汽车碰撞吸能装置的螺旋传动稳健优化研究

设计与制碴机械研究与应用汽车碰撞吸能装置的螺旋传动稳健优化研究李杨，雷正保长沙理工大学，湖南长沙410004摘要为避免一般汽车实际碰撞的不稳健现象，通过建立稳健优化设计的数学模型，运用MAFLAB优4R具箱对汽车碰撞吸能装置CST螺旋传动问题进行稳健优化设计求解，并给出了相应的算法程序，避免了常规求解过程中繁杂的工程算法语言编程。研究表明，该稳健优化设计方法省时高效、方便可行，结果稳健可靠，产品性能得到了提高。关键词汽车碰撞吸能装置；螺旋传动；稳健优化；MAFLAB中图分类号1346323文献标识码A文章编号10064_414201104一OO6404SOUDITYOPTLMITATIONRESEARCHOFSCREWDRIVEROFENERGYABSORBINGEQUIPMENTFORAUTOMOBILECOLLISIONLIYANGLEIZHENGBAOCHANGSHAUNIVERSITYOFSCIENCETECHNOLOGY，CHANGSHA，HUNAN410004，CHINAABSTRACTINORDERTOAVOIDUNSTEADINESSOFTHECOMMONAUTOMOBILEACTUALCOLLISION，THEMATLABOPTIMIZATIONTOOLBOXISUSEDTOSOLVEROBUSTOPTIMIZATIOND1LEINSOFSCREWDRIVERBYESTABLISHINGMATHEMATICALMODELOFROBUSTOPTIMIZATION，ANDTHECOITESPONDLNGALGORITHMPROGRAMISGIVEN，MEANWHILE，THECONVENTIONALCOMPLICATEDPROCESSOFSOLVINGENGINEERINGALGORITHMPROGRAMMINGISAVOIDEDTHERESULTSSHOWTHATROBOTOPTIMIZATIONDESIGNISOFHIGHEFFICIENCYANDCONVENIENCE，ANDDESIGNMSTSAREACCURATEANDRELIABLE，PRODUCTPERFORMANCEISIMPROVEDKEYWORDSCST；SCREWDRIVER；ROBUSTOPTIMIZATION；MATLAB1引言随着汽车碰撞安全性问题和碰撞吸能装置系统CST的深入研究，国内外研究者相继提出了稳健设计的汽车安全设计新理念，关于吸能装置的稳健应用研究也逐渐增多，如唐宁等研究了矩形螺纹剪切吸能影响因素，贾云海L3等对螺旋弹簧进行了多目标稳健优化设计。在实际工程中，由于加工工艺、使用环境等因素的影响，产品的结构参数、力学参数等参数的设计值与实际值会有差异，因而一般实际碰撞是不稳健的【4】。汽车碰撞吸能装置系统CST使碰撞过程进一步平稳【5】，但其螺旋传动仍有进一步完善和改进的空间，如何保证CST在使用过程中更加的稳定和可靠仍然需要研究。笔者是在汽车碰撞吸能装置初步设计完成的基础上对螺纹剪切装置的稳健性展开研究。将有限元仿真模拟与试验设计、响应面法RSMJ、田口法【7J及可靠性优化设计将等方法引入螺纹剪切式吸能系统中，运用MADAB优化工具箱对螺旋传动问题进行稳健优化设计求解，给出了相应的算法程序，避免了常规求解过程中繁杂的工程算法语言编程。计算实例及设计结果表明该方法设计方便可行，省时高效，且结果稳健可靠。从而实现了对其螺旋传动稳健的优化研究，使产品性能更稳定、质量更可靠。2螺纹剪切式汽车碰撞吸能装置参数优化分析21有限元模型建立螺纹剪切装置有限元模型如图L所示。囊|T|0IT图1螺纹剪切吸能装置简易有限元模型1冲击块2外螺纹3螺杆4剪切套筒螺纹杆总长为380MM，冲击块、Y、方向的几何尺寸分别为20MM、90RAM、90RNM，质量为7500KG轿车总质量为1500KG，则单侧吸能结构将承受7500的碰撞质量，能够满足一般中级轿车的技术标准。螺杆和冲击块均采用Q235低碳钢，其主要力学性能参如表1所示。采用COWPERSYMONDS模型来考虑材料的塑性应变率效应。以螺纹剪切汽车碰撞吸能装置的四个主要结构尺寸螺纹高、螺纹宽、剪切高和螺距作为设计变量J，该研究的实验结果衡量指标采用碰撞过程中项目国家863计划资助项目2006AA11Z224；湖南省科技计划资助项目2OO8CI3074；长沙市重点资助项目K080209011收稿日期2011一O4一O8作者简介李杨1982一，男，湖南长沙人，硕士，主要从事公路交通安全技术研究方面的工作。