基于响应面法的汽车前防撞梁轻量化分析.pdf

第2 3 卷第3 期 2 0 1 4 年6 月 计算机辅助工程 C o m p u t e rA i d e dE n g i n e e r i n g V 0 1 2 3N o 3 J u n 2 0 1 4 文章编号 1 0 0 6 一0 8 7 1 2 叫4 0 3 0 0 1 6 一0 5 D o I 1 0 1 3 3 4 0 c a e 2 0 1 4 0 3 0 0 4 基于响应面法的汽车前防撞梁轻量化分析 陈则尧1 一 吴宪1 一 丁巨岳2 1 同济大学汽车学院 上海2 0 1 8 0 4 2 同济汽车设计研究院 上海2 0 1 8 0 4 摘要 将原来的汽车前防撞横梁材料替换成超高强度钢后 在确保低速碰撞性能基础上 利用响应 面法进行轻量化分析 建立前防撞梁有限元模型 用L S D Y N A 进行低速碰撞仿真 在此基础上以横 梁和吸能盒的厚度作为变量进行试验设计 构建各项碰撞性能的2 阶多项式响应面模型 并验证模 型的有效性 以质量和吸能作为优化目标 建立多目标优化模型 与原设计相比 求出的优化方案在 保证低速碰撞性能的基础上实现前防撞梁减重3 6 关键词 汽车 低速碰撞 前防撞梁 吸能盒 轻量化设计 响应面模型 多目标优化 中图分类号 U 4 6 3 3 2 T B l l 5 1文献标志码 B L i g h t w e i g h ta n a l y s i so ff r o n tb u m p e rb e a mb a s e do n r e s p o n s es u r f a c em e t h o d C H E NZ e v a 0 1 W UX i a n l D I N GJ u v u e 2 1 S c h o o lo fA u t o m o t i v eS t u d i e s T o n 鲥iU n i v e r s i t y S h a n g h a i2 0 18 0 4 C h i n a 2 T o n 自iA u t o m o t i v eD e s i g na n dR e s e a r c hI n s t i t u t e S h a n g h a i2 0 1 8 0 4 C h i n a A b s t r a c t A f t e rt h eo r i g i n a lm a t e r i a lo fa u t o m o t i v ef r o n tb u m p e rc r o s s b e a mi sr e p l a c e db yu l t m h 唔h s t r e n g t hs t e e l t h el i g h t w e i g h ta n a l y s i si sp e I b 1 1 u e db yr e s p o n s es u I h c em e t h o du n d e rt h ec o n d i t i o no f e n s u r i n gl o ws p e e dc r a s h w o r t h i n e s s Af i n i t ee l e m e n tm o d e li sb u i l tf o rt h e j o n tb u m p e rb e a ma n dt h e l o ws p e e di m p a c ts i m u l a t i o ni sp e I 南r n l e db yL S D Y N A T h et h i c k n e s s e so fc I o s s b e a ma n dc I a s hb o xa r e t a k e na st h ev a r i a b l e sf o rd e s i g no fe x p e r i m e n t s T h es e c o n do r d e rp o l y n o m i a lr e s p o n s es u I h c em o d e l sa r e b u i l ta n dt h e i re f k c t i v e n e s si sv e r i f i e d T a k i n gt h em a s sa n da b s o r b e de n e I g ya so b j e c t i v e s am u l t i o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o nm o d e li s b u i l t U n d e rt h ec o n d i t i o no fe n s u r i n gl o ws p e e dc I a s h w o r t h i n e s s t h e f r o n tb u m p e rb e a mo ft h eo p t i m i z a t i o ns c h e m ei s3 6 l i 曲t e rt h a nt h eo