劉昌業(yè)，莫易敏，韋 勇，梁永彬，徐東輝

前言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，近年來(lái)汽車翻滾事故成為僅次于汽車正面碰撞事故的另一大交通事故，在翻滾事故中還伴隨有群死群傷的事故特點(diǎn)[1-3]。由于微型汽車重特大安全事故的多發(fā)，已引起國(guó)務(wù)院高度重視，公安部已將微型汽車列入今后十年重點(diǎn)防控車型[4-5]。

我國(guó)已頒布并實(shí)施了汽車正撞、側(cè)撞、尾撞以及行人保護(hù)的強(qiáng)制性國(guó)家法規(guī)；與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)對(duì)相關(guān)碰撞類型開(kāi)展的車輛安全性能研究工作也不斷深入并取得一定成果，而在車輛翻滾安全性能和翻滾法規(guī)制定方面進(jìn)行的研究卻很少甚至是空白[6-7]。國(guó)內(nèi)在車輛翻滾法規(guī)實(shí)施方面，目前主要參考美國(guó)FMVSS 216和歐洲ECE R66法規(guī)分別制訂并實(shí)施《乘用車頂部抗壓強(qiáng)度》和《客車上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求及試驗(yàn)方法》兩項(xiàng)強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)，在動(dòng)態(tài)翻滾性能方面并未制定相關(guān)法規(guī)；目前世界上還沒(méi)有檢驗(yàn)車輛動(dòng)態(tài)翻滾性能相關(guān)的強(qiáng)制性測(cè)試法規(guī)，僅美國(guó)FMVSS 208法規(guī)為推薦性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[8-10]。車輛翻滾性能的研究已經(jīng)成為汽車安全領(lǐng)域不可或缺的一部分。因此，進(jìn)行車輛(特別是微型汽車)的翻滾碰撞性能研究工作意義重大。

1 仿真與試驗(yàn)對(duì)標(biāo)分析

1.1 平臺(tái)翻滾仿真工況設(shè)置

建立某微型車有限元模型，依據(jù)FMVSS208法規(guī)，建立某微型車平臺(tái)翻滾工況，圖1為平臺(tái)翻滾有限元工況示意圖，具體設(shè)置如下參數(shù)。

(1)建立兩個(gè)剛性地面、剛性擋板，模型繞自身縱軸傾斜23°，設(shè)置擋板高4in(101.6mm)，輪胎最低點(diǎn)距剛性地面9in(228.6mm)，輪胎緊貼剛性擋板。

(2)載荷設(shè)置:沿 Y軸負(fù)方向的速度為13.33mm/ms(48km/h)，設(shè)置重力加速度0.009 8mm/ms2。

(3)摩擦因數(shù)設(shè)置:輪胎與擋塊摩擦因數(shù)設(shè)置為0.25，輪胎與剛性地面1摩擦因數(shù)為0.6，車身(除輪胎外)與剛性地面2摩擦因數(shù)為0.45。

圖1 平臺(tái)翻滾工況

1.2 仿真與試驗(yàn)對(duì)標(biāo)

仿真結(jié)果表明，質(zhì)量增加占比、沙漏能均在5%以內(nèi)，能量變化2%以內(nèi)，通過(guò)模型能量曲線驗(yàn)證仿真結(jié)果的可靠性。對(duì)試驗(yàn)與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)標(biāo)分析，進(jìn)一步研究微型汽車翻滾碰撞安全性能。對(duì)標(biāo)分析內(nèi)容包括:車輛關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)姿態(tài)驗(yàn)證、速度與加速度驗(yàn)證、主要部件變形分析和失效部件對(duì)比分析。

1.2.1 關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)姿態(tài)

翻滾試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，車輛運(yùn)動(dòng)姿態(tài)十分復(fù)雜，每個(gè)關(guān)鍵時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)都會(huì)對(duì)車輛的后續(xù)翻滾碰撞形式以及結(jié)構(gòu)失效模式產(chǎn)生重要影響。選取車輛翻滾試驗(yàn)中關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，考察不同姿態(tài)發(fā)生時(shí)，通過(guò)對(duì)關(guān)鍵姿態(tài)發(fā)生時(shí)刻的相對(duì)偏差來(lái)驗(yàn)證仿真中車輛運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的準(zhǔn)確性。車輛翻滾過(guò)程中基本每1/4周就會(huì)與地面發(fā)生較大的沖擊和摩擦，共選取9個(gè)關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)姿態(tài)進(jìn)行對(duì)比分析。圖2為試驗(yàn)與仿真車輛關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的對(duì)比。

