碰撞條件下的保險杠系統輕量化研究

劉陳,孫后環

(南京工業大學機械與動力工程學院，江蘇南京 211800)

0 引言

為實現保險杠系統的輕量化，要保證良好的碰撞性能。低速碰撞是各種碰撞事故中發生頻率最高的[1]，此種工況下，保險杠系統的優化凸顯出重要性。實車碰撞是評估汽車碰撞安全性能最準確的途徑，但周期長、成本高，為此有限元碰撞仿真技術成為有效驗證方法。

國外對保險杠的研究起步較早、發展較快。UIKEY等[2]使用LS-DYNA軟件分析保險杠碰撞性能，結合參數化試驗設計，得到滿足碰撞法規的初級結構模型。HILMANN等[3]建立了大型車輛對可變形壁障的碰撞仿真，基于拉丁超立方采樣，遺傳算法優化和敏感性分析，優化保險杠系統。SZABO和WELCHER[4]在保險杠系統碰撞過程中的動力學響應進行評估，同時給出了汽車在不同工況下的加速度、位移等與時間響應歷程。

國內研究一般采用有限元分析方法，對有限元模型進行多工況的模擬仿真。顧力強等[5]以國產某轎車保險杠系統為參照，建立有限元模型，完成低速碰撞的仿真，以實車碰撞驗證了模型仿真的準確性。北京理工大學李超超等[6]通過改變吸能盒截面、誘導槽數量等結構形狀，研究吸能盒對保險杠系統吸能特性的影響。

以上對保險杠系統結構參數優化不夠全面，本文作者在碰撞條件下對多個參數優化。建立某保險杠系統的有限元模型，進行保險杠系統的正面低速碰撞仿真，并對模型進行驗證。以保險杠系統的結構厚度為設計變量，碰撞最大加速度和保險杠系統的質量為優化目標，系統的最大侵入量為約束條件，通過構建的代理模型以及優化算法，對保險杠系統輕量化和碰撞安全性能進行優化設計，達到輕量化的目的。

1 前保險杠系統的低速正面碰撞仿真

建立三維模型，基于加拿大保險杠標準法規CMVSS215進行剛性墻碰撞仿真，對輸出結果分析，驗證模型的有效性和保險杠系統的碰撞性能，為下一步參數優化奠定正確模型基礎。

1.1 建立前保險杠系統三維模型

汽車前保險杠系統通常由防撞梁、吸能盒和法蘭組成，對這三大件進行有限元分析。系統初始尺寸見表1，三維模型如圖1所示。

表1 初始尺寸

圖1 三維模型

1.2 低速正面碰撞仿真模型

1.2.1 單元類型和尺寸的選擇

HL單元計算準確率比BT單元高，但計算時間過長，文中選擇BT單元作為單元類型。

保險杠系統網格大小控制在5 mm，假定剛性墻和簡化車身在碰撞中不發生變形，網格大小控制為10 mm。

1.2.2 模型材料和屬性的選擇

保險杠的防撞梁、吸能盒以及法蘭都使用HyperMesh軟件中MAT24號多線性彈塑性材料，剛性墻和簡化車身不發生塑性變形，使用MAT20號材料。

各個部件材料參數見表2。

表2 材料參數

1.2.3 零部件的連接方式、配重和接觸

模型在防撞梁和吸能盒內外板之間，創建Weld焊點。在法蘭上，創建Rigid body螺栓模擬連接。模型簡化車身組件共有15 214個節點，每個節點賦予0.000 1 kg的質量。加上各部件，模型總質量為1.554 t。將保險杠系統和簡化車身視為主接觸面，剛性墻設置為從接觸面，建立面面接觸。同時，除剛性墻之外的所有組件設置為單面接觸[7]。

1.2.4 邊界條件

低速正面碰撞中的邊界條件包括剛性墻約束、保險杠系統約束和碰撞速度。剛性墻的位置與運動方向垂直，速度沿X軸負方向撞向剛性墻。根據標準法規CMVSS215要求，低速正面碰撞速度設定為8 km/h，運動主體為除剛性墻外的所有組件[8]。低速碰撞有限元模型如圖2所示。

