崔淑娟+陳可明+史愛(ài)民+符志+李氣輝

摘 要：根據(jù)GB 17354—1998法規(guī)要求對(duì)某車型進(jìn)行了低速后碰撞的仿真分析，結(jié)果不滿足法規(guī)要求。針對(duì)分析結(jié)果提出了一種改進(jìn)方案，經(jīng)過(guò)分析，采用新方案的車型滿足法規(guī)性能要求。但基于經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方案并不能代表最優(yōu)解，以影響后端碰撞性能的關(guān)鍵組件材料厚度為設(shè)計(jì)變量，質(zhì)量為目標(biāo)函數(shù)，建立了二階響應(yīng)面近似模型，并選用自適應(yīng)響應(yīng)面法（Adaptive Response Surface Method，ARSM）進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后質(zhì)量減輕了22.7%，并且滿足法規(guī)要求。

關(guān)鍵詞：低速碰撞；防撞橫梁；自適應(yīng)響應(yīng)面法；輕量化

中圖分類號(hào)：U461.91 文獻(xiàn)標(biāo)文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文獻(xiàn)標(biāo)DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2016.06.09

Abstract：A FE model of a car under low-speed rear end impacts was established according to the regulation of GB17354—1998， and it was found that the protective performance of the rear bumper did not meet the requirements. An improved rear bumper design based on experience was proposed which satisfies the requirements of the regulation； however， it may not be the best solution. To further optimize the improved structure， an adaptive response surface method was adopted in which the material thicknesses of key components were designated as design variables， the weight of the components as an objective function and the second order response surface approximation model was established. The result indicates that the optimized solution meets the requirements of the regulation and the weight of the bumper system is reduced by 22.7%.

Keywords：low-speed crash； bumper beam； adaptive response surface method； light weight

在城市中，低速碰撞是發(fā)生頻率最高的交通事故之一。低速碰撞是指汽車速度低于15 km/h的碰撞，由于低速碰撞一般不會(huì)造成人員傷亡，所以沒(méi)有引起人們足夠的重視。但針對(duì)低速碰撞的研究，有利于降低事故發(fā)生后汽車的維修費(fèi)用和理賠費(fèi)用，對(duì)延長(zhǎng)車輛的使用壽命也有重要意義。

目前國(guó)內(nèi)針對(duì)低速碰撞安全性能的研究，側(cè)重于其前端結(jié)構(gòu)的安全性能，而對(duì)后端低速碰撞安全性能研究得較少。本文研究的主要內(nèi)容是：（1）簡(jiǎn)單介紹國(guó)內(nèi)外有關(guān)低速碰撞的法規(guī)，并對(duì)它們的試驗(yàn)要求進(jìn)行對(duì)比分析。（2）根據(jù)GB 17354—1998《汽車前后端防護(hù)裝置》[1]的要求對(duì)某車型進(jìn)行低速后碰撞的仿真分析。（3）針對(duì)仿真結(jié)果，對(duì)車體后端結(jié)構(gòu)提出優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。（4）為了降低優(yōu)化方案的成本，運(yùn)用Altair Hyperworks中的ARSM，基于目標(biāo)值和約束響應(yīng)，以影響后端保護(hù)性能的關(guān)鍵組件的材料厚度為設(shè)計(jì)變量，計(jì)算出優(yōu)化解并進(jìn)行驗(yàn)算，滿足法規(guī)要求。

1 國(guó)內(nèi)外汽車低速碰撞評(píng)價(jià)體系簡(jiǎn)介

汽車低速碰撞的評(píng)價(jià)體系雖然大部分為非強(qiáng)制性要求，但進(jìn)行低速碰撞評(píng)價(jià)有利于保障汽車的安全性。通過(guò)低速碰撞的結(jié)果可以評(píng)價(jià)車輛的保險(xiǎn)和維修費(fèi)用，消費(fèi)者可以參考這些測(cè)試結(jié)果來(lái)選擇自己所需的汽車。目前，關(guān)于汽車低速碰撞的評(píng)價(jià)體系主要有：高速公路安全保險(xiǎn)協(xié)會(huì)（The Insurance Institute for Highway Safety，IIHS）、汽車修理研究協(xié)會(huì)（Research Council for Automobile Repairs，RCAR）、美國(guó)聯(lián)邦機(jī)動(dòng)車安全標(biāo)準(zhǔn)（FMVSS PART 581）、聯(lián)合國(guó)歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)汽車法規(guī)（ECE R42）和GB 17354—1998《汽車前后端防護(hù)裝置》。這些法規(guī)都是由各國(guó)政府、消費(fèi)者組織或保險(xiǎn)協(xié)會(huì)制定的。表1對(duì)這些法規(guī)進(jìn)行了對(duì)比介紹。