r i g i n a lo n e K e yw o r d s a u t o m o b i l e l o ws p e e dc r a s h f r o n tb u m p e rb e a m c r a s hb o x l i g h t w e i g h td e s i g n I e s p o n s e s u I a c em o d e l m u l t i o b i e c t i v eo p t i m i z a t i o n 0 引言 在低速碰撞过程中 防撞梁发挥举足轻重的作 用 汽车前后防撞梁可以吸收低速撞击的能量 缓 和外界对车身的冲击 对车体结构起主要防护作用 对于经常发生的低速碰撞事故 防撞梁系统能吸收 收稿日期 2 叫3 一0 9 1 8 修回日期 2 0 1 3 1 0 一2 4 基金项目 上海市信息委员会专项资金 2 0 1 2 叫叫5 作者简介 陈则尧 1 9 9 1 男 江西九江人 硕士研究生 研究方向为汽车车身结构分析及轻量化 E m a i l z e y a o c h e n 1 6 3 c o m 吴宪 1 9 7 1 男 辽宁阜新人 副教授 博士 研究方向为汽车总体设计及现代设计方法应用 E m a i l w u x i a n t o n 西i a u t o c n 万方数据 第3 期 陈则尧 等 基于响应面法的汽车前防撞梁轻量化分析 1 7 冲击能量 尽可能减小撞击力对车身纵梁的损害 有 效降低轿车的修理费用 好的防撞梁系统设计要求 在低速碰撞时的碰撞能量基本上由防撞梁 横梁和 吸能盒 变形吸收 其他车身结构件保持完好 l o 随着汽车保有量的增加 节能 环保和安全已经 成为汽车的3 大问题 据有关文献 2J 汽车减重 1 0 则油耗平均下降6 8 排放平均下降 4 结构 材料和工艺是汽车轻量化的3 个重要方 向 文献 3 进行系统阐述和研究 汽车轻量化的基 本含义就是在保证性能基础上的减重 各国汽车工 业界一致认为 汽车轻量化是满足排放 安全和油耗 等3 个法规的有效手段 2o 基于轻量化的理念 将原 来的防撞梁横梁材料替换成超高强度钢 然后进行 尺寸优化 充分实现材料轻量化的效果 建立有限元 模型 利用碰撞模拟显式非线性动力分析有限元软 件L s D Y N A 求解器对低速碰撞进行仿真 在此基础 上确定低速碰撞的性能 研究整个前防撞梁系统的 性能优化和轻量化 以主要吸能部件 横梁和吸能 盒 的厚度作为变量 利用优化拉丁方法设计试验 然后用L s D Y N A 进行1 2 个样本的仿真试验 得出 样本数据 利用仿真数据构建响应面模型 从而替代 费时的仿真迭代进行多目标优化 采用近似模型替 代耗时的计算机模拟已被工程界广泛应用 4o 构建 多目标优化模型 将得到的优化方案与原设计对比 在保证低速碰撞性能的基础上最终实现防撞梁的轻 量化 1 前防撞梁有限元模型 研究某车前防撞梁低速碰撞 在前防撞梁部件 后方加装原车型空载最大质量的质量体 进行简化 处理 纵梁后部均作刚体 在R c A R 低速碰撞法规 中 碰撞速度为1 5k n h 此处以相同速度撞击直径 为1 7 5m m 的柱状刚性壁障 用H y p e r M e s h 建立有 限元模型 见图1 仿真时间为2 0 0m s 仿真步长为 2 F 一6 图1柱碰仿真模型 F i g 1 S i m u l a t i o nn l o d e lo fc o l u n l nc o l l i s i o n 原始设计的前防撞横梁内板所用材料为 D P 7 8 0 厚度为3 8m u 用热冲压硼钢B T R l 6 5 替换 D P 7 8 0 先假定轻量化5 0 的效果 厚度设定为1 8 m u 考察其效果 其他比较重要的部件有防撞梁外 板和吸能盒 其材料为D c 0 1 这3 种材料的曲线均 由试验所得 考虑不同应变率对材料应力一应变曲线 的影响 前防撞梁所用材料参数见表1 表1前防撞梁所用材料参数 T a b 1M a t e r i a lp a r a n l e t e r so ff b l l tb u l n p e rb e a n l 密度 弹性 泊 屈服抗拉 材料松 k m 3 模量 G P a强度 M P a 强度 M P a 比 D P 7 8 07 8 52 0 5O 34 9 27 8 0 B T R l 6 57 8 32 0 0O 311 8 516 0 0 D C 0 17 8 02 0 0O 31 8 03 0 1 2 超高强度钢横梁的仿真结果分析 应用B T R l 6 5 材料的防撞梁横梁全局能量变化 曲线见图2 可知 沙漏能仅占总能量o 2 整体内 能和动能合理且对称 符合基本理论 仿真结果可 靠 两种设计的仿真结果比较见表2 其中吸能比指 吸能盒与横梁吸能之比 s 图2全局能量变化曲线 F i g 2 G l o b a le n e r g yc h a n g ec u n e s 表2两种设计的防真结果比较 T a b 2 C o m p a r i s o no fs i n l u l a t i o l lr