圖2 試驗(yàn)與仿真車輛關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)姿態(tài)對(duì)比

運(yùn)動(dòng)軌跡直接體現(xiàn)仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性；與試驗(yàn)視頻對(duì)比，仿真中車輛翻滾2周，與試驗(yàn)相符；對(duì)應(yīng)時(shí)刻相對(duì)誤差分別為:0.38%，-2.84%，-4.52%，0.27%，-5.70%，0，0，5.0%，0.69%。 通過(guò)對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，在關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)姿態(tài)中，試驗(yàn)與仿真中車輛的運(yùn)動(dòng)形態(tài)基本相同。通過(guò)試驗(yàn)與仿真中車輛運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的對(duì)比分析，驗(yàn)證了計(jì)算機(jī)仿真模型的可靠性。

1.2.2 加速度與速度

B柱下端由于與門檻梁形成了一個(gè)T字交叉形狀，此位置強(qiáng)度較高，在試驗(yàn)與仿真中基本未發(fā)生變形，測(cè)量得到的加速度比較可靠。試驗(yàn)前分別在B柱上端和下端布置加速度傳感器，測(cè)量試驗(yàn)過(guò)程中加速度變化情況，在仿真模型中同樣也設(shè)置了加速度計(jì)。

(1)加速度對(duì)比

圖3為試驗(yàn)與仿真中車輛左側(cè)B柱下端位置的加速度對(duì)比圖。通過(guò)對(duì)比分析能夠發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)與仿真中車輛加速度曲線的吻合程度較高，3個(gè)方向加速度曲線的總體趨勢(shì)以及峰值出現(xiàn)時(shí)刻基本相同，峰值大小存在一定差異，但是差異較小，屬于可接受偏差范圍。加速度峰值主要出現(xiàn)在車輛與臺(tái)車擋板碰撞時(shí)刻以及車輛頂部結(jié)構(gòu)與地面碰撞時(shí)刻，選取5個(gè)關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)時(shí)刻，即首次觸地、左右上邊梁觸地(各2次)時(shí)刻，關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)時(shí)刻與加速度峰值相對(duì)誤差見(jiàn)表1。

圖3 加速度對(duì)比驗(yàn)證

表1 關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)時(shí)刻與峰值相對(duì)誤差 %

(2)速度對(duì)比

圖4為試驗(yàn)與仿真中車輛左側(cè)B柱下端位置速度對(duì)比圖，與加速度曲線相比，速度曲線的吻合程度更高。與Y和Z方向相比，車輛在X方向速度偏差較大，但是由于試驗(yàn)與仿真中，車輛主要是在Y和Z方向發(fā)生運(yùn)動(dòng)，X方向的運(yùn)動(dòng)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響較小。由圖4可知，X方向速度曲線趨勢(shì)以及關(guān)鍵轉(zhuǎn)折點(diǎn)吻合度較高。

圖4 速度對(duì)比驗(yàn)證

加速度與速度是車輛翻滾碰撞過(guò)程中重要的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，通過(guò)試驗(yàn)與仿真中輸出曲線的對(duì)比，驗(yàn)證了仿真中車輛運(yùn)動(dòng)參數(shù)與物理試驗(yàn)的一致性，更進(jìn)一步說(shuō)明本文中所建立有限元模型的準(zhǔn)確性。

1.2.3 主要部件變形

通過(guò)對(duì)車身主要結(jié)構(gòu)的變形對(duì)比分析，研究主要部件變形侵入量以及變形模式，進(jìn)一步驗(yàn)證仿真模型的精細(xì)化程度。主要變形部位有頂蓋下凹變形、左右A柱受壓變形、尾門崩裂，失效部位有左前懸架失效、左前懸架螺旋彈簧脫落甩出。其中頂蓋試驗(yàn)變形為131.98mm，仿真變形為137.75mm，誤差為4.37%；試驗(yàn)中左右A柱變形分別為46.76和64.54mm，仿真中48.75和69.06mm，誤差為4.25%和7.00%，尾門試驗(yàn)變形為150.25mm，仿真變形為156.65mm，誤差為4.25%；試驗(yàn)中懸架斷裂時(shí)間279ms，仿真為285ms，誤差為2.15%，試驗(yàn)中減振彈簧甩出時(shí)間為 1 856ms，仿真為 1 870ms，誤差為0.75%。圖5為仿真與試驗(yàn)中主要變形部件與實(shí)效部件對(duì)比。