2 GB17354—1998汽車前、后端保護(hù)裝置 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及分析要求

GB 17354—1998《汽車前后端防護(hù)裝置》是我國(guó)關(guān)于低速碰撞的強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)，其內(nèi)容和ECE R42所規(guī)定的內(nèi)容基本一致，均要求對(duì)前、后端保護(hù)裝置分別在整車整備質(zhì)量和加載質(zhì)量（半載）下進(jìn)行縱向碰撞分析和車角碰撞分析。其中，縱向碰撞試驗(yàn)包括正前方和正后方兩個(gè)方向各兩次碰撞。在每個(gè)方向的兩次碰撞中，一次是在車輛質(zhì)量為“整車整備質(zhì)量”時(shí)進(jìn)行的，另一次是在質(zhì)量為“加載試驗(yàn)車質(zhì)量”時(shí)進(jìn)行的。兩次碰撞時(shí)的碰撞器中垂面位置相距不小于300 mm?？v向碰撞試驗(yàn)的碰撞速度應(yīng)控制在4 km/h。車角碰撞試驗(yàn)包括在車輛質(zhì)量為“整車整備質(zhì)量時(shí)對(duì)一個(gè)前車角和一個(gè)后車角的各一次碰撞，以及在車輛質(zhì)量為“加載試驗(yàn)車質(zhì)量”時(shí)對(duì)另一個(gè)前車角和另一個(gè)后車角的各一次碰撞。碰撞器的A平面應(yīng)與車輛的縱向?qū)ΨQ面構(gòu)成60°±5°夾角。車輛的碰撞速度應(yīng)控制在2.5 km/h。碰撞器的有效質(zhì)量應(yīng)與試驗(yàn)車輛的“整車整備質(zhì)量”相等，基準(zhǔn)高度離地445 mm[2]。

3 原車型后端低速碰撞性能分析

3.1 有限元模型搭建

本文選取市場(chǎng)上某車型進(jìn)行研究分析。根據(jù)GB 17354—1998對(duì)車輛和碰撞器的要求，采用Hyper-mesh軟件建立該車型仿真模型和剛性碰撞器仿真模型，按照實(shí)車參數(shù)設(shè)置零件的材料和厚度，并通過(guò)焊接、螺栓、鉸鏈等方式建立各部件之間的連接關(guān)系。為減少計(jì)算時(shí)間，截取后段車身并進(jìn)行配重，保證質(zhì)心位置和實(shí)車質(zhì)心坐標(biāo)一致。其中碰撞器的整備質(zhì)量為1 500 kg。模型參數(shù)見(jiàn)表2。

根據(jù)GB 17354—1998的試驗(yàn)方法要求，建立相應(yīng)的邊界條件。圖1為四種工況邊界條件示意圖。

（1）車輛不具有初始速度和約束，車輪處于直行位置。

（2）碰撞器的A平面保持垂直，基準(zhǔn)線保持水平。

（3）碰撞器的基準(zhǔn)高度距離提供的整備質(zhì)量地面線和半載質(zhì)量地面線445 mm。

（4）分為縱向碰撞仿真和車角碰撞仿真兩部分。

3.2 低速碰撞有限元模型仿真結(jié)果及評(píng)價(jià)

法規(guī)中規(guī)定，在低速碰撞過(guò)程中，永久變形和損壞僅局限于保險(xiǎn)杠和將保險(xiǎn)杠安裝到車架上的安裝架和固定件，車身不能明顯受損。具體要求：照明和信號(hào)裝置應(yīng)能繼續(xù)正常工作并清晰可見(jiàn)；發(fā)動(dòng)機(jī)罩、行李廂蓋和車門應(yīng)能正常開(kāi)閉；車輛的燃料和冷卻系統(tǒng)應(yīng)無(wú)泄漏，不發(fā)生油、水路堵塞，其密封裝置與油、水箱蓋應(yīng)能正常工作；車輛的排氣系統(tǒng)不應(yīng)有妨礙其正常工作的損壞或錯(cuò)位；車輛的傳動(dòng)系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向和制動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)保持良好的調(diào)整狀態(tài)并能正常工作[2]。

