朱曉華

摘 要：汽車的前保險杠在 RCAR的正面 40%低速碰撞和行人雙腿的碰撞中會發(fā)揮緩沖以及吸能的作用，汽車保險扛的剛度可以充分滿足 RCAR等級評價以及行人雙腿的保護性能中的較大要求。 [1]綜合性考慮行人的雙腿保護法規(guī)以及 RCAR中的具體要求，將材料變量當做是正交試驗的設計，對響應面方法以及綜合平衡法進行分別使用可以優(yōu)化汽車保險杠。最終的研究結(jié)果顯示，響應面方法可以有效的對材料屈服的強度進行表征同時反應個目標值之間的關(guān)系，而使用綜合平衡法可以很好的對離散、變量少以及水平數(shù)量少的多目標實現(xiàn)優(yōu)化。在實施了相應的優(yōu)化策略后可以有效的提高汽車保險扛的整體性能。

關(guān)鍵詞：行人保護；響應面法；綜合平衡法；多目標優(yōu)化；RCAR

陳現(xiàn)領(lǐng)等在正面 RCAR試驗中實現(xiàn)了汽車前端吸能盒的優(yōu)化，這一方法雖然對 RCAR等級評價實現(xiàn)了提升，但未充分考慮吸能盒強度在增強中對行人雙腿保護性能產(chǎn)生的影響。張濤等人借助靈敏分析法和序列二次規(guī)劃方法對某款 SUV車型前保險杠進行了行多目標優(yōu)化設計，但是其只針對信任保護性能實行了優(yōu)化，并沒有考慮到 RCAR等級評價的相關(guān)要求，國外在汽車保險杠性能設計中制定了法規(guī)，這對我國的汽車安全性的提高的產(chǎn)生了促進作用。文章以汽車保險杠滿足 RCAR等級評價并且保護行人的雙腿作為研究目的，通過實用性響應面和綜合平衡兩個方法，對汽車保險杠材料屈服強度實行了優(yōu)化。

1 測試汽車保險杠性能

1.1 雙腿保護仿真

E-NCAP法規(guī)內(nèi)有一項主要指針對行人的保護測試，其中有十分具體的車輛測試前的準備、測試動態(tài)發(fā)動機罩、大腿測試以及頭部測試等多個方法的評價。針對行人下肢的保護主要是通過小腿模型撞擊汽車保險杠仿真開展的。[2]

參照相關(guān)法規(guī)定義，對汽車前端進行畫線，主要是保險杠的上部參考線，下部參考線和杠角線。在對測試區(qū)域進行劃分后最終得出小腿撞擊區(qū)域，具體區(qū)域劃分如下圖 1中所示：

就正常的整備質(zhì)量車而言，車身在自身重量的承受以及乘員質(zhì)量的出現(xiàn)情況下會存在較小幅度的下沉，為實現(xiàn)對工況的進一步精確化模擬，需要將小腿上升 25mm的高度。具體情況如下圖 2：

在實行建模中，要采取多中定義焊點處理方式，對車身相關(guān)部件實現(xiàn)連接。 [3]定義中的各種類型的接觸問題利用的是 AUTOMATIC，來處理各個部件的接觸問題。

按照相關(guān)規(guī)定，利用 initialVel卡片對行人保護碰撞中，利用有限元仿真模型初始速度，速度值為 11.1m/s，方向為 x軸正向。在 Hypermesh中實現(xiàn)對物體與節(jié)點進行邊界的約束。除了要利用創(chuàng)建 Loadcols設置為 BoundSpcSe，還要借助 Analysis_Constraint實行各種自由度約束。[4]

通過以上步驟中，對行人下肢和汽車保險杠碰撞有限元進行仿真試驗，網(wǎng)格尺寸是 6～8mm，仿真結(jié)果可以表現(xiàn)沙漏和質(zhì)量增大的范圍是在允許范圍內(nèi)的。

對仿真結(jié)果進行分析后，在 E-NCAP規(guī)定中，小腿脛骨急速峰值< 150g，膝關(guān)節(jié)的剪切位移< 6mm，膝關(guān)節(jié)彎曲角度< 15°。

[5]提交有限模型 K文件要通過 LS-DYNA來計算，借助 HyperGraph讀取脛骨的加速度，計算膝關(guān)節(jié)剪切位移以及彎曲角度歷程曲線，得出最大值，同時要得出最終各個性能的值。