64机械研究与应用产生的最大加速度。螺纹剪切式汽车碰撞吸能装置优化设计的主要目标是使其在碰撞过程中的加速度值最接近并小于40G。优化问题表达如下MINIMIZEFASUBJECTTO口一一4001【式中口为加速度最大值；，T，表示螺纹高、螺纹宽、剪切高和螺距四个设计变量；、分别设计变量的下限和上限值，取值为X3，2，2，3，X8，6，620TO表1螺纹材料力学性能材料类型Q235弹性模量MPA密度TMM塑性硬化模量MPA屈服应力MPA泊松比失效应变21105785LO一78024OO307522正交试验方案为设计出最佳吸能螺纹，通过对螺纹各个截面尺寸进行研究发现螺纹宽、螺纹高、剪切位置及螺距四个因素对碰撞结果有较大影响。在此基础上，本研究利用正交试验法安排实验方案，对所涉及的四个因素，每个因素各选取四个水平，选取正交表4来安排实验，剩余的一列作为误差分析项，以此优选出最接近并小于40G的最大加速度组合。因素水平如表2所示。表2因素水平表23仿真试验结果通过有限元网格划分并设置材料及碰撞边界条件后，即可进行有限元仿真模拟试验。试验结果如表3所示。试验样本点对应的加速度值见图2，各因数的影响趋势如图3所示。从图3的数据可以看出，螺纹剪切装置中剪切位置，对加速度的影响最大，随着剪切位置的变化，加速度的值从1499增加到了421996。螺纹高，对加速度的影响是先减小后增大。螺纹宽对加速度设计与制埴的影响是先减小，随后略有增大，接着再下降。螺距对加速度的影响是先增大后减小。5OO400300骂200晏1000024681012141618试验次数图2试验结果数据图02468101214161820各种因素图3各因数的影响趋势表3正交试验结果24响应面法由于正交试验设计只能得到在有限范围内的较优解，为得到最优解本研究引入响应面法RSM理论建立评价模型。模型适配性检测可由多重拟合系数和修正多重拟合系数R；作为检测标准，分别表示如下RL一22一杀_L一1一R2RT1一一3式中残差平方和ISS和总误差平方和SS分别计算如下SSEYRY一6Y4SSY一一生5N，L25数据处理及田口法利用RSM理论建立评价模型来进行数据处理，6S设计与制埴机械研究与应用预处理过程采用对实验数据的均值化处理。假设分别以和，IL，2，N为实验次数，I1，2，P为考核变量X，共P个的指引数，表示第K次实验中第I个考核变量置、的值，则有XXKN，ILN，I1I1，2，P6相应的响应面模型转化为Y8根据田口法理论，引入信噪比SN对试验评价指标作进一步处理SN一10LOG凡J1Z1，2，3，16，1，2，3，N9式中N表示每组实验的试验次数，这里取L。26螺纹剪切装置优化分析采用方差分析对所建模型的精度进行检测，分析结果如表4所示。表4响应面模型方差分析从表4可知，螺纹剪切装置有限元仿真结果的二阶响应面模型的多重拟合系数和修正多重拟合系数R都大于09，且均方根误差RMSE的值很小，满足精度要求。螺纹剪切装置有限元仿真的响应面方程如下Y一6801387808XL97331X28782X330516X404669XL277943X1357658XL473963X2372563X2413545X3412141X一96602X；18313X；17348X10将响应面方程式10代入式1即得到了螺纹剪切式汽车碰撞吸能装置优化设计的数学模型。采用MATLAB软件来进行优化求解。经过五次迭代后得到最优值，66迭代次数图4优化目标的迭代过程再通过数据规整化公式6反换算即可获得螺纹剪切式汽车碰撞吸能装置的最终优化结果，如表5所示。表5优化后的变量值为验证最优参数的正确性，对优化后的螺纹剪切进装置行有限元模拟，得到螺纹剪切碰撞吸能装置的加速度值3978G与通过响应面法求的加速度值误差在05以内，符合工程计算要求。因此，最终的优化结果为螺纹剪切螺纹高6754，螺纹宽4，剪切位置23432，螺距15272。3基于MATLAB的CST螺旋传动稳健优化设计31稳健优化设计数学模型的建立为减少产品设计、制造和使用过程中的质量差变J，运用稳健优化设计思想，建立稳健优化设计数学模型。