圖2 低速正面碰撞有限元模型

1.3 碰撞輸出設置

1.3.1 輸出節點

在Output block按鈕下選取圖3所示吸能盒上兩個節點，編號分別為10 985和39 663，創建輸出文件。

圖3 輸出節點位置

1.3.2 沙漏能控制

對BT單元計算時運用了高斯積分方程，不可避免會產生沙漏現象。當沙漏能低于模型總能量的5%時，仿真結果視為可靠，文中采用剛度控制來抑制沙漏現象。設置IHQ(剛度控制)為5，QH(控制系數)為0.10。

1.3.3 時間步長控制與仿真結果輸出

依據多次仿真計算，設置碰撞時長為100 ms，步長Dt為1×10-6s，每個D3plot結果文件輸出間隔為2.5 ms。結束設置后，導出K文件，轉入求解器軟件LS-DYNA計算，得到模型在不同時刻的外形變化、路徑位移、節點侵入量和速度變化曲線。

1.4 模型驗證結果分析

1.4.1 運動過程分析

保險杠系統低速正面碰撞的仿真運動過程如圖4所示。

圖4 低速正面碰撞仿真過程

碰撞屬于非完全彈性碰撞，防撞梁首先變形吸收能量，然后吸能盒壓縮變形產生作用，最后防撞梁發生回彈。

1.4.2 模型驗證

驗證模型可靠的3個標準為：能量是否守恒、沙漏能的大小和質量增加量。碰撞時前保險杠系統的能量曲線如圖5所示。

圖5 低速正面碰撞能量曲線

由圖5可知，總能量曲線基本不變，碰撞前后能量基本守恒。0～50 ms時，動能降低內能升高，30 ms時動能內能大致相等，50 ms時動能達到最低值，內能達到最高值。此后系統出現回彈，動能上升，幅度較小，而內能降低直至計算結束。

沙漏能的最大值為90 J，占系統總能量3 820 J的2.36%，小于最大限制5%，未過多影響仿真準確性。

由圖6可知，保險杠系統增加的質量約為9.05 kg，占碰撞系統總質量1.554 t的0.58%，未超過總質量的5%，滿足要求。綜上所述，有限元模型可靠。

圖6 低速正面碰撞系統質量增加曲線

1.4.3 加速度曲線分析

碰撞的最大加速度過大會對駕駛員或者乘客造成傷害，通過吸能盒節點10 985和39 663的速度曲線求導濾波后得到加速度曲線，如圖7所示。

圖7 碰撞節點加速度曲線

由圖可知，兩節點的加速度曲線基本一致，在24 ms處，最大值為21.3 m/s2約2.17 g，持續時間較短，且曲線穩定波動范圍基本處于15 m/s2以下，滿足安全性能。

1.4.4 侵入量分析

最大侵入量是前保險杠系統能允許的最大變形值，過大會對后方設備造成損壞。通過吸能盒上節點位移，系統侵入量曲線如圖8所示。

圖8 低速正面碰撞節點侵入量曲線

在54 ms時侵入量位移絕對值最大為73.18 mm，小于保險杠標準要求的100 mm，滿足條件。

2 基于厚度的前保險杠系統優化

2.1 優化設計三要素的確定

從部件的厚度出發，找到保險杠系統的最佳厚度組合，既能提升整體碰撞性能又能實現輕量化。優化設計三要素為：設計變量、優化目標和約束條件。對三要素分別進行設置，明確各自的取值范圍。

2.1.1 設計變量

全面考慮保險杠系統參數，文中以保險杠系統部件的5個厚度為設計變量，防撞梁厚度h1、上吸能盒厚度h2、下吸能盒厚度h3、前法蘭厚度h4、后法蘭厚度h5。改變保險杠系統模型尺寸，在LS-DYNA軟件中進行求解，分析變量的不同取值對保險杠系統碰撞性能的影響。