1.2 RCAR正面低速碰撞性能仿真

RCAR是歐洲保險機構(gòu)測試車輛保險評價

而制定的，目的是要考察對車輛低速碰撞事故維修時間和成本，保險公司要參考最終的試驗結(jié)果，同時結(jié)合發(fā)動機性能、價格、整車質(zhì)量參數(shù)等確定車輛保險登記。

依據(jù) RCAR相關(guān)法規(guī)，實現(xiàn)材料的分別賦予、接觸設置和初試速度設置，對 RCAR壁障和汽車前端位置正面 40%低速碰撞模型，

14 AUTO TIME

網(wǎng)格尺寸是 6～8mm的情況為自然接觸，提交計算后將會得出沙漏能和質(zhì)量之間是在增加允許范圍內(nèi)的。

汽車前端第一個以及 RCAR的壁障接觸點侵入量是可以很好的展現(xiàn)汽車前端吸收能力的，壁障與汽車縱向存在一定的角度，并且可找到壁障與汽車前端切點，對第一個接觸點實現(xiàn)確定，該點與后面方向汽車座椅內(nèi)某點彈簧測量第一接觸侵入量實現(xiàn)確定。

有限元最終仿真結(jié)果是：脛骨加速度、膝關(guān)節(jié)剪切位移、膝關(guān)節(jié)彎曲角度可以分別在最小值中實現(xiàn)利用，知道了汽車前端可以滿足對行人下肢的保護，但前端結(jié)構(gòu)不能再低速碰撞中被充分吸能， RCAR測試首個接觸點侵入量較大，會造成后面汽車散熱片出現(xiàn)擠壓和變形，進而要對汽車前端總體剛度實行提升，還要降低首個接觸點的侵入量，滿足行人下肢保護法規(guī)要求。[6]

2 響應面的構(gòu)建和優(yōu)化

2.1 響應面介紹

響應面模型是應用范圍十分廣泛的近似模型，它是回歸模型中的一種，在不同多項式的應用中對功能表征問題可以通過計算機仿真模型來計算，主要優(yōu)勢為：可在少數(shù)的試驗次數(shù)局部范圍內(nèi)總結(jié)出十分精確的逼近函數(shù)關(guān)系，同時可以使用簡單代數(shù)表達式進行展現(xiàn)；計算方法較為簡便，在優(yōu)化過程中存在較大的便利性，在對合適的回歸模型進行選擇的過程中，可以對存在復雜響應面關(guān)系下進行擬合，同時存在優(yōu)良魯棒性，具有扎實的數(shù)學理論基礎，存在十分強大的實用性與系統(tǒng)性，適用范圍廣，屬于比較復雜的工程設計系統(tǒng)工具，一般情況下會對二階響應模型公式進行使用：

2.2 響應面的構(gòu)造

借助對關(guān)鍵項的選擇對一些作用很小的多項式進行去除后，在這種多項式去除方式的基礎上，提升近似模型的可靠性，同時要對設計樣本的點數(shù)進行減少。

在膝關(guān)節(jié)剪切代表縱坐標時，最終擬合膝關(guān)節(jié)剪切位移與四個變量相應型可表示成下圖情況：

通過以上相應模型圖可以對試驗變量進行直接性得出與響應值之間的關(guān)系，同時能夠得出其他響應值和試驗變量之間的對應面模型圖。

2.3 以NSGAII為基礎的算法優(yōu)化

在以上研究內(nèi)容的基礎上，通過數(shù)學公式對汽車的前端目標優(yōu)化實行相應的描述，并且開展汽車前方多目標優(yōu)化問題研究。

優(yōu)化計算方法，對構(gòu)造出的相應模型進行利用，依據(jù)優(yōu)化的目標以及約束的條件實行迭代求解，在 65次迭代后得到最終的可行解，迭代次數(shù)一共為 241次，最后得出了 33個 Pareto前沿解。使用 Pareto得到最優(yōu)解集，對設計人員提供幫助，為其提出多個可能性選擇方案，設計人員能夠?qū)⒃敿毜墓こ糖闆r作為實行的方案來進行相應的選擇，如果想要第一時間接觸侵入量，最終可以將迭代的次數(shù)設置為

