基于感知舒適度的乘用車保險(xiǎn)杠剛度評(píng)價(jià)方法研究

樊瑤雯 王超 蔡昱丹

摘 要：本文針對(duì)保險(xiǎn)杠感知舒適性優(yōu)化問題，根據(jù)傳統(tǒng)工程上使用CAE仿真方法及相關(guān)經(jīng)驗(yàn)積累基礎(chǔ)上，開發(fā)了基于感知舒適度的保險(xiǎn)杠剛度評(píng)價(jià)方法，以某乘用車前保險(xiǎn)杠為例，使用Tcl/Tk語(yǔ)言編寫二次開發(fā)模型，建立了計(jì)入非彈性階段材料性能和非彈性接觸的計(jì)算模型，經(jīng)LAS-DYNA軟件計(jì)算得到剛度結(jié)果，再確定優(yōu)化參數(shù)，并提出參數(shù)變動(dòng)范圍，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。最終計(jì)算證明，結(jié)合此評(píng)價(jià)方法識(shí)別并解決保險(xiǎn)杠剛度問題準(zhǔn)確，迅速，效率高。

關(guān)鍵詞：保險(xiǎn)杠;感知舒適度;剛度;評(píng)價(jià)方法

1 前言

乘用車保險(xiǎn)杠系統(tǒng)在實(shí)際工況中，由于其材料為塑料制品，與車身覆蓋件通常為鈑金件不同，在承受消費(fèi)者按壓、行駛中的低速碰撞等載荷下容易發(fā)生變形。乘用車保險(xiǎn)杠一般尺寸大、型面不規(guī)則、安裝布置不對(duì)稱，工程中處理其按壓偏軟的問題一般難度較大 [1]。

保險(xiǎn)杠受到外界載荷作用時(shí)，承受外力后抵抗變形及小面積塌陷、維持設(shè)計(jì)型面特征的性能稱為抗凹性，這項(xiàng)指標(biāo)對(duì)于評(píng)價(jià)保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量和使用性能具有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義[2]。

現(xiàn)有工程中，保險(xiǎn)杠剛度評(píng)價(jià)大多是根據(jù)試驗(yàn)測(cè)定的，隨著CAE仿真技術(shù)在工程開發(fā)中逐漸普及，現(xiàn)在使用有限元模擬技術(shù)來測(cè)定保險(xiǎn)杠的剛度性能已經(jīng)達(dá)到工程應(yīng)用水平[3]。

為使CAE模擬精確度更加提高，目前保險(xiǎn)杠剛度分析一般采用引入材料非線性、接觸非線性等參數(shù)的計(jì)算模型，使其精度大幅度提升，但此時(shí)，求解器對(duì)模型的前處理的要求也更高，一旦前處理仿真度不夠，則計(jì)算會(huì)出現(xiàn)精度偏差較大及不收斂的結(jié)果。因此，對(duì)現(xiàn)有技術(shù)人員的掌握CAE仿真分析保險(xiǎn)杠剛度的能力要求較高。比如在剛度分析分析中設(shè)計(jì)接觸面主次及相關(guān)單元設(shè)置、子件預(yù)接觸距離多少的設(shè)置，都對(duì)分析經(jīng)驗(yàn)要求很高。

由于保險(xiǎn)杠系統(tǒng)一般在乘用車設(shè)計(jì)中，采用塑料成型后噴涂車身漆的方法實(shí)現(xiàn)[4]，其塑料基材一般選用PP類材料，雖然PP類材料在耐高溫、耐沖擊、強(qiáng)度、剛度等方面不如GMT或ABS類材料，但是憑借其加工成型性能好，成本低廉的優(yōu)勢(shì)以及合適的性能而被廣泛使用[5]。

一般客戶在購(gòu)買車輛時(shí)認(rèn)為使用按壓的方法來評(píng)價(jià)汽車質(zhì)量時(shí)，容易認(rèn)為較軟的塑料件保險(xiǎn)杠抵御風(fēng)險(xiǎn)能力弱，導(dǎo)致心理舒適度降低，從而影響購(gòu)車體驗(yàn)。