e s u l t so ft w od e s i g l l s 1 8m m3 8m m 增减 参数 B T R l 6 5D P 7 8 0百分比 最大加速度 m r r s 2 4 1 5 83 9 2 06 最大侵八量 m m 3 5 42 9 02 2 1 吸收的能量 J 83 4 290 1 2 7 4 质量 蝇 4 2 88 2 4 4 8 吸能比 O 8 4 3O 3 7 51 2 4 8 由表2 可知 B T R l 6 5 防撞梁横梁吸能减少 原 因是横梁厚度不合适 需要进行优化 计算吸能盒的 吸能 发现在替换材料之后 两个吸能盒吸能38 1 6 J 比原材料时的24 5 7J 增多 吸能盒与横梁吸能比 增大 将两种设计的防撞梁横梁和吸能盒吸能求和 一 一一一一 一 2 0 8 6 4 2 0 r 爿 万方数据 1 8计算机辅助工程2 0 1 4 年 得到B T R l 6 5 材料时为83 4 2J 原D P 7 8 0 材料为 90 1 2J 即B T R l 6 5 材料整体未达到原来的吸能性 能 因厚度和材料的抗拉强度是吸能的主要影响因 素 故考虑对横梁和吸能盒的厚度进行匹配 在材料 替换后 吸能更加合理 总体吸能更多 同时 由表2 可知 最大侵入量有大幅增加 未达到原来的性能 也说明需要进行厚度尺寸优化 对两种材料横梁碰撞仿真下的防撞梁后部加速 度进行S A E 滤波 结果见图3 可知 在碰撞开始阶 段 替换成超高强度钢之后 加速度小于原设计 但 在碰撞后阶段出现较大峰值 同时 由表2 可知 最 大加速度大于原设计 故也需进一步优化 造近似模型 首先需确定响应面的形式 然后运用试 验设计和仿真采集足够多的样本性能参数 最后运 用最小二乘法建立各响应量的近似模型 表3 试验设计的样本仿真数据 T a b 3S i m u l a t i o nd a t ao fe x p e r i m e n t a ld e s i g ns a m p l e s f 1 f 2 D 玎 k g E lR m mm mf m l l s 2 1 m m 1 6 0 02 1 33 9 3 473 6 5 74 6 5 33 5 0 7O 8 7 0 1 6 8 21 9 14 0 1 480 0 3 84 9 3 03 6 7 5O 9 4 1 1 7 6 42 0 24 2 1 682 2 2 74 2 9 13 5 4 5O 8 5 0 1 8 4 51 8 04 2 9 483 7 0 34 7 6 03 5 8 2O 8 7 7 1 9 2 73 O O4 8 9 864 5 2 54 5 6 52 9 7 6O 2 7 3 2 0 0 92 8 95 0 1 968 4 6 84 4 2 02 9 3 1O 3 0 0 2 0 9 12 6 75 1 0 072 5 8 74 2 1 82 8 9 7O 3 3 4 2 1 7 32 2 45 1 0 385 4 5 53 8 4 53 0 1 6O 5 1 6 2 2 5 52 7 85 4 6 376 3 2 44 1 7 92 7 2 2O 2 7 3 2 3 3 62 3 55 4 6 485 8 0 74 1 4 22 7 9 OO 4 1 6 2 4 1 82 5 65 7 0 284 6 0 44 3 4 52 6 4 3O 3 3 2 2 5 0 02 4 55 8 2 485 8 2 34 4 4 22 5 8 5O 3 2 6 图3 两种情况的车辆加速度 实际工程问题多用多项式响应面模型 而且以 n 3 3 A u 的m o b l k k 怵1 0 n 8m 叭0 c a 8 2 阶多项式响应面 1 应用最广泛 曲面模拟精确度 3 防撞梁试验设计和响应面模型比较高对样本点要求较少 适合变量少的问题 其 具体函数表达式为 3 1 试验设计和样本仿真 tttH 为减少试验次数 同时得到有效而均匀的试验 y 2 风 刍卢 刍卢 刍刍卢i 戈 1 样本 采用优化的拉丁方进行试验设计 口 f 为防撞 式中 风 卢 卢 和卢 都为待定系数 厶为自变量个数 横梁的厚度 取值范围为 1 6 2 5 f 为吸能盒的常采用最小二乘法计算响应表面的系数矩阵 最后 厚度 取值范围为 1 8 3 0 在取值范围内进行优 通过方差分析中的决定因数R 2 验证响应表面对响 化的拉丁方试验设计 得到1 2 个样本点 分别进行 应量的拟合程度 决定因数R 2 定义为 1 2 组仿真 有限元仿真每次需要得到5 个响应 分 亡 一 一 别为 横梁与吸能盒质量之和m 单位k 吸能之和 K 2 刍o y 一y J 刍o y 一y J L 2J E 单位J 碰撞中整车最大加速度以 单位m s 2 横 式中 P 为设计点的个数 y 步 和矿 分别为响应量 梁最大侵入量D 单位m m 吸能盒与横梁吸能比 的实测值 预测值和实测值的平均值 R 2 越接近于 R 仿真计算得到的样本数据结果见表3 1 近似模型的拟合效果越好 一般工程问题R 2 在 3 2 响应面模型 0 9 以上就认为该近似模型达到精度要求 响应表面法是一种将试验设计与数理统计相结 在I s i