171次，最終得出了 x1、x2、x3、x4的值分別是 209.64/585.47/175.26/395.90.每一種材料的屈服度是存在一定的差異的，正是因為這一原因，最終得到的優(yōu)化解的屈服強度和相應的材料之間并不會出現(xiàn)對應的關(guān)系，因而這一方法只可以提出一種可供選擇的材料參考方法。

3 利用汽車綜合平衡法優(yōu)化汽車前端目標

關(guān)于優(yōu)化四變量和三水平，如汽車前端行人下肢保護性能與 RCAR正面 40%低速碰撞等情況，通過多目標優(yōu)化可以對綜合平衡法實現(xiàn)綜合利用。

3.1 利用平均效應選擇優(yōu)化方案

A代表了小腿支撐件材料的屈服強度，其中 A1、A2和 A3分別表示者不同水平，并且保險杠衡量材料屈服強度的關(guān)鍵，三個水平分表示方式為： B1、B2、B3；泡沫吸能盒的材料屈服強度水平代表數(shù)字分別是 C1、C2、 C3，D1、D2、D3分別代表了縱梁前端吸能盒材料的屈服強度水平，通過正交試驗結(jié)果最終可以通過下表 1實行相應的表示。

將 k1、k2、k3分別代表各個水平某目標值的平均效應，均效應最大值和最小值的差以及變量同某目標值的極差，將極差值當做具體的依據(jù)，確定試驗變量影響目標值程度，各個變量對應目標值的平均效應是有著一定的對應關(guān)系的。

求解各個試驗變量目標值的平均響應值后，將平均響應值的每個目標值對應變量為依據(jù)得出最優(yōu)方案，優(yōu)化后得出的方案一共有四種，且各個方案之間是完全不同的。

3.2 綜合平衡法前提下的汽車前端目標表2 綜合平衡的最終優(yōu)化結(jié)果優(yōu)化

依據(jù)極差值的差異，確定試驗變量，依據(jù)目標值的重要陳低估，在具體優(yōu)化過程中首先

小腿支撐件材料屈服強 保險杠橫梁材料屈服強 泡沫吸能盒的材料屈服 縱梁前端吸能盒的材料

考慮極差較大的因素。綜合平衡法要對每一個試驗變量指標影響實行綜合考慮，在極差分析和實際情況中得到最為合適的優(yōu)化方案。小腿支撐件材料屈服強度對各個不同指標產(chǎn)生的影響，對脛骨加速度、膝關(guān)節(jié)彎曲度、

首個觸侵入量實行相應的優(yōu)化方案 A3實現(xiàn)結(jié)合，此外膝關(guān)節(jié)剪切位移的平均效應為 3.63，該值顯著低于 6，滿足了指標值。因此，綜合考慮并選取小腿支撐件材料的屈服度強度為 A3。

關(guān)于保險杠橫梁材料屈服強度影響指標的性能關(guān)系，考慮脛骨加速度、膝關(guān)節(jié)彎曲角度等相關(guān)內(nèi)容，其中的 B2方案是最合適的，針對膝關(guān)節(jié)剪切位移和第一接觸點侵入量實施相應的觀察可以得出方案 B1的優(yōu)化是最為合適的。且可以得知膝關(guān)節(jié)剪切位移水平居于第二的位置，在各種影響因素是非常重要的，相比較脛骨加速度、膝關(guān)節(jié)彎曲角度等方面的極差水平來看分別居于第二和第三的位置，就膝關(guān)節(jié)剪切位移的強大性能來看，各個極差值存之間的差別并不是特別大，每個因素出現(xiàn)的變化都會嚴重影響目標值，對此，實施綜合考慮后選取 B1作為保險杠材料是最優(yōu)方案。

泡沫吸能盒材料屈服強度影響各個指標的性能，針對脛骨加速度、膝關(guān)節(jié)彎曲角度和膝關(guān)節(jié)剪切位移的優(yōu)化方案可以選擇 C2，對于首個接觸點的侵入量優(yōu)化方案可以選擇 C1，泡沫吸能盒材料屈服強度在首次接觸點侵入量極差處于最后的影響度，這一情況導致的影響是比較小的，實行綜合考慮后選擇 C2作為泡沫吸能盒是最優(yōu)方案。[7]