通過(guò)主要部件的變形侵入量與變形模式的對(duì)比分析，驗(yàn)證仿真模型分析結(jié)果的精細(xì)化程度，進(jìn)一步說(shuō)明有限元仿真模型精度滿足要求。

通過(guò)翻滾碰撞仿真與試驗(yàn)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)、運(yùn)動(dòng)參數(shù)、結(jié)構(gòu)變形、失效部件的對(duì)標(biāo)分析，結(jié)果表明本文中所建立有限元仿真模型的準(zhǔn)確性與可靠性，能夠?yàn)楹罄m(xù)研究?jī)?nèi)容提供支持。

圖5 仿真與試驗(yàn)中主要變形和失效部件對(duì)比

2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)平臺(tái)翻滾試驗(yàn)與仿真分析結(jié)果可以看出，試驗(yàn)后車輛的部分結(jié)構(gòu)變形嚴(yán)重甚至出現(xiàn)變形過(guò)大導(dǎo)致的乘員生存空間侵入的現(xiàn)象。針對(duì)車輛物理試驗(yàn)與仿真分析結(jié)果，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出更加合理有效的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

2.1 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)確定

2.1.1 主要變形結(jié)構(gòu)

上述針對(duì)主要部件的變形侵入量和主要變形結(jié)構(gòu)的變形模式進(jìn)行了分析。根據(jù)試驗(yàn)與仿真得到了車輛A柱左右兩側(cè)和頂蓋是主要的變形侵入?yún)^(qū)以及各結(jié)構(gòu)變形模式差異等相關(guān)結(jié)論。

2.1.2 主要受力結(jié)構(gòu)

車身結(jié)構(gòu)在與外界發(fā)生碰撞沖擊后，每個(gè)部件的內(nèi)部都會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力，部件應(yīng)力的大小在一定程度上能夠反映出此部件的受力情況。因此，利用應(yīng)力分析的方法對(duì)車輛翻滾碰撞過(guò)程中車身結(jié)構(gòu)的主要受力部件進(jìn)行分析研究，尋找車身關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。圖6為翻滾結(jié)束后車頂主要結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布云圖。

依據(jù)車身主要部件的受力情況，并結(jié)合仿真結(jié)果中應(yīng)力分布特點(diǎn)和應(yīng)力大小，初步確定兩側(cè)A柱內(nèi)板、頂蓋1＃橫梁和D柱為車輛翻滾碰撞過(guò)程中的關(guān)鍵受力結(jié)構(gòu)。

2.1.3 主要吸能結(jié)構(gòu)

從系統(tǒng)能量角度分析，車輛翻滾碰撞過(guò)程實(shí)際上是一個(gè)動(dòng)能向內(nèi)能轉(zhuǎn)化的能量傳遞過(guò)程。因此，將部件的能量吸收與質(zhì)量共同考慮，引入比吸能SEA(specific energy absorption)，其計(jì)算公式為

圖6 主要受力結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布云圖

式中:Etotal為結(jié)構(gòu)部件所吸收的總能量；mtotal為參與能量吸收的總質(zhì)量。比吸能是評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)部件能量吸收特性的一項(xiàng)重要指標(biāo)，反映其能量吸收效率。在所有車身主要構(gòu)件中，車輛翻滾碰撞過(guò)程中能量吸收效率最高的結(jié)構(gòu)部件依次為:頂蓋1＃橫梁、頂蓋2＃橫梁、左側(cè)A柱內(nèi)板、右側(cè)A柱內(nèi)板、頂蓋3＃橫梁和頂蓋4＃橫梁。

綜合對(duì)比以上從結(jié)構(gòu)變形、結(jié)構(gòu)受力和結(jié)構(gòu)吸能3個(gè)方面出發(fā)的分析結(jié)果，最終確定在車輛的翻滾碰撞過(guò)程中，車身關(guān)鍵結(jié)構(gòu)為:頂蓋1＃橫梁、頂蓋2＃橫梁和左右兩側(cè)A柱內(nèi)板。

