帕累托最优在新型蜂窝结构吸能盒防撞性能中的应用

为提升车辆在低速(通常小于15 km/h)碰撞工况下的防撞性能,该文给出一种新型蜂窝铝结构吸能盒。建立了低速碰撞仿真有限元模型,利用LS-DYNA进行碰撞分析。选取新型蜂窝铝吸能盒结构中钣金件的厚度、几何形状等设计参数,建立该问题的数学优化模型,利用帕累托最优理论和多目标遗传算法,得到该优化问题的帕累托解集空间,并运用标准边界交叉(Normal-boundary intersection,NBI)法找出最优设计方案。与传统结构吸能盒相比,在不增加结构质量的前提下,该吸能盒能够显著提升车辆在低速碰撞工况下的防撞性能。     

泡沫铝填充结构汽车车门防撞梁仿真

为提高汽车侧碰安全性,利用泡沫铝的吸能特性,将泡沫铝填充到汽车车门的防撞梁中,设计一种新型填充结构防撞梁以提高汽车在侧面碰撞中的吸能特性.首先,以Hypemesh为前处理器,以LS-DYNA为求解器对传统结构防撞梁及所设计的新型防撞梁组成的两种车门部件的碰撞特性分别进行仿真分析,得出两种车门部件与刚性柱侧碰时车门和防撞梁变形图、应力云图以及入侵速度-时间曲线.然后对仿真结果进行比较分析.结果表明,与传统结构防撞梁相比,泡沫铝填充结构防撞梁具有更高的吸能特性.     

基于拓扑优化的电动汽车白车身优化设计

针对电动汽车的独特承载要求,提出一种结合拓扑优化和车身尺寸优化的优化设计方法.以某型电动汽车为实例,通过建立白车身拓扑优化模型、有限元概念模型、尺寸优化模型和样车制造,进行了从整车拓扑结构到车身梁截面的优化设计过程,实现了电动汽车白车身的正向设计.在优化过程中采用遗传算法,以弯曲刚度和扭转刚度同时作为优化目标,白车身质量最小作为优化约束,选取了灵敏度较高的梁作为变量进行多目标优化.通过与样车参数的比较表明,该方法能够满足设计和工艺要求,实现轻量化设计,对提高白车身设计效率和精度有着重要的意义.     

基于响应面法的车身前端结构钢板匹配方法研究

为了合理匹配不同等级的钢板在汽车车身前端碰撞吸能结构件中的应用,提出了基于响应面方法的优化设计方法.通过拉丁方试验设计和二次多项式回归模型,采用优化软件LS-OPT和碰撞数值仿真软件LS-DYNA,对某轿车前端的6个吸能结构件的钢板,进行了8种不同材料的屈服强度的匹配优化,得出了最有利于正面碰撞的钢板组合.对优化前后的整车进行了正面碰撞的对比分析,验证了基于响应面方法进行材料匹配优化的可行性.     

车身低速碰撞吸能结构的优化设计

针对汽车低速正面碰撞时车身部件的抗撞性优化问题,选择了碰撞盒结构作为研究对象,运用二次回归正交组合试验设计方法合理分布试验点,并结合最小二乘法构造出整体质量、吸能值及最大碰撞力关于板厚的响应面模型;综合考虑实际车身部件板厚范围及轻量化要求,采用自适应响应面法对响应面模型进行了优化设计.结果表明,提出的碰撞盒结构优化方法及流程具有较高的精确性和有效性.     

基于三维多胞结构的汽车吸能盒优化设计

为改善汽车吸能盒在低速碰撞情况下的力学表现,将一种新型具有负泊松比效应的多胞结构设计为汽车前纵梁的吸能盒.通过对新型负泊松比多胞结构形状参数的研究,确立了多胞结构中特定的元胞几何参数及元胞层数作为优化变量,结构质量以及所吸收的能量作为优化目标.首先通过最优拉丁超立方的方法在变量空间内进行样本点的选取并采用ABAQUS进行有限元仿真计算,然后由Isight软件根据样本点的计算结果对优化变量与优化目标建立三阶响应面模型,最终采用NCGA对响应面模型进行优化.将优化结果进行RCAR(Research Council for Automobile Repairs)标准模型仿真计算,结果验证了这一新型负泊松比吸能盒可以在较小的质量下满足RCAR低速碰撞标准.     