2.1.2 優化目標與約束條件

將碰撞過程中的最大加速度和質量作為優化目標，約束條件為最大侵入量不超過90 mm。優化數學模型表達式為：

(1)

2.2 多目標優化設計

2.2.1 多目標優化設計步驟

確定5個優化變量，兩個優化目標以及約束條件后，采用最優拉丁超立方試驗設計選取試驗樣本點變量取值，并在LS-DYNA中計算所有試驗樣本點的響應值，在Isight軟件中輸入試驗樣本點及其響應值，構建Kriging代理模型，并進行驗證。若驗證正確，采用NAGA-II遺傳算法進行優化求解獲取設計變量的最優解。

2.2.2 最優拉丁超立方試驗設計取樣

文中采用最優拉丁超立方試驗設計方法采樣，樣本點個數由公式(2)確定：

N=(M+ 1)×(M+ 2)÷2

(2)

式中：N為樣本點個數，M為變量個數。

由式(2)可知，變量為5，至少需21個樣本點。文中取40個樣本點，提高精度。獲得樣本點及其響應值見表3。

表3 最優拉丁超立方試驗設計樣本點與響應值

2.2.3 Kriging代理模型構建

Kriging代理模型又被稱為空間局部插值法，一般包含兩個部分，分別為多項式表示的參數化模型和隨機分布函數表示的非參數隨機過程模擬[9-10]。代理模型的組成公式為：

y(x)=F(β,x)+z(x)=fT(x)β+z(x)

(3)

式中:f(x)為變量x的多項式函數;β為相應的待定參數;z(x)為隨機過程。

結束Kriging代理模型的構建之后,運用最優拉丁超立方獲取與之前構造代理模型不相同的五組樣本點，代入求解器軟件LS-DYNA中計算獲取仿真值。同時獲取代理模型的預測響應值，以加速度和侵入量作為比較對象，與仿真值對比分析,對代理模型的有效性進行驗證。結果見表4和表5。

表4 仿真計算與預測的最大加速度誤差表

表5 仿真計算與預測的最大侵入量誤差表

由表4和表5可知，最大加速度的最大誤差為5.22%，最大侵入量的最大誤差為3.85%，滿足所要求的10%以內，驗證了代理模型的準確性。

2.2.4 NSGA-II優化

(1)參數設置與優化

使用NSGA-II(帶精英策略的非支配排序的遺傳算法)進行多目標優化。對初始群體的規模等參數進行設置(表6)。

表6 參數設置

依據保證碰撞安全性和質量降低的標準，獲得最優樣本點見表7。

表7 最優樣本點

(2)最優解的驗證

將代理模型產生的最優解與仿真解進行對比驗證見表8。

表8 最優解驗證表

從表中可以看出，3個指標都相差較小，最優解符合工程應用要求。

2.3 優化結果分析

結合工程的制造情況對各個部件厚度微調，優化前后保險杠系統碰撞性能參數對比見表9。

表9 優化前后碰撞性能參數對比

2.3.1 加速度曲線對比分析

取同一節點在優化前后的加速度曲線，如圖9所示。

圖9 優化前后加速度曲線

由表9和圖9可知，優化后碰撞的整體加速度峰值相對都有降低，且曲線波動幅度更小，說明系統緩和碰撞沖擊的性能增強，碰撞性能有所提高。

2.3.2 侵入量曲線對比分析

優化前后保險杠系統正面碰撞侵入量變化如圖10所示。

圖10 優化前后侵入量曲線

由圖10可知，優化前后侵入量曲線基本一致，結合表9，最大侵入量由73.18 mm降到72.59 mm，與曲線圖一致。

2.3.3 質量對比分析

由表4—表9可知，質量減小了1.33 kg，達到輕量化的目的。

3 結束語

文中模擬車輛低速碰撞用于評判前保險杠系統的優化效果，在HyperMesh中構建系統模型，創建Kriging代理模型，以NSGA-II算法實現了對保險杠尺寸的優化。優化后的保險杠質量有所下降，同時碰撞效果未有衰減，從而減小能耗，降低了成本。