除觀察結(jié)果動(dòng)畫外，仿真分析過(guò)程主要考察目標(biāo)值分解為：

（1）后保險(xiǎn)杠橫梁不能觸碰后圍板，即縱向侵入位移不能大于許可位移L1（許可位移是指保險(xiǎn)杠橫梁到后圍板的縱向距離，車體的該空間尺寸為120 mm，考慮仿真誤差，取0.9的安全系數(shù)，本文此目標(biāo)值設(shè)為108 mm）。

（2）車身最大塑性應(yīng)變不能超過(guò)5%。

（3）對(duì)于車輛縱向?qū)χ信鲎瞾?lái)說(shuō)，碰撞器在碰撞中不能接觸后背門；對(duì)車角碰撞中，則要避免接觸到汽車的大燈。為此，對(duì)中碰撞時(shí)碰撞器侵入量的最大許可位移是L2=123 mm，取0.9的安全系數(shù)，目標(biāo)設(shè)定110 mm。對(duì)車角碰撞中，碰撞器侵入量的最大許可位移是L3=120 mm，取0.9的安全系數(shù)，目標(biāo)設(shè)定108 mm，如圖2所示。

仿真模型運(yùn)算后能量守恒，質(zhì)量變化、沙漏能和界面滑移能均在有效范圍內(nèi)（小于5%），模型結(jié)果有效?？疾煲韵聨追矫娴姆抡娼Y(jié)果。

3.2.1 后保險(xiǎn)杠橫梁的侵入位移

后保險(xiǎn)杠橫梁的x向侵入位移，如圖3所示。整備質(zhì)量-縱向中心4 km/h碰撞工況下的保險(xiǎn)杠橫梁侵入量較大，為120 mm，超過(guò)目標(biāo)值設(shè)定的108 mm。

3.2.2 車身后端的塑性應(yīng)變

車身后端直接受到碰撞影響的零件是后圍板和后縱梁，其塑性應(yīng)變?cè)茍D如圖4所示。整備質(zhì)量-縱向中心4 km/h碰撞工況下，后防撞橫梁輕微撞擊了后圍板，其塑性應(yīng)變超過(guò)了目標(biāo)設(shè)定值。

3.2.3 碰撞器侵入量

四種工況下，碰撞器均沒(méi)有觸碰后背門和車燈，侵入量依次為：93.7 mm、91.2 mm、100.1 mm、88.3 mm，后背門可以正常開(kāi)閉。

4 設(shè)計(jì)方案仿真分析

4.1 設(shè)計(jì)方案

從仿真結(jié)果來(lái)看，整備質(zhì)量-縱向中心碰撞工況下，后防撞橫梁變形較為嚴(yán)重，縱向侵入量超過(guò)目標(biāo)設(shè)定值。后保險(xiǎn)杠橫梁輕微撞擊后圍板，使后圍板發(fā)生變形，并且最大塑性應(yīng)變超過(guò)了5%，分析該車體結(jié)構(gòu)空間布置，進(jìn)行優(yōu)化。該車型后防撞橫梁外板厚度1 mm，材料為DC01，除后防撞橫梁外板外沒(méi)有其它加強(qiáng)件，結(jié)構(gòu)薄弱。在充分考慮后部空間的情況下，結(jié)合工程實(shí)際，如圖5所示，采用較常見(jiàn)的型材，沿防撞橫梁走向，增加加強(qiáng)管，材料為Q235，厚度為2 mm，以提高后端防護(hù)裝置的剛度[3-4]。

4.2 設(shè)計(jì)方案仿真結(jié)果

優(yōu)化設(shè)計(jì)方案與原車仿真結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表3，工況1、2、3、4分別對(duì)應(yīng)整備質(zhì)量-縱向中心4 km/h

碰撞、加載質(zhì)量-縱向偏置4 km/h碰撞、整備質(zhì)量-左后車角2.5 km/h碰撞、加載質(zhì)量-右后車角2.5 km/h碰撞。

從仿真結(jié)果來(lái)看，設(shè)計(jì)方案的后端防撞梁低速碰撞性能得到較大提高，滿足法規(guī)要求。但是設(shè)計(jì)方案是基于個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，由于無(wú)法明確多變量和目標(biāo)響應(yīng)之間的關(guān)系，往往得不到最佳解。從工程實(shí)際角度出發(fā)，為了實(shí)現(xiàn)成本的最低化和整車輕量化，降低能耗，本研究采用響應(yīng)面法對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化[5]。