2.2 多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)

所研究中的優(yōu)化目標(biāo)包含生存空間侵入、結(jié)構(gòu)吸能、部件質(zhì)量等多個(gè)子目標(biāo)，屬于常見(jiàn)的多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題，對(duì)車身關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的厚度進(jìn)行優(yōu)化，最終實(shí)現(xiàn)車身結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)。

2.2.1 優(yōu)化表達(dá)式

(1)設(shè)計(jì)變量

本文中優(yōu)化研究對(duì)象為車身關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)變量為關(guān)鍵結(jié)構(gòu)厚度。綜合考慮關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的初始厚度、周圍結(jié)構(gòu)尺寸、原始沖壓鋼板厚度等因素，確定研究變量的上限值和下限值。表2為設(shè)計(jì)變量取值情況。

表2 設(shè)計(jì)變量定義 mm

(2)優(yōu)化指標(biāo)

結(jié)合正面碰撞與側(cè)面碰撞中相關(guān)評(píng)價(jià)指標(biāo)，碰撞性能的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)主要涉及到結(jié)構(gòu)的耐撞特性和吸能特性，因此本文中主要從生存空間侵入和結(jié)構(gòu)吸能兩方面出發(fā)進(jìn)行翻滾性能評(píng)價(jià)指標(biāo)的研究。參考乘用車上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度法規(guī)要求，規(guī)定車輛A柱在翻滾試驗(yàn)過(guò)程中Z向最大壓縮變形量不超過(guò)127mm，考慮到頂蓋結(jié)構(gòu)附近的生存空間較大，規(guī)定頂蓋Z向最大壓縮變形量不超過(guò)200mm即可。對(duì)于關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的平均比吸能，該值越大代表整車吸能效率越高。關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件的平均比吸能越大代表車輛翻滾性能越好。因此優(yōu)化目標(biāo)為關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的總吸能最大化，關(guān)鍵結(jié)構(gòu)總質(zhì)量和A柱及頂蓋變形最小化。

(3)約束條件

在進(jìn)行車輛翻滾性能綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)研究中已經(jīng)確定了A柱Z向侵入量不超過(guò)127mm和頂蓋不超過(guò)200mm的要求，因此該要求為本文優(yōu)化設(shè)計(jì)的前兩個(gè)約束條件；優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)吸能效率必須要優(yōu)于原始結(jié)構(gòu)，因此關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的平均比吸能不小于原結(jié)構(gòu)平均比吸能454.914J/kg為第3個(gè)約束條件。

(4)優(yōu)化表達(dá)式

綜上，本文中研究的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題利用數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中:f1(x)為關(guān)鍵結(jié)構(gòu)總吸能；f2(x)為關(guān)鍵結(jié)構(gòu)總質(zhì)量；f3(x)為A柱Z向壓縮量；f4(x)為頂蓋Z向壓縮量；g1(x)為A柱Z向壓縮量；g2(x)為頂蓋Z向壓縮量；g3(x)為關(guān)鍵結(jié)構(gòu)平均比吸能；x1，x2和x3分別為頂蓋1＃橫梁、2＃橫梁和A柱內(nèi)板厚度。

2.2.2 Opt LHD試驗(yàn)設(shè)計(jì)

優(yōu)化問(wèn)題中的設(shè)計(jì)變量個(gè)數(shù)為3，理論上構(gòu)建克里格近似模型需要的樣本點(diǎn)數(shù)至少為2n＋1個(gè)，其中n代表變量個(gè)數(shù)，即至少需要7組樣本數(shù)據(jù)。考慮到近似模型精度、樣本點(diǎn)間隔取整和計(jì)算總耗時(shí)等因素，初始樣本點(diǎn)總數(shù)設(shè)定為50，樣本點(diǎn)生成后則在有限元模型中進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)的修改，然后提交求解計(jì)算，在后處理文件中進(jìn)行輸出結(jié)果的測(cè)量。表3為設(shè)計(jì)變量樣本與對(duì)應(yīng)仿真計(jì)算結(jié)果的統(tǒng)計(jì)。