汽车保险杠系统吸能盒结构参数对低速碰撞下吸能特性的影响

针对吸能盒在汽车低速碰撞下无法更加有效地吸收碰撞能以保护车身和减轻乘员伤害的问题,提出利用铝合金吸能盒结构有限元模型优化其吸能特性的方法。该方法基于碰撞理论和变量参数法,采用吸能量、变形量和碰撞力峰值作为评价指标,研究吸能盒壁厚、截面形状对吸能特性的影响。进一步探讨了V型诱导槽对吸能盒吸能特性的影响;得到了对吸能特性影响更为突出的结构。实验结果表明,适当地增加吸能盒壁厚,可提高吸能盒的吸能特性和吸能潜力;与圆形截面相比,六边形和八边形截面吸能盒的吸能量分别提高了6.2%和19.3%,正方形截面吸能盒的吸能量下降了5.44%;与普通吸能盒相比,分别添加1V、2V、3V型诱导槽的吸能盒可提高吸能量约16%,而诱导槽数的变化对吸能盒吸能特性的改善并不明显。与壁厚和诱导槽数对吸能特性的影响相比,吸能盒的截面形状和有无V型诱导槽对吸能特性的影响更为突出,与原吸能盒相比,带有V型诱导槽的八边形吸能盒的吸能特性有了显著提升。     

复合材料防撞梁低速碰撞的研究与多目标优化

复合材料在汽车车身上的使用是实现汽车轻量化的一个十分重要的途径,而防撞梁对于汽车及人员安全起着重要的作用。首先,建立保险杠有限元模型及低速碰撞仿真模型;其次,分析比较传统材料与碳纤维复合材料的防撞梁在偏置和正面碰撞工况下的应力、位移量、碰撞力峰值和比吸能的性能指标;最后,对碳纤维复合材料防撞梁的铺设层数和其余部件的厚度作为设计变量,通过实验设计(DOE)筛选试验点,采用移动最小二乘法创建质量和碰撞性能指标响应面模型,进而利用多目标遗传算法对该模型进行求解并选取最佳结构方案。结果表明:优化前碳纤维复合材料的比吸能比传统材料钢提高了34.8%,质量减轻了27.1%;优化后的复合材料在两种工况下碰撞力峰值较优化前均降低,保险杠的质量从原来的3.653 kg减至3.145 kg,降低了13.9%。     

某车型40%偏置碰撞吸能盒的优化研究

采用LS-DYNA软件建立了可替代整车40%偏置碰撞的吸能盒子模型,并验证了子模型的可靠性。在子模型基础上,优化了原吸能盒结构。整车采用优化后吸能盒结果表明:碰撞侧吸能盒内能比原结构增加56.8%,吸能盒碰撞力峰值比原结构减小19.3%。     

纯电动汽车车身多目标拓扑优化设计

为解决纯电动汽车车身设计中仍沿用传统车身,未同时考虑碰撞相容性和正面碰撞安全性的问题,基于混合元胞自动机拓扑优化方法,以在约束条件下吸收碰撞能量最大化为优化目标,对车身结构进行多工况概念设计,从而确定出合理的电动汽车车身布局,设计出了一种满足正面碰撞安全性与碰撞相容性的车身头部结构.结合拓扑优化结果进行有限元模型验证与厚度分析,结果表明:2~3mm的汽车头部厚度可在满足正面碰撞安全性条件下平衡碰撞过程中车体结构的纵向错位,保证碰撞力的均匀分布,实现车身轻量化.     