产品的质量准则函数Y是可控因素和不可控因素Z的线性或非线性函数，引人离差系数C，于是稳健优化设计的目标函数为FXCY11，CABS一688396801387808XL97331X28782X3305155X404669X1277943X13576579XLX473963X2X37256267X2X4135446X3412141X一96602X18313X；1734777X08979X110280926321042105177X31270610000X310003L8226236320根据有关文献，C可约取为01。于是通过上面的建模过程，就得到了CST系统稳健优化设计的数学模型，再对上述的模型进行编程求解，就可以得到稳健设计的最优解。32基于MATLAB的CST螺旋传动系统稳健优化设计的计算采用MATLAB软件来求解所建立的关于四个变量的非线性规划问题。其步骤是将数学模型按照MAT1AB的格式分别对目标函数和约束函数编辑IN文件，然后进行简单的编程就能快速得到问题的最优解，即机械研究与应用此CST系统的最佳设计参数。在此问题求解中要用到优化工具箱里的FMINCON函数。常规优化设计和稳健优化设计得到的结果进行比较，比较结果如表6所示。表6常规设计和稳健优化设计的结果比较螺纹高螺纹宽剪切位置螺距加速度GRAMKMMJRAMPMMAMS从上表6可知，CST系统的常规优化设计和稳健优化设计的结果比较接近，常规优化设计的剪切位置和螺距比稳健优化设计的结果稍大，表明稳健优化设计的结果更健壮，因此由稳健优化设计得到的最佳尺寸参数所设计的CST系统更为稳定和可靠。4结语1稳健优化设计方法克服了常规优化设计容忍参数变异能力差的缺点，把参数的变差计人约束变差以增加约束函数的值，从而解决设计解的可行性即稳健性。2稳健优化设计的螺纹传动结构尺寸比起常规优化设计更能满足设计要求。其装置的重量比传统设计轻，减小了摩擦系数，降低了生产成本，延长了设计与制建使用寿命。3将稳健优化设计方法与MATLAB优化工具箱相结合的形式，既能体现稳健优化设计方法的优点，又能保证陕速地得到设计结果，而且优化结果稳健可靠。参考文献1杜青云，雷正保，魏书彬汽车碰撞预警与碰撞吸能技术结合的CST控制系统J中国机械工程，2011，2267517552唐宁，雷正保矩形螺纹剪切吸能影响因素研究J公路与汽运，201013711143贾云海，张文明螺旋弹簧多目标稳健优化设计J北京科技大学学报，2009，3167887914姚录录，杜长龙，宋静，等封闭行星齿轮传动系统的稳健可靠性优化设计J起重运输机械。201064_4465朱海文，雷正保，李静螺纹剪切式碰撞吸能系统快速推进装置研究J机械设计与研究，2009，25690936YANGYANHUI，LIUDONG，HEZIYAN，EREOPTIMIZATIONOFPREFORMSHAPESBYRSMANDFEMTOIMPROVEDEFORMATIONHOMOGENEITYINAEROSPACEFORGIRIGSJCHINESEJOUMALOFAERONAUTICS，2010232602657戴玮，薛松柏，张亮，等基于田口法的PBGA器件焊点可靠性分析J焊接学报，2009，30118L一848徐见秋，雷正保，罗宪华螺纹剪切式碰撞吸能装置最优螺纹参数设计J交通科学与工程。2010，2619O一969芦新春，王书全齿轮传动稳健优化设计系统的实现J现代制造工程，20088102104上接第63页4运动仿真。单击运动仿真图标，启动运动仿真分析过程。运动学分析是按输入的时间和步数进行分析，如时问设为120S，步数为360步。运动分析完成后，运动仿真对话框自动弹出，选择播放或单步来进行运动仿真。进入运动仿真模块观察仿真效果图如图5所示。5根据所显示的数据，用户可进行相应的设计修改。5结论1本设计软件可输入凸轮参数，角速度、基圆半径、滚子半径、偏距和最大位移等，选择运动方向、内外凸轮，设定起始角度、推程角度、回程角度和远程休止角，可选择五种不同的推程和回程运动规律运行演示及数据显示等。通过许用压力角和凸轮轮廓曲率半径参数进行机构校核，并求出最大压力角以及任意转角时的凸轮轮廓所对应的位置，为以后的加工、生产提供有效的数据参数和设计思路。2绘制不同类型的凸轮仿真轮廓，绘制速度、加速度及位移曲线，显示运动规律的特征参数如速度最大值加速度最大值AMAX和最大压力角，进行机构运动分析和运动仿真。3可以得到不同转向系数逆时针，顺时针的内凸轮机构和外凸轮机构。4通过改变偏距的数值，可分别得到对心盘形凸轮和偏置盘形凸轮类型。5具有参数优化功能。例如当最