縱梁前端的吸能盒材料屈服強度影響指標產(chǎn)生的情況，縱梁前端吸能盒材料強度出現(xiàn)首個接觸侵入量極差存在第一的情況，它是重要的影響因素，并且對脛骨的加速度極差水平排在第三，造成膝關(guān)節(jié)的彎曲角度極差是第四位，對于膝關(guān)節(jié)的剪切位移極差水平是第三，這些都是不太重要的影響因素，綜合考慮選取 D3是最優(yōu)方案。在各種因素對各種指標的影響綜合分析，最終得出了整體優(yōu)化參數(shù)。

3.3 最終的仿真優(yōu)化結(jié)果

目標值，優(yōu)化結(jié)果可以通過下表 3顯示。

從上表得知，綜合平衡法實行優(yōu)化后最后的結(jié)果需要排除脛骨加速度峰值性能可能會出現(xiàn)的下降情況，其他性能都有可能會出現(xiàn)提升現(xiàn)象，在第一接觸點侵入量降低到 210mm的情況下，提升了 RCAR正面 40%低速碰撞的維修性能。

4 基于綜合平衡法的汽車前端優(yōu)化

依據(jù)極差大小對試驗變量的目標值重要性來實現(xiàn)確定，在具體的優(yōu)化過程中，首先對極差比較大的因素實現(xiàn)考慮，并且綜合平衡閥對需要每個試驗變量針對每一個指標的影響來實現(xiàn)綜合性的考慮，同時還要依據(jù)極差分析和實際情況對綜合選擇優(yōu)化方案。

小腿支撐件材料屈服的輕度對各個指標造成的影響，針對脛骨加速度和膝關(guān)節(jié)的彎曲角度以及首次接觸點來優(yōu)化需要選擇的方案是 A3，同時對膝關(guān)節(jié)剪切位移而言，需要選擇 A3。膝關(guān)節(jié)的剪切唯一平均效應是 3.63，該值小于 6，并且對指標值實現(xiàn)了滿足，因此需要考慮選擇小腿支撐件材料屈服強度水平是 A3。

對于脛骨加速度和膝關(guān)節(jié)的彎曲角度來看，最優(yōu)方案要選擇 B2，膝關(guān)節(jié)的剪切位移以及第一接觸點的侵入量來看，優(yōu)化方案是 B1.對于膝關(guān)節(jié)的剪切位移極差水平來看是第二，是比較重要的影響因素，對于脛骨的加速度和膝關(guān)節(jié)的彎曲極差水平分別排在第二和第三，并且針對膝關(guān)節(jié)的剪切位移性能而言，各個極差值并不會相差太大，每一個因素的變化針對目標值的影響都比較大，在綜合考慮的基礎上需要選擇 B1作為保險扛衡量的最優(yōu)方案。

5 小結(jié)

文章對行人雙腿保護性能和 RCAR正面 40%低速碰撞性能中的汽車保險杠實施了多個目標優(yōu)化分析，在保險杠的優(yōu)化過程中使用了響應面法和綜合平衡法。希望可以提升保險杠的安全性能。

參考文獻：

[1]張敏，孫玲，辛勇 .汽車后保險杠注塑模針閥式澆注系統(tǒng)優(yōu)化設計及比較分析 [J].塑料科技，2014，12：94-97.

[2]孔茗，芮延年，許戴銘 .基于軟件汽車保險杠整體式熱流道優(yōu)化設計 [J].塑料科技，2015，06：71-74.

[3]曾憲中，章桐 .基于序列二次規(guī)劃法對汽車保險杠系統(tǒng)關(guān)于行人小腿保護的優(yōu)化設計研究 [J].中國科技信息，2009，17：141-142+171.

[4]李樂新，滕科，黃河 .基于行人下腿部與汽車保險杠的碰撞研究及優(yōu)化設計 [J].機械設計與制造，2012，02：56-58.

[5]朱曉克，徐彬 .基于 Moldflow分析的汽車前保險杠注塑模澆注系統(tǒng)優(yōu)化設計 [J].機械制造，2015，09：76-79.

[6]白俊峰，任鵬飛，謝書港，孟憲明 .基于材料匹配的汽車保險杠多目標優(yōu)化 [J].大連理工大學學報，2014，04：424-432.

[7]賴家財 .一種新的汽車保險杠噴涂套色工藝的優(yōu)化設計 [J].企業(yè)科技與發(fā)展，2014， 16：24-25.