汽车保险杠低速碰撞安全性能优化

介绍了最新的国际汽车维修研究理事会《保险杠碰撞试验规程》及其评价指标。针对某厂商提供的保险杠模型,在仿真软件LS-DYNA中对其低速碰撞安全性能进行了分析。分析结果表明:该保险杠发生折弯失效,不能满足RCAR评价指标,需要进行改进。通过探索保险杠防撞横梁和吸能盒壁厚对其安全性能的影响,得到了两者的最佳组合方案,显著改善了保险杠性能。随着防撞横梁壁厚的增加,保险杠的安全距离逐渐增加;随着吸能盒壁厚的减小,保险杠的吸能总量逐渐增加,但安全距离逐渐减小。     

基于形体分析的零件尺寸自动标注

采用面向对象的方法建立零件尺寸信息模型,描述面向尺寸标注的零件数据,进而给出了零件尺寸自动标注算法,以及尺寸标注知识的表达方法.详细讨论了算法中基于零件拓扑结构与特征成形等的形体分析,图元尺寸自动生成与特征关联尺寸及冗余尺寸等的识别优化,以及基于特征包围盒的尺寸布局等关键步骤的实现.设计开发了零件尺寸自动标注系统,通过在航空发动机涡轮盘等零件工程制图中的应用,证明该方法能够高效生成准确性高、符合规范且排列整齐的零件尺寸.     

基于近似模型技术的圆管耐撞性优化设计

针对汽车纵梁前端的薄壁吸能圆管,进行了涉及半径与长度变量的形状尺寸参数化设计,提出对设计空间进行逐次拟合的方法,通过移动与缩放来不断更新与缩减整个设计空间,在新的设计空间中将试验设计、薄壁圆管的高精度近似模型以及小种群遗传算法相结合进行寻优.数值算例表明,最优设计不仅使薄壁圆管的吸能性得到改善,提高了优化设计的效率,而且还减轻了质量.     

考虑碰撞安全性的电动客车车身截面尺寸优化

针对承载式车身结构的客车在正面碰撞中安全性较差的问题,结合有限元网格变形技术对客车前端管梁结构进行碰撞安全性和轻量化多目标优化设计。建立了客车碰撞分析有限元模型并对碰撞后的评价指标进行了分析,选取了在正面碰撞中吸能量占比较大的管梁结构作为优化区域,以选取出的管梁截面的长度、宽度和厚度作为设计变量,引入驾驶舱4个关键位置的侵入量、前端结构的吸能量、峰值侵入速度和设计区域总质量作为优化响应,通过灵敏度分析得到各设计变量对优化响应的贡献度值,基于熵权法和TOPSIS综合权重方法,筛选出对优化响应综合贡献度较高的设计变量,最后结合拉丁超立方实验设计、响应面法(RSM)和NSGA-Ⅱ算法对客车前部区域结构进行了多目标优化,研究结果表明：多目标优化后,驾驶员胸部生存空间提升6.28%,腿部生存空间提升9.7%,选取点峰值侵入速度降低6.1%,客车前端吸能结构吸能量提升8.3%,同时实现客车前端结构质量减轻15.187kg,减重率为6.58%。     

塔式起重机臂架腹杆布局及尺寸优化设计

为实现塔式起重机臂架布局和尺寸的优化,提出了桁架结构拓扑及尺寸两阶段优化设计方法.第一阶段先建立臂架的周期性板梁拓扑优化模型,使用周期性SKO方法对腹板进行连续体拓扑优化,得到优化的腹板拓扑构型,并通过提取主应力路径将优化的腹板拓扑结构转化为离散的腹杆布局;第二阶段以臂架腹杆截面半径为设计变量,臂架柔度为目标函数,材料体积为约束条件建立优化模型,基于Lagrange乘子法和库恩塔克条件推导腹杆截面尺寸优化迭代准则,基于欧拉公式推导了腹杆稳定性约束条件以保证尺寸优化过程中臂架稳定性.数值分析结果表明,该优化方法能有效地减轻臂架结构质量,提高臂架的刚度,减少变形并降低结构应力水平.     