在保險(xiǎn)杠剛度試驗(yàn)及CAE仿真計(jì)算中，分析人員對(duì)薄弱點(diǎn)的考慮一般根據(jù)個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)積累[6]，但由于保險(xiǎn)杠本身不規(guī)則的型面、不均勻的厚度、不對(duì)稱安裝布置等，一般情況，準(zhǔn)確選擇分析點(diǎn)變得困難，經(jīng)驗(yàn)無(wú)法形成知識(shí)積累，且經(jīng)過多輪分析優(yōu)化，剛較差的位置與之前的分析無(wú)法形成對(duì)比，為此，為補(bǔ)充經(jīng)驗(yàn)的準(zhǔn)確度，現(xiàn)有工程上一般選擇多次計(jì)算并增多計(jì)算位置后進(jìn)行比較，這種方法精度一般很難控制而且浪費(fèi)了時(shí)間。

本文針對(duì)保險(xiǎn)杠感知舒適剛度優(yōu)化問題，面對(duì)保險(xiǎn)杠剛度優(yōu)化過程中安裝布置及支撐結(jié)構(gòu)變化的變工況問題，分析現(xiàn)有工程經(jīng)驗(yàn)，開發(fā)基于感知舒適度的保險(xiǎn)杠剛度評(píng)價(jià)全流程優(yōu)化方法，通過某乘用車保險(xiǎn)杠系統(tǒng)剛度優(yōu)化作為算例，使用該評(píng)價(jià)方法，得到剛度性能最優(yōu)的布置及支撐結(jié)構(gòu)，驗(yàn)證了此方法解決保險(xiǎn)杠感知舒適剛度問題的有效性，為工程實(shí)踐提供了剛度分析優(yōu)化的參考方法。

2 目前工程中的保險(xiǎn)杠剛度優(yōu)化方法

2.1 剛度評(píng)價(jià)指標(biāo)

保險(xiǎn)杠受到按壓或其他載荷后，一般以塑料件變形結(jié)果評(píng)價(jià)其剛度性能，在按壓或碰撞時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)一個(gè)拐點(diǎn)，這是由于材料及布置形式的不同產(chǎn)生的。按壓力超過這個(gè)拐點(diǎn)時(shí)，剛度舒適性下降嚴(yán)重（但材料尚未到達(dá)屈服），這種特點(diǎn)我們稱為“塌陷節(jié)點(diǎn)”，見圖1。

塌陷節(jié)點(diǎn)是剛度感知舒適度的評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)，保險(xiǎn)杠設(shè)計(jì)中為避免塌陷節(jié)點(diǎn)或盡量提高塌陷節(jié)點(diǎn)按壓力的方法常通過擴(kuò)大壁厚，改變布置方式，加強(qiáng)支撐等方法，然后重新模擬試驗(yàn)最終確定最優(yōu)的結(jié)構(gòu)，達(dá)到保險(xiǎn)杠設(shè)計(jì)的要求[7]。

塌陷節(jié)點(diǎn)計(jì)算了非線性材料在塑性變形階段的參數(shù)，本文所使用保險(xiǎn)杠模型中選用材料PP+EPDM-T10，如圖2是其材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線。

2.2 保險(xiǎn)杠剛度優(yōu)化傳統(tǒng)方法及計(jì)算實(shí)例

本文以某乘用車保險(xiǎn)杠系統(tǒng)為實(shí)例，說明剛度優(yōu)化傳統(tǒng)方法，圖3所示為流程圖。

本文使用CAE分析前處理軟件Hypermesh，截取某乘用車模型保險(xiǎn)杠部分，共計(jì)87815個(gè)網(wǎng)格，125462個(gè)節(jié)點(diǎn)，支架與蒙皮接觸部分使用實(shí)體網(wǎng)格模擬，連接點(diǎn)的螺栓采用rbe2單元，并對(duì)周邊網(wǎng)格細(xì)化固定。

考慮到保險(xiǎn)杠型面、加強(qiáng)結(jié)構(gòu)及布置的不對(duì)稱性、不規(guī)則性，精確判斷剛度較差點(diǎn)難以實(shí)現(xiàn)，此時(shí)首先選用7個(gè)位置（如圖4標(biāo)識(shí)）作為載荷點(diǎn)計(jì)算結(jié)果，最后對(duì)比各自剛度指標(biāo)的方法。

從計(jì)算結(jié)果（圖5所示）看出，點(diǎn)4和點(diǎn)6顯示較明顯的塌陷節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)后期載荷為150N上下，點(diǎn)5雖然沒有顯著的塌陷節(jié)點(diǎn)，此點(diǎn)的剛度性能卻是所有結(jié)果中最差的。

