基于反求理論的汽車安全性優化分析論文

　　隨著汽車數量的不斷增長，交通事故的頻繁發生，安全性優化在汽車設計過程中的地位越來越重要。文獻分別對汽車車架和B柱進行輕量化設計，將其應用到整車的優化中。文獻從汽車整體性能的角度出發對車身多處結構的厚度進行計算，考慮其對汽車碰撞性能的影響。文獻對一種客車的側翻安全性進行評估，并對其上部結構進行一定改進。文獻利用響應面技術對車身結構進行優化。文獻在考慮響應面的同時還利用了逐步回歸模型，對汽車碰撞的安全性進行優化設計。文獻在進行優化設計時考慮到了材料特性對計算結果的影響，并與不考慮材料特性時的計算結果進行比較。在上述研究中，大部分關于汽車安全的分析并沒有考慮材料特性參數對汽車安全性能的影響，有些雖然己經得到了材料的各種彈塑性參數，并且考慮到材料參數變化對汽車安全性的影響，但只是利用了通用的特性參數，并沒有針對某一特定材料求出其對應的參數。

　　在零件的加工過程中，由于飯金件的沖壓以及環境溫度等的變化，材料的特性也會隨之變化，從而使得材料的一些參數發生變化，與通用的參數值產生一定的差距。當對實際過程進行模擬試驗時，由于利用了默認的參數值，使得模擬與試驗結果的差距變大。

　　針對上述方法的不足，通過反求方法求出某種材料準確的特性參數，并將其應用到某重卡駕駛室翻滾模擬試驗中，對駕駛室進行結構參數優化，從而提高駕駛室的安全性。

　　1背景

　　車輛翻滾的事故率在交通事故中所占的比例并不是很高，但是一旦發生，乘員死亡在所有的交通事故中卻占很大的比例。車輛翻滾主要發生在車輪滑到路邊小溝時或者撞到路邊的邊護欄時。當汽車在高速路上行駛時，如果遇到比較滑的標志線，也有可能由于失去控制而發生翻滾。

　　利用某重卡駕駛室模型，通過對頂蓋的頂壓試驗來模擬翻滾試驗對駕駛員乘坐空間的影響。

　　2材料參數反求

　　2. 1反求方法及流程

　　參數反求是將試驗得出的數據與利用有限元仿真計算出的數據作比較，得到誤差函數公式為式中:X為待求材料參數向量;m為測試點總數;在第1個時間點下加速度的有限元仿真響應值;為在第i個時間點下的試驗測試響應值。通過不斷調整所求參數，直到誤差函數值在變量變化的范圍內最小，從而得到所求的參數值。由于各點處的試驗值相差較大，為了保證所有的測試點都有大致相同的概率被優化，對其進行歸一化處理。

　　將仿真過程中碰撞臺車B柱處的加速度曲線與試驗測得的曲線作比較。采用LSYNA碰撞仿真軟件模擬臺車試驗，其中吸能盒材料DC04采用式(2)所示的動態本構關系。在有限元仿真中，可以直接輸入材料的應變率參數C和P，或者通過載入多條不同應變率的應力應變曲線來代替應變率參數的輸入。由于本文的目的是為求得材料的應變率參數，所以在建立有限元模型時，直接輸入材料應變率參數來定義材料的性質。采用遺傳算法對應變率參數進行優化。將C和P作為決策變量，取模擬與試驗之間的差距作為目標函數。利用遺傳算法進行不斷迭代優化，求得差距的最小值，從而得到材料的應變率參數。

　　反求過程具體步驟如下:

　　1)給定吸能盒的幾何參數，確定吸能盒的U型板和腹板之間焊點的位置。

　　2)將吸能盒平整地焊接在試驗臺車上，對其進行碰撞試驗。利用臺車B柱處的加速度傳感器采集碰撞過程中臺車的加速度，得到其隨時間變化的曲線。

　　3)建立吸能盒碰撞仿真模型。利用有限元軟件模擬吸能盒碰撞過程，模擬的吸能盒尺寸及材料均與試驗中的材料參數相同。采集與步驟(2)中同一位置處的加速度曲線。

　　4)根據加速度曲線的變化采集若干個時刻處的加速度值。通過試驗數據與仿真計算數據之間的差距得到誤差函數值。

　　5)利用遺傳算法不斷修改應變率參數并進行迭代計算，求得誤差函數最小時的應變率參數，即為反求得的參數。

　　2. 2有限元模型的建立及計算

　　模擬的吸能盒與試驗的幾何參數完全一致，在臺車上配以適當重量來代替試驗中的數據采集系統，使仿真重量與試驗臺車重量一致。在Hypermesh中利用剛性墻來模擬試驗中的碰撞接觸。臺車的初始速度設定為25 km/h。

　　臺車的模擬主要采用剛性材料;在Hypermesh中采用四邊形網格處理吸能盒，共有節點9 24。個，網格8 920個。吸能盒各網格尺寸均控制在5 mm以內。

　　3某重卡駕駛室白車身優化

　　利用反求方法得到了試驗中吸能盒的材料特性參數。將該材料應用到某重卡駕駛室的白車身結構，并利用有限元模擬其在翻滾試驗中的安全性，根據汽車翻滾的要求，在對其進行優化時要考慮到駕駛員乘坐空間的變化，使其在變形后仍能保證駕駛員的安全。所以本文以頂蓋在駕駛員位置的壓縮量最小化和卡車駕駛室質量最小化為目標建立多目標優化模型。同時駕駛室側圍的吸能不超過給定值，對駕駛室頂蓋和側圍的厚度進行優化，建立如下的多目標優化問題:

　　4結論

　　1)利用與車身相同的材料建立了吸能盒碰撞的仿真模型。給碰撞臺車設置一定的初始速度，使得吸能盒與剛性墻進行碰撞。在碰撞臺車上裝有加速度傳感器，采集了臺車中間位置處的加速度曲線。

　　2)利用仿真軟件構造與試驗相同的模型并對其進行碰撞計算，得到了模擬的加速度曲線。

　　3)將1)和2)中得到的兩條曲線進行比較，并通過反求技術求出材料的應變率參數。相對于默認的參數值，C和P分別增大了7. 89%和減小了1. 51%。

　　4)在對汽車翻滾模型的結構參數進行優化時，利用遺傳算法得到了一組解。相對于其它的優化結果，給設計者提供了多個參考值。

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