g h t 的A p p r o x i m a t i o n 模块下用2 阶多项式 合建立经验模型的优化方法 采用响应表面法构 响应面构造5 个输出响应的近似模型 结果为 fM 一o 0 2 83 1 9 7 75 f 1 o 3 8 46 如一o 0 0 12 f 一o 0 0 26 f 一o 0 0 18 f l f E 49 2 6 1 3 3 22 4 f l 一1 8 5 2 f 2 4 9 4 9 f 一4 7 6 5 f 3 0 1 7 f l f 2 4 2 9 6 4 1 3 0 6 f l 一1 0 3 2 f 2 2 8 5 f 1 9 3 f 5 5 f l f 2 3 D 7 1 9 3 5 9 6 f l 一2 2 0 8 f 2 2 8 4 f 一3 0 o f 1 5 o f l f 2 R 4 6 9 7 1 9 7 4 f l 一1 0 2 3 f 2 o 2 3 6 f o 0 1 55 f o 2 4 7 f l f 2 由式 2 求得各个响应面的R 2 分别为1 0 0 0 0 9 7 2 0 9 0 1 0 9 9 7 和0 9 9 8 等 均大于0 9 响应 瓤 弘如巧 加 0弓 一N uHgJ 万方数据 第3 期 陈则尧 等 基于响应面法的汽车前防撞梁轻量化分析 1 9 面精度满足要求 质量对于厚度应为线性关系 在本 文得出的m 响应面模型中二次项 交叉项和常数项 都非常小 即m 与f 和f 为线性关系 吸能 最大加速度 最大侵入量和吸能比的可视 化响应面见图3 6 18 图3吸能关于f 和f 的响应面 F i g 3R e s p o n s es u r f a c eo fe n e r g ya b s o r p t i o nt of 1a n df 2 图4最大加速度关于f 和f 的响应面 F i g 4R e s p o n s es u d l a c eo fm a x i m u ma c c e l e r a t i o nt o 1a n df 2 图5最大侵入量关于f 和f 的响应面 F 嘻5R e s p o l l s es u r f a c eo fm a X i n l u mi n t m s i o n d i s p l a c e n l e n tt of 1 a n df 2 图6吸能比关于 和 的响应面 F i g 6R e s p o n s es u r f a c eo fe n e r g ya b s o r p t i o nr a t et o 1a n df 2 4 防撞梁的多目标优化 考虑到吸能是防撞梁的主要性能 因此需要将 吸能和质量作为优化目标 进行多目标优化 l0 在 多目标优化中 对于吸能的对比目标 仍然为原设计 的吸能 90 1 2J 这里取90 0 0J 对于质量的对比 目标 取减重4 0 即总质量为5 0k g 这样产生的 目标函数可以去单位化 两种目标的单位都为1 同 时取权重相等且均为1 将最大加速度 最大侵入量 和吸能比作为约束条件 考虑自变量的取值范围 与 原设计相比 这些约束均为性能不下降 得到优化模 型为 变量 f l f 2 目标函数 m i n 一E 90 0 0 m 5 m a x E 血n m 4 约束 1 6 f l 2 5 1 8 f 2 3 0 以 4 0m s 2 D 3 0 0m m R 0 5 在I s i g l l t 中建立与 A p l r o x i I u a t i o n 模块连接的 O p t i m i z a t i o n 模块设置好 约束和目标 利用得出的 近似模型进行优化 工作 流图见图7 由于变量参 数只有2 个 而且各响应 面均为2 阶多项式 故应 用N L P Q L 进行优化 经过 A p p r o x i m a t i o 图7I s i g l l t 工作流图 F i g 7 W o l k f l o wo fI s i g h t 2 2 步迭代后收敛 优化后f 的理论值为2 2 9 68 f 的理论值为2 0 4 96 经圆整后 f 为2 3 f 为2 0 利用上述优化模型得到的优化方案数值 修改 有限元模型进行仿真 计算结果与响应面结果对比 见表4 由表4 可以看出 除最大加速度外 其他各 项性能指标的响应面值和有限元仿真值相差均在 5 以内M 7J 说明响应面结果可靠 表4响应面值与有限元计算结果与响应面结果对比 T a b 4R e s l u tc o m p a r i s o no fr e s p o n s es u r f a c ea n df i n i t e e l e l n e n tc a l c u l a t i o l l 最大加速度 最大侵入量 性能指标 吸能 J吸能比 f m l l s 2 响应面89 8 5 14 03 0 0 OO 5 3 9 有限元仿真 89 0 0 O3 9 22 9 0 6O 5 3 0 偏差 O 92 O3 11 7 优化后的前防撞梁系统的各项仿真结果和原设 计对比见表5 可以看出各项性能接近于原设计 防 万方数据 2 0计算机辅助工程2 