòu)中的，不需要對具體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行建模。因此，我們將“長方體塊”作為初始模型，即優(yōu)化區(qū)域。試驗臺框架結(jié)構(gòu)的拓撲優(yōu)化分成2塊進行——支撐框架和Y向加強支撐。對這2個優(yōu)化區(qū)域劃分網(wǎng)格、施加邊界條件和載荷，具體如圖5所示。

圖5 框形支撐（左）與Y向加強支撐（右）初始拓撲模型

圖6 框形支撐（左）與Y向加強支撐（右）拓撲優(yōu)化結(jié)果

3.2 拓撲優(yōu)化參數(shù)設定

3．2．1 目標函數(shù)

從成本和項目進度的角度考慮，優(yōu)化結(jié)果在滿足約束條件的情況下，應該盡可能結(jié)構(gòu)簡單、用材最省，所以，在選取目標函數(shù)時，確定以最小體積為優(yōu)化目標。

3．2．2 優(yōu)化變量

本文要得到的優(yōu)化結(jié)果是支撐框架和Y向加強支撐的最佳結(jié)構(gòu)，顯然優(yōu)化變量便是完整的“長方體塊”和“開洞”的“長方體塊”。

3．2．3 約束函數(shù)

為了減少試驗臺的振動位移量，使其能滿足企業(yè)內(nèi)部要求，約束函數(shù)設置為位移約束，位移的上限設置為2 mm。

3.3 優(yōu)化結(jié)果與分析

拓撲優(yōu)化結(jié)果如圖6所示，顏色越亮麗的地方就是越需要布置材料的地方，相反，顏色越深暗的地方表示該處材料布置的必要性不大。根據(jù)工程經(jīng)驗，可將這2個拓撲優(yōu)化結(jié)果重新建立成實用的工程結(jié)構(gòu)，具體如圖6所示。

3.4 優(yōu)化效果

為了驗證優(yōu)化的有效性，將優(yōu)化后的方案再一次進行工況仿真。同樣，把結(jié)果輸出成應力云圖和位移云圖，如圖7和圖8所示。

與優(yōu)化前的結(jié)果作對比，可以得出以下幾個結(jié)論：①總體來看，優(yōu)化后的試驗臺框架所受應力比試驗前減小。由此可知，Y向加強支撐的確分擔了一部分應力。②頂框架的應力減小最為顯著，所以，增強后部支撐使根基更穩(wěn)定的做法會使頂部應力減小。③優(yōu)化后的試驗臺框架的振動位移量比試驗前減小。由此可見，Y向加強支撐穩(wěn)定了試驗臺的振動。④位移最大值出現(xiàn)在頂框架中間部位，位移量4.31 mm，滿足企業(yè)內(nèi)部對其提出的5 mm要求。⑤加速度信號最大值為9.13 g，滿足企業(yè)內(nèi)部要求。優(yōu)化后的支撐框架和Y向加強支撐如圖9所示。

綜上所述，這2個優(yōu)化結(jié)果是有效的。

圖7 優(yōu)化后試驗臺應力云圖

4 仿真工況驗證試驗

4.1 試驗方法

驗證試驗在平整的試驗場地上進行，試驗條件要與仿真工況盡可能保持一致。打擊點選擇在試驗車輛車身剛度相對最大的位置，即B柱下門檻位置，與仿真工況保持一致。將購物車碰撞沖擊器的中心與試驗車輛B柱下門檻的中心位置對齊，將重質(zhì)擺臂提升至90°角位置后釋放，打擊試驗車輛，速度測量單元記錄下實際打擊速度。試驗后，通過布置在試驗臺頂框架的加速度傳感器來分析試驗臺在受到?jīng)_擊時的穩(wěn)定性。為了保證試驗的有效性，試驗重復3次進行，每一次的打擊試驗條件一致，共使用2部同款試驗車。

圖9 優(yōu)化后的支撐框架（左）和Y向加強支撐（右）

圖10 仿真與試驗加速度信號

4.2 試驗結(jié)果與仿真對比

在試驗臺頂部與仿真工況相同位置布置了加速度傳感器，3次試驗的加速度值非常接近，取其平均值，并將數(shù)據(jù)積2次分可以得到位移的信號。相關人員將試驗與優(yōu)化后的仿真結(jié)果作對比，如圖10、圖11所示。至此，可以得出以下幾個結(jié)論：①試驗臺的振動趨勢相近；②仿真中，試驗臺各部件間采用剛性連接，使得振動加速度信號在整體上更大一些；③試驗臺最大加速度為5.5 g；④試驗臺最大振動位移為3.27 mm。

綜上所述，仿真與驗證試驗結(jié)果相近，仿真可信；試驗臺最大振動加速度和最大振動位移均滿足企業(yè)內(nèi)部要求，優(yōu)化有效。

圖11 仿真與試驗位移信號

5 結(jié)束語

采用有限元仿真加拓撲優(yōu)化的方法，讓一個零件或者一個產(chǎn)品在生產(chǎn)制造前達到所期望的性能是現(xiàn)在越來越多企業(yè)的選擇。這樣做，不僅開發(fā)周期短，而且投入成本比較少。本文所用的試驗臺設計方法、拓撲優(yōu)化方法可以為類似試驗臺的設計、建造提供參考。

［1］唐波.中國汽車安全氣囊標準制訂的探討［J］.汽車與配件，2012（32）：13-15.

［2］鄭祖丹，俞晶鑫.乘用車安全氣囊匹配中誤作用試驗研究［J］.質(zhì)量與標準化，2011（10）：37-41.

〔編輯：白潔〕

U491.6+1

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.13.023

2095-6835（2017）13-0023-04

呂立人（1988—），上海人，上海交通大學在職碩士研究生，現(xiàn)主要從事汽車零部件安全試驗工作。