表3 樣本點(diǎn)設(shè)計(jì)與仿真結(jié)果

2.2.3 KRG近似模型

(1)模型構(gòu)建

利用多目標(biāo)優(yōu)化軟件Isight中的Approximation組件進(jìn)行KRG近似模型的構(gòu)建。KRG近似模型構(gòu)建步驟主要包括:近似模型種類選擇、樣本點(diǎn)數(shù)據(jù)文件選取、輸入輸出參數(shù)確定、技術(shù)參數(shù)配置(擬合類型和相關(guān)函數(shù))、精度分析設(shè)置等。

擬合類型(Fit Type)主要包括各向異性(Anisotropic)與各項(xiàng)同性(Isotropic)兩種類型，分別適用于輸入變量為不同類型的物理量和同類型的變量，本文中輸入變量均為結(jié)構(gòu)厚度參數(shù)，因此擬合類型選擇收斂速度更快的Isotropic類型。本文中樣本點(diǎn)數(shù)量有限且并不密集，同時(shí)希望構(gòu)建平滑的近似模型，因此采用Gaussian類型函數(shù)。圖7為f1(x)與x1，x2和x3之間對(duì)應(yīng)關(guān)系的3D后處理顯示結(jié)果。

(2)精度分析

圖7 近似模型3D后處理顯示結(jié)果

近似模型構(gòu)建完成后必須進(jìn)行精度誤差分析，只有當(dāng)精度誤差滿足要求時(shí)才能說(shuō)明所構(gòu)建的模型具有一定的可信度，可以將其用于后續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究。近似模型的主要精度誤差評(píng)價(jià)指標(biāo)包括:相對(duì)平均絕對(duì)誤差(Average)、最大絕對(duì)誤差(Maximum)、均方根誤差(Root Mean Square)和確定性系數(shù)(R-Squared)，每種評(píng)價(jià)指標(biāo)都有規(guī)定的計(jì)算公式。4項(xiàng)指標(biāo)中前3項(xiàng)越小、最后1項(xiàng)越接近1代表模型精確性越高。表4為所構(gòu)建的KRG近似模型精度誤差分析結(jié)果。

表4 精度誤差分析結(jié)果

以上4項(xiàng)精度指標(biāo)默認(rèn)可接受范圍分別為:0～0.2，0～0.3，0～0.2和 0.9～1，通過(guò)誤差分析能夠發(fā)現(xiàn)，利用初始樣本點(diǎn)構(gòu)建的近似模型的所有精度指標(biāo)均滿足要求，在可接受誤差范圍內(nèi)，可以利用此近似模型進(jìn)行接下來(lái)多目標(biāo)尋優(yōu)研究。

2.2.4 NSGA-Ⅱ最優(yōu)求解

參照優(yōu)化表達(dá)式便可完成優(yōu)化算法選擇及相關(guān)參數(shù)設(shè)置、變量設(shè)置、約束設(shè)置和目標(biāo)設(shè)置，其中種群大小設(shè)置為80，迭代次數(shù)設(shè)置為1 000。利用比例系數(shù)法求解時(shí)，首先定義求解目標(biāo)函數(shù)，目標(biāo)函數(shù)值最小時(shí)的解即為Pareto解集中的最優(yōu)解，目標(biāo)函數(shù)表達(dá)式為

式中:f1，i(x)，f2，i(x)，f3，i(x)和 f4，i(x)分別為 4 個(gè)目標(biāo)函數(shù)各自的Pareto前沿；k為Pareto前沿解集內(nèi)所有解的總個(gè)數(shù)；λ1，λ2，λ3和 λ4分別為 4 個(gè)目標(biāo)函數(shù)的比例系數(shù)。由于4個(gè)目標(biāo)函數(shù)之間數(shù)量級(jí)以及物理單位存在一定差異，為獲得更加合理的最優(yōu)解，設(shè)定比例系數(shù)之間具有以下比例關(guān)系:

最終，根據(jù)比例系數(shù)法在Pareto最優(yōu)解集中獲得本文研究問(wèn)題的最優(yōu)解為:頂蓋1＃橫梁的最優(yōu)厚度0.92mm，頂蓋2＃橫梁的最優(yōu)厚度0.72mm，A柱內(nèi)板的最優(yōu)厚度0.82mm。3個(gè)變量的最優(yōu)值均落在其各自邊界內(nèi)部，說(shuō)明設(shè)計(jì)變量空間選擇合理，最優(yōu)解可信。