基于可靠性优化设计的客车碰撞安全性

为了提高国内某量产全承载式客车在正面碰撞过程中的安全性,采用有限元法并参考该客车的材料属性要求建立其正面碰撞有限元仿真模型.提出在该客车车身前部安装八边形吸能结构,且将有限元法、试验设计、响应面法、可靠性理论和优化算法相结合,对八边形吸能结构进行可靠性优化设计,并与确定性优化设计所得结果进行对比.结果表明:在客车车身前部安装八边形吸能结构能显著提高该客车在正面碰撞过程中的安全性,且2种优化方法都能进一步提高其正碰安全性能;2种优化方法相比,可靠性优化虽然使得吸能量相对确定性优化减少4.3%,但是使得加速度减少16.05%,且可靠度提升了19.33%,故对八边形吸能结构进行可靠性优化设计能更好地满足该客车在正面碰撞过程中的安全性要求.     

基于侧面碰撞的热成型钢应用分析

高强度钢的热成型技术可以解决传统成型钢板在汽车车身制造中遇到的诸多问题,而且使车身更加安全环保节能.以某型轿车为例,通过动力显示仿真软件LS-DYNA建立了整车侧面碰撞模型,车门防撞梁模型,B柱加强板碰撞仿真模型,将传统成型钢板和热成型钢板进行仿真对比分析.结果表明,采用2.0 mm热成型防撞梁替换原2.5 mm普通型防撞梁,B柱加强板厚度由1.5 mm降为1.2 mm,整车车身侧面碰撞安全性能大幅提高,新设计车门内凹420.33 mm,比原始设计的426.74 mm显著减小.     

Am级中央分隔带柔性护栏耐撞性拓扑优化设计

为了设计出一套满足Am级防撞等级的新型中央分隔带柔性护栏,根据国内现有的评价标准,首先基于动态显式有限元方法建立并验证汽车-护栏有限元模型;然后结合元胞自动机的拓扑优化方法以立柱为设计域进行了不同工况下的拓扑优化分析,并提取了"叶片型"立柱拓扑构型;再运用正交试验方法对影响护栏性能的4个设计变量进行研究,获得中央分隔带柔性护栏立柱的最佳尺寸参数;最后对其进行验证分析。分析结果表明,3种法规规定的车型与护栏碰撞过程中,护栏的最大横向偏移量均小于评价标准规定的1000mm,车体的最大加速度均小于评价标准规定的20g,满足了碰撞安全性能评价标准要求,故得到的"叶片型"截面立柱能够实现Am级防护能力。     

吸能盒在低速撞击情况下的仿真与分析

以吸能盒的低速正面碰撞试验为例,利用Hypermesh软件建立了由壳单元组成的吸能盒有限元模型,应用LS-DYNA软件进行了正面碰撞的模拟,结果与试验以及理论数据对比,验证了仿真模型的可靠性.根据试验和仿真结果,确定了吸能盒结构耐撞性方面的影响因素,以此改进吸能盒耐撞性的方法.     

基于TRB结构的整车耐撞性可靠性优化

为提高汽车的结构耐撞性和轻量化水平,文章将连续变截面板(tailor rolled blank, TRB)应用于某轿车的前端关键吸能件,并对其进行可靠性优化设计(reliability optimization design, ROD)。基于试验验证的整车碰撞有限元分析模型建立关键吸能结构的TRB有限元模型;结合试验设计、克里格(Kriging, KRG)代理模型和多目标粒子群(multi-objective particle swarm optimization, MPSO)算法,以减轻结构质量和增大吸能为优化目标,对TRB的结构参数进行确定性优化和可靠性优化。结果表明:优化后的TRB前端结构与原设计相比,整车耐撞性及轻量化程度得到显著提升,同时也保障了设计的可靠性。