5 設(shè)計(jì)方案參數(shù)優(yōu)化

5.1 響應(yīng)面法

式中：P為設(shè)計(jì)點(diǎn)的個(gè)數(shù)；yi、、分別為響應(yīng)量的實(shí)測(cè)值、響應(yīng)量的預(yù)測(cè)值以及響應(yīng)量實(shí)測(cè)值的平均值。通常 R2越接近于1，近似模型的擬合效果越好 [7]。

5.2 后端防護(hù)裝置參數(shù)優(yōu)化

本研究以設(shè)計(jì)更輕且能滿足國(guó)標(biāo)要求的后端防護(hù)裝置為目的，將對(duì)后端低速碰撞性能起到關(guān)鍵作用的各組件的材料厚度t選為設(shè)計(jì)變量，見(jiàn)表4。優(yōu)化過(guò)程選擇整備質(zhì)量-縱向中心4 km/h碰撞工況，因?yàn)橥ㄟ^(guò)仿真分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該工況下后端低速碰撞性能最差。最后將優(yōu)化結(jié)果代入另外3個(gè)工況進(jìn)行驗(yàn)證。

建立如式（4）所示的數(shù)學(xué)優(yōu)化模型，即優(yōu)化目標(biāo)為計(jì)算模型重量最小，約束方程分別為后防撞梁的縱向侵入量L1小于108 mm，碰撞器的侵入量L2<110 mm。

設(shè)計(jì)變量及區(qū)間如圖6和表4所示。

在Hyper-study中選用LSR法進(jìn)行響應(yīng)面表達(dá)式的擬合，并選用ARSM進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。ARSM優(yōu)化算法不同于全局響應(yīng)面法（Global Response Re-gression，GRSM）和遺傳算法（Genetic Algorithm，

GE），其最主要的特點(diǎn)是迭代收斂速度快，效率高。也正因?yàn)榈俣瓤欤?jì)算結(jié)果可能僅為局部最優(yōu)，但通常認(rèn)為這種局部最優(yōu)解對(duì)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化已經(jīng)足夠。ARSM優(yōu)化算法本質(zhì)上就是利用足夠的響應(yīng)和變量數(shù)值點(diǎn)擬合函數(shù)，然后對(duì)函數(shù)求極值[8]。

經(jīng)過(guò)8次迭代運(yùn)算得到局部最優(yōu)解，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表5。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)計(jì)算得到響應(yīng)面的系數(shù)矩陣，建立的響應(yīng)面表達(dá)式如式（5）所示。響應(yīng)面的決定系數(shù)R2為0.999，可知響應(yīng)面精度滿足要求，運(yùn)用最優(yōu)解進(jìn)行碰撞仿真，將仿真結(jié)果與近似模型優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)表6，誤差在5%以內(nèi)，ARSM優(yōu)化算法準(zhǔn)確可靠。

結(jié)合工程實(shí)際，分別取t1，t2，t3，t4，t5為1.0 mm、1.4 mm、1.4 mm、1.2 mm、1.4 mm。各零部件優(yōu)化后的質(zhì)量與基礎(chǔ)模型質(zhì)量對(duì)比值見(jiàn)表7。將厚度優(yōu)化后的零部件在四種工況下進(jìn)行驗(yàn)算，設(shè)計(jì)方案與原車仿真結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表8，各工況均滿足要求。

5 結(jié)論

本研究對(duì)某車型的后端低速碰撞進(jìn)行了仿真分析，并基于經(jīng)驗(yàn)提出了一種設(shè)計(jì)方案，該方案的應(yīng)用使車輛滿足GB 17354—1998關(guān)于前后端低速碰撞的性能要求。使用Hyper-study軟件對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，以模型總質(zhì)量為目標(biāo)，后端防護(hù)裝置的料厚屬性為設(shè)計(jì)變量，采用ARSM算法，建立二階響應(yīng)面近似模型并進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明，優(yōu)化后，后端保護(hù)系統(tǒng)低速碰撞防護(hù)性能滿足GB 17354—1998的要求，相較于基于經(jīng)驗(yàn)提出的設(shè)計(jì)方案質(zhì)量降低了22.7%，有一定的工程實(shí)際意義。

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