2.2.5 優(yōu)化結(jié)果分析

(1)誤差驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證最優(yōu)方案的可行性與準(zhǔn)確性，根據(jù)最優(yōu)解對(duì)整車模型中的頂蓋1＃橫梁、頂蓋2＃橫梁和A柱內(nèi)板的厚度參數(shù)進(jìn)行修改，然后進(jìn)行整車平臺(tái)翻滾仿真分析，測(cè)量仿真結(jié)果，評(píng)價(jià)其與近似模型估計(jì)值之間的誤差。表5為仿真結(jié)果與預(yù)測(cè)值之間的誤差分析結(jié)果。

表5 最優(yōu)方案仿真結(jié)果與預(yù)測(cè)值誤差分析

通過(guò)誤差分析可以發(fā)現(xiàn)，仿真結(jié)果與預(yù)測(cè)結(jié)果的目標(biāo)值之間最大相對(duì)誤差是-4.65%，并未超過(guò)±5.00%，滿足誤差要求。

(2)優(yōu)化幅度分析

優(yōu)化幅度表示優(yōu)化后與優(yōu)化前目標(biāo)值的相對(duì)提升比率，對(duì)比優(yōu)化前后目標(biāo)值，進(jìn)行相對(duì)提升比率計(jì)算，結(jié)果如表6所示。

表6 優(yōu)化幅度分析

從表6看出，優(yōu)化后關(guān)鍵結(jié)構(gòu)總質(zhì)量減輕24.78%，結(jié)構(gòu)總吸能減少18.81%，關(guān)鍵構(gòu)件的平均比吸能提升11.89%。優(yōu)化后A柱在Z向的壓縮侵入量基本無(wú)變化，頂蓋壓縮量有所減少，兩者均未超過(guò)規(guī)定侵入量限值。綜上，關(guān)鍵結(jié)構(gòu)優(yōu)化效果顯著。

3 結(jié)論

基于FMVSS208平臺(tái)翻滾試驗(yàn)工況，以某微型汽車為研究對(duì)象，通過(guò)理論探索、實(shí)車物理試驗(yàn)、計(jì)算機(jī)仿真模擬分析相結(jié)合的方法，分別完成有限元分析模型調(diào)試、試驗(yàn)與仿真結(jié)果分析、仿真模擬分析方法優(yōu)化等車輛翻滾碰撞安全性能研究工作，具體結(jié)論如下。

(1)基于整車翻滾碰撞試驗(yàn)與仿真分析，分別從關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)姿態(tài)、加速度與速度、主要部件變形和失效部件對(duì)標(biāo)分析，完成有限元模型可信度、準(zhǔn)確度和精細(xì)度的驗(yàn)證，為后續(xù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。

(2)分別從整車翻滾試驗(yàn)后車身主要結(jié)構(gòu)的變形、受力和吸能3個(gè)方面進(jìn)行綜合分析，最終確定頂蓋1＃橫梁、頂蓋2＃橫梁和左右兩側(cè)A柱內(nèi)板為目標(biāo)車型在翻滾碰撞過(guò)程的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。

(3)綜合考慮車輛耐撞特性和吸能特性對(duì)車輛翻滾性能評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行研究，利用生存空間侵入變形反映耐撞性能，引入關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件平均比吸能反映車輛吸能特性，最終提出了“試驗(yàn)后車輛A柱在Z方向的最大壓縮變形量不能大于127mm，頂蓋在Z方向的最大壓縮變形量不能大于200mm，關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件的平均比吸能越大代表車輛翻滾性能越好”的車輛翻滾碰撞安全性能綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)。

(4)選取關(guān)鍵結(jié)構(gòu)厚度為優(yōu)化設(shè)計(jì)變量，按照優(yōu)化設(shè)計(jì)流程，分別完成Opt LKD試驗(yàn)設(shè)計(jì)、KRG近似模型構(gòu)建和NAGA-Ⅱ多目標(biāo)尋優(yōu)，并利用比例系數(shù)法完成最優(yōu)解的選取，優(yōu)化結(jié)果可靠。優(yōu)化后關(guān)鍵結(jié)構(gòu)總質(zhì)量減輕24.78%，結(jié)構(gòu)總吸能減少18.81%，關(guān)鍵構(gòu)件的平均比吸能提升11.89%。