楊旭靜，張振明，鄭 娟，段書用

(湖南大學(xué)，汽車車身先進(jìn)設(shè)計制造國家重點實驗室，長沙 410082)

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2015193

復(fù)合材料前防撞梁變截面多工況多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計*

楊旭靜，張振明，鄭 娟，段書用

(湖南大學(xué)，汽車車身先進(jìn)設(shè)計制造國家重點實驗室，長沙 410082)

本文中綜合考慮汽車低速碰撞中的角度和對中兩種碰撞工況，結(jié)合碳纖維/環(huán)氧樹脂材料的特點，提出了一種變截面復(fù)合材料前防撞梁設(shè)計方法。首先，通過低速碰撞兩種工況中前防撞梁的仿真計算發(fā)現(xiàn)，在等厚度的情況下，為滿足侵入量的條件，對中碰撞時所要求的厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于角度碰撞時的要求，因此，根據(jù)對中碰撞時前防撞梁的受力和約束條件，為其提出了中間厚兩端薄，即變截面的設(shè)計方案。然后，以最小化吸能盒截面力和前防撞梁質(zhì)量為目標(biāo)，許用侵入量為約束，兩種截面厚度和加厚區(qū)域長度為設(shè)計變量，基于采集的試驗點構(gòu)建吸能盒截面力和前防撞梁質(zhì)量的Kriging代理模型，利用NSGA-Ⅱ算法對其進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化。最終的結(jié)果表明，在滿足性能要求的基礎(chǔ)上變截面設(shè)計使復(fù)合材料前防撞梁的質(zhì)量分布更為合理，在不增加質(zhì)量的條件下，角度和對中兩種低速碰撞工況中耐撞性能都得到提高。

前防撞梁；輕量化；多目標(biāo)優(yōu)化；碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料；變截面

前言

汽車車身輕量化的實現(xiàn)主要有3種途徑[1]：一是汽車結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計，即通過改進(jìn)汽車結(jié)構(gòu)，使部件薄壁化、中空化；二是采用輕量化工藝，如拼焊板、變截面等制造工藝；三是使用輕量化材料。復(fù)合材料在汽車車身結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用是實現(xiàn)汽車輕量化的一個有效途徑。隨著復(fù)合材料性能的提高，其應(yīng)用也越來越廣泛。碳纖維前防撞梁是輕量化車身的一個典型應(yīng)用。

前防撞梁是汽車車身上影響汽車碰撞安全性關(guān)鍵的薄壁零件。為在滿足汽車碰撞法規(guī)的條件下實現(xiàn)復(fù)合材料在前防撞梁中的更好應(yīng)用，國內(nèi)外學(xué)者對于復(fù)合材料前防撞梁的耐撞性分析已做了較多的研究。文獻(xiàn)[2]中將玻璃纖維增強(qiáng)熱塑性材料(GMT)制成的保險杠橫梁與傳統(tǒng)高強(qiáng)度鋼相比有相當(dāng)?shù)牡退倥鲎舶踩阅?，且質(zhì)量減輕50%以上。文獻(xiàn)[3]中分別從前防撞梁的材料、形狀和碰撞工況等3方面開展研究，對比得到了SMC、GMT、鋼和鋁合金材料在車身應(yīng)用中的不同特點。文獻(xiàn)[4]中研究了混合生物復(fù)合材料前防撞梁的不同幾何形狀對碰撞性能的影響，得出雙帽形截面設(shè)計、增加加強(qiáng)筋數(shù)量和增加截面厚度能有效地改善前防撞梁的耐撞性。文獻(xiàn)[5]中改進(jìn)復(fù)合材料前防撞梁的結(jié)構(gòu)，在其兩端的后側(cè)增設(shè)襯墊，當(dāng)發(fā)生碰撞時襯墊撞擊前車輪胎，與襯墊相連的錐形部件開始漸進(jìn)式壓潰進(jìn)而吸收碰撞能量。該前防撞梁采用