0 1 4 年 撞梁系统整体减重3 6 表5优化设计与原设计的仿真结果比较 T a b 5 C o m p a r i s o no fs i m u l a t i o nr e s u l t so fo p t i m i z a t i o n d e s i g na n do r i g i n a ld e s i g n 比较项目优化设井原设计增减百分比 最大加速度 m r n s 2 3 9 23 9 2O 最大侵入量 m m 2 9 0 62 9 0 OO 2 吸收的能量 J 89 0 0 O90 1 2 1 2 吸能比 O 5 3 0O 3 7 54 1 3 3 质量 k g 5 2 78 2 4 3 6 优化设计与原设计的加速度对比见图8 优化 前后的最大加速度几乎相同 而且优化设计后大部 分时问的整车加速度比原设计小 5结论 1 在低速前柱碰模型中 防撞梁应用超高强 度钢 然后进行厚度优化 在保证低速碰撞性能下 参考文献 减轻前防撞梁的质量 在替换材料之后需要做进一 步的优化以实现轻量化的目标 4 0 3 5 3 0 2 5 2 0 l5 1 0 5 0 5 0O 0 5O 1 00 1 502 0 s 图8优化设计与原设计的加速度对比 F i g 8 A c c e l e r a t i o nc o m p a r i s o no fo p t i m i z a t i o nd e s i g n a n do r i g i n a ld e s i g n 2 利用优化拉丁方取样方法 从而有效减少 碰撞仿真次数 得到有效而均匀的采样点 运用2 阶 多项式响应面构建低速碰撞的响应面模型 与仿真 结果对比 验证有效性 可以用于优化 1 陈现岭 岳鹏 张凯 基于R c A R 试验的汽车低速碰撞性能设计 J 汽车工程 2 0 0 9 3 1 1 2 1 1 6 5 1 1 6 8 c H E Nx i a n l i g Y u EP e g z H A N GK a i V e h i c l e1 0 ws p e e dc r a s h w o r t h i n e s sd e s i g nb a s e do nR c A Rt e s t s J A u t o m o t i v eE g 2 0 0 9 3 1 1 2 1 1 6 5 1 1 6 8 马鸣图 易红亮 路洪洲 等 论汽车轻量化 J 中国工程科学 2 0 0 9 1 1 9 2 0 一2 7 M AM i g t u Y IH o g l i a g L UH o g z h o u 以 f 0 nt h el i g h tw e i g h t i go fa u t o m o b i l e J c h i nE gs c i 2 0 0 9 1 1 9 2 0 一2 7 克莱恩B 轻量化设计 M 陈力乔 译 北京 机械工业出版社 2 叫O 1 2 9 N E D D E R M E J E RHG v a n0 0 R T M A R S S E NGJ H E R S M AN 以 f Af r a m e w o r kf o rr e s p o n s es u r f a c em e t h o d 0 1 0 9 yf o rs i m u l a t i o no p t i m i z a t i o n m o d e l s c P r o c2 0 0 0w i n t e rs i m u l a t i o nc o n f s a nD i e g o s o c i e t yf o rc o m p u t e rs i m u l a t i o nI n t e m a t i o n a l 2 0 0 0 1 2 9 1 3 6 张伟 张鲲鹏 戴轶 轻量化车身车顶抗压设计优化 J 计算机辅助工程 2 叫2 2 1 2 4 6 4 9 z H A N Gw e i z H A N GK u p e g D A IY i D e s i g no p h m i z a h o no nr o o fc m s hr e s i s t a n c ef o rl i g h tw e i g h tv e h i c l eb o d y J c o m p u tA i d e dE g 2 0 1 2 2 1 2 4 6 4 9 万鑫铭 徐小飞 徐中明 等 汽车用铝合金吸能盒结构优化设计 J 汽车工程学报 2 叫3 3 1 1 5 2 1 w A Nx i n m i g x ux i a o f e i x uz h o g m i g 以 f s t r u c t u r eo p t i m i z a t i o nd e s i g no fa l u m i n u ma 1 1 0 ye n e g y a b s o r b i n gb o xf o ra u t o m o t i v e J C h i nJA u t o m o t i v eE n g 2 叫3 3 1 1 5 2 1 戴庆辉 方俊元 基于响