根據(jù)以上分析，制定了以下方案嘗試改進(jìn)：

（1）在點(diǎn)5附近設(shè)計(jì)一處支架以提高此處的支撐。

（2）將點(diǎn)4和點(diǎn)6附近的局部壁厚適當(dāng)增加。

改進(jìn)方案后計(jì)算，依然選用此7個(gè)載荷位置計(jì)算，剛度性能如圖6所示。

改進(jìn)的模型計(jì)算結(jié)果顯示點(diǎn)5的剛度指標(biāo)大大優(yōu)化，且只有點(diǎn)2顯示塌陷節(jié)點(diǎn)，但此塌陷節(jié)點(diǎn)提高到250N，因此確定此改進(jìn)方案有效。

以上介紹的傳統(tǒng)保險(xiǎn)杠剛度舒適性評(píng)價(jià)方法面對(duì)實(shí)際設(shè)計(jì)過程的優(yōu)化問題是有效的，但是這種方法依然在精度和效率上存在不足：

（1）建立分析模型的過程步驟復(fù)雜，設(shè)置網(wǎng)格細(xì)化、主從面、分析步等參數(shù)在每次計(jì)算前都要重復(fù)，若遺漏設(shè)置或設(shè)置不一致則將出現(xiàn)錯(cuò)誤。

（2）選擇按壓點(diǎn)只能根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)判斷，為彌補(bǔ)不足，只能多次選點(diǎn)重復(fù)計(jì)算并比較結(jié)果，造成工作效率下降。

（3）改進(jìn)結(jié)構(gòu)后，實(shí)際薄弱位置變化，原來選取的載荷位點(diǎn)與真實(shí)薄弱點(diǎn)發(fā)生變化，計(jì)算結(jié)果可能出現(xiàn)誤判。

3 改進(jìn)的保險(xiǎn)杠剛度分析評(píng)價(jià)方法

3.1 基于Tcl＼Tk語(yǔ)言的二次開發(fā)

本文采用的CAE建模軟件Hypermesh支持運(yùn)行Tcl/Tk語(yǔ)言進(jìn)行二次開發(fā)。這種語(yǔ)言直接面向?qū)ο螅⒒诮忉屆睿移渫耆_放腳本，最初是John Ousterhout開發(fā)，這種語(yǔ)言通過調(diào)用其核心命令集實(shí)現(xiàn)程序簡(jiǎn)化，通過自定義的過程和調(diào)用，方便開發(fā)者編制更加界面友好的函數(shù)框架，它對(duì)字符串和數(shù)組等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也具有一定的支持[8]，對(duì)于初學(xué)者而言較C/C++等語(yǔ)言較易上手。

基于前文傳統(tǒng)保險(xiǎn)杠剛度分析的流程，確立分析模型中用于可調(diào)整的參數(shù)可以設(shè)定三步：

①調(diào)整載荷面的法向使其與加載力朝向相對(duì)以免接觸參數(shù)錯(cuò)誤。

②調(diào)整布置形式并確定可變范圍，通過編制的腳本調(diào)用生成相應(yīng)的布置邊界條件。

③框選載荷面單元及載荷節(jié)點(diǎn)。

利用以上總結(jié)，快速建立使用Tcl/Tk語(yǔ)言編制二次開發(fā)程序進(jìn)行保險(xiǎn)杠剛度優(yōu)化的模型，開發(fā)人員僅用三步填寫相關(guān)參數(shù)，第四步點(diǎn)擊后，二次開發(fā)的程序即可完成保險(xiǎn)杠剛度分析模型的前處理工作，見圖7。

3.2 優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)模型

面對(duì)剛度優(yōu)化問題，先將工程問題進(jìn)行歸納，確定數(shù)學(xué)模型，明確約束條件，通過最優(yōu)準(zhǔn)則確定邊界條件，以數(shù)學(xué)方法求得最優(yōu)解的方法即為最優(yōu)化問題。[9]

最優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)模型如下：

其中，x∈（x1，x2，…xn）TI∈Rn，f： Rn→R，ci：Rn→R，（i=1，2，…，m）

x為優(yōu)化的設(shè)計(jì)變量，f（x）為目標(biāo)函數(shù)，st.為約束條件，ci（x）為約束函數(shù)，ci（x） =0為等式約束，ci（x）≥0為不等式約束。

3.3 改進(jìn)的保險(xiǎn)杠感知舒適剛度優(yōu)化分析方法

利用2.1介紹的快速建模腳本，經(jīng)過適當(dāng)簡(jiǎn)化，可以實(shí)現(xiàn)在具體案例中的無(wú)交互操作，即實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化建模，在此基礎(chǔ)上通過定制優(yōu)化參數(shù)，開發(fā)保險(xiǎn)杠感知舒適剛度優(yōu)化分析方法。

