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其進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，對其減重性能分析具有重要意義?；诮颇Ｐ陀嬎愫蛿?shù)值優(yōu)化方法，對其進行碰撞仿真分析，進而確定其相關的參數(shù)，在此基礎上進行不同截面形狀的對比分析研究得到最優(yōu)的截面形狀。最后通過實驗，驗證了其方法的有效性、科學性，能夠為進一步進行鋁合金吸能盒的減重研究提供參考。

關鍵詞：鋁合金吸能盒；近似模型計算；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)相關的研究發(fā)現(xiàn)，當汽車減重10%時能夠節(jié)約油的用量大約為3%到6%。因此，如何實現(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)的相關研究發(fā)現(xiàn)，當汽車采用典型的鋁質(zhì)零部件時，能夠?qū)⑵渲亓繙p輕大約30%到40%，如果進行二次減重甚至可以達到大約50%。因此，通過進一步的研究鋁質(zhì)材料，能夠進一步的減輕其重量。近年來通過對鋁質(zhì)材料的研究日益深入，對一些薄質(zhì)鋁質(zhì)材料進行分析，并對其性能進行沖擊檢驗，發(fā)現(xiàn)其具有較好的結構形式。如果將這些薄質(zhì)材料應用于汽車工業(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上，采用某鋁質(zhì)材料通過大量的仿真分析和實驗，建立以碰撞性能為基準指標，并應用響面優(yōu)化的方法對其參數(shù)和尺寸進行優(yōu)化分析，通過分析和研究能夠得出較為滿意的結果。

1響應表面優(yōu)化法

所謂響應表面優(yōu)化法是一種通過將實驗設計，并采用數(shù)理統(tǒng)計進行結合來建立相應的經(jīng)驗模型的優(yōu)化方法。采用此方法，通常需要建立以下幾個步驟：一是通過對實際模型進行簡化分析，進而確定近似模型的形式；二是通過實驗設計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；三是通過應用最小二乘法并應用步驟二中基礎數(shù)據(jù)建立各個響應的近似數(shù)學模型。在實際應用過程中，首先需要應用合適的數(shù)學構造方法進行建模并進行尋優(yōu)計算，最后為了檢測其性能采用誤差來進行檢測，如果能夠滿足實際工程誤差，則得到最優(yōu)的解，若不能滿足則需要重新構造或者進行優(yōu)化。

2鋼制吸能盒碰撞分析

為了能夠有效對其思想進行說明，采用某一種乘用車設計制造新的鋁合金盒進行說明。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)仿真模型對其性能進行分析研究；第二步，在第一步的基礎上，依據(jù)RCAR法規(guī)中規(guī)定的保險杠低速碰撞條件對其工況進行詳細分析，并建立鋼制吸盒碰撞的仿真模型以及對其仿真分析得到的變形情況。依據(jù)上述步驟進行仿真分析得到，該鋼制吸盒的屈服強度為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

通過對鋁合金的吸能進行分析評估得到其最優(yōu)的截面形狀，通過分析評估發(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)學優(yōu)化軟件進行模擬分析進而確定其結構參數(shù)和參數(shù)。具體思路為：一是確定優(yōu)化的目標，本文以吸能盒的平均碰撞力和總能量作為優(yōu)化目標；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)量以及結構和材料的參數(shù)；三是碰撞仿真分析方法的確定，本文以拉丁立方實驗方法進行空間的選取，并在此基礎上各個響應曲面的系數(shù)矩陣；四是對模型進行仿真分析評估，最后得出響應的結論。本文通過采用上述思想和步驟，通過對某一實際的模型進行仿真分析得到，數(shù)學優(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)學優(yōu)化法時，其值為77.6kN，而采用仿真分析方法時其值為76.7kN，誤差大約為-1.2%，說明存在一定的誤差。但同時對最大變形量、總吸能量和力均值進行分析研究發(fā)現(xiàn)，這些參數(shù)的誤差范圍都在5%范圍內(nèi)，符合工程的實際需求。通過仿真得出，本文采用的方法具有科學性和可行性，能夠有效的指導工程的實際建設。

4實驗驗證

通過上文從理論上進行分析，可以大致確定模型的相關參數(shù)，進而可以進行制造加工。但工藝具有一定的誤差，因此需要對實際進行實驗驗證，以確保質(zhì)量的性能。其具體步驟：一是實驗室材料的準備，主要是器材的準備；二是實驗時需要設置相關的實驗參數(shù)，比如實驗時的加載速度和加載距離；三是根據(jù)實驗數(shù)據(jù)對其進行分析，根據(jù)相關的參數(shù)確定其是否滿足要求。

5結語

本文通過對鋼制吸能盒的碰撞進行相關的研究，制定相應的評估參數(shù)指標，然后對比分析不同截面下的碰撞性能確定最終的截面形狀。在此基礎上通過近似的響應模型的優(yōu)化設計對其參數(shù)和結構進行優(yōu)化設計，最終確定最優(yōu)的方案。為了能夠檢驗設備的質(zhì)量，通過采用靜態(tài)壓縮試驗對比的方法驗證其強度性能。最終發(fā)現(xiàn)，鋁合金通過工業(yè)的提高在減重時也能保障其強度性能。