分析后制定具體流程如下：

（1）構(gòu)建原始CAE分析模型，可以按照工程經(jīng)驗(yàn)適當(dāng)簡(jiǎn)化，如將卡扣連接變?yōu)橛策B接等。

（2）編制二次開發(fā)程序，對(duì)該保險(xiǎn)杠模型加載面力并導(dǎo)出可計(jì)算模型。

（3）連接計(jì)算軟件計(jì)算結(jié)果并將位移最大的位置存入結(jié)果文件中。

（4）編制二次開發(fā)程序，使用原始CAE分析模型，使用步驟3的結(jié)果文件在薄弱點(diǎn)生成剛度計(jì)算模型。

（5）再次鏈接計(jì)算軟件計(jì)算得到結(jié)果并存入結(jié)果文件。

（6）調(diào)整參數(shù)范圍，對(duì)原始CAE計(jì)算模型進(jìn)行工況變動(dòng)，生成與原始模型結(jié)構(gòu)變化的計(jì)算模型。

（7）回到第1步的內(nèi)容重新計(jì)算，生成各參數(shù)對(duì)應(yīng)的優(yōu)化結(jié)果，分析后確定最優(yōu)化的布置及加強(qiáng)結(jié)構(gòu)。

4 改進(jìn)的保險(xiǎn)杠剛度分析評(píng)價(jià)方法應(yīng)用實(shí)踐

本文為將保險(xiǎn)杠感知舒適剛度分析優(yōu)化評(píng)價(jià)方法與傳統(tǒng)方法進(jìn)行對(duì)比，仍然采用某乘用車保險(xiǎn)杠系統(tǒng)為例，進(jìn)行可變工況的保險(xiǎn)杠剛度優(yōu)化分析全流程實(shí)現(xiàn)。

4.1 優(yōu)化問題定義

根據(jù)以上傳統(tǒng)方法計(jì)算結(jié)果，保險(xiǎn)杠系統(tǒng)可能出現(xiàn)塌陷節(jié)點(diǎn)的最小載荷約為150N，因此以此加載力下保險(xiǎn)杠剛度變形最小為優(yōu)化目標(biāo)，采用保險(xiǎn)杠側(cè)向的兩種安裝點(diǎn)位置和4個(gè)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的Y向坐標(biāo)及設(shè)計(jì)的Z向10種布置安裝緊固形式為優(yōu)化變量。

使用Isight優(yōu)化軟件，將改進(jìn)的優(yōu)化分析方法的整合，變量參數(shù)的選擇使用DOE拉丁方試驗(yàn)法采點(diǎn)，形成最終結(jié)果數(shù)據(jù)，見表1。

其中安裝點(diǎn)及加強(qiáng)點(diǎn)位置參數(shù)應(yīng)在設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)的區(qū)間內(nèi)選擇，安裝緊固形式1-10分別代表一種安裝形式。

循環(huán)計(jì)算220次后，選擇最優(yōu)結(jié)果對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)布置形式如圖8所示。

經(jīng)過優(yōu)化，該保險(xiǎn)杠剛度分析其薄弱點(diǎn)由優(yōu)化前的14.736mm降為6.264mm，與傳統(tǒng)優(yōu)化方法相比，薄弱點(diǎn)的剛度性能提高了約12%。

經(jīng)過剛度舒適度優(yōu)化后確定的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，制造成型的保險(xiǎn)杠如下圖9所示。該車型上市后，收到了售后問題中關(guān)于保險(xiǎn)杠剛度按壓的問題顯著減少。

5 結(jié)論

（1）面對(duì)保險(xiǎn)杠系統(tǒng)感知舒適剛度CAE分析中模型建立低效的難題，使用Tcl＼Tk語(yǔ)言編制了腳本提高建模效率，工程實(shí)踐中使此二次開發(fā)程序進(jìn)行建模的過程去除了重復(fù)步驟，提高了工作效率。

（2）感知舒適度剛度優(yōu)化時(shí)，安裝點(diǎn)形式及加強(qiáng)位置后變動(dòng)后，剛度較差點(diǎn)位置也隨之發(fā)生移動(dòng)，針對(duì)這個(gè)問題，本文研究并開發(fā)了剛度感知舒適度分析的優(yōu)化方法，使用二次開發(fā)的建模程序和Isight整合調(diào)用各軟件，使用該方法優(yōu)化后可以得到剛度性能最優(yōu)的保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)布置形式，為工程實(shí)踐中保險(xiǎn)杠感知舒適剛度問題提供了一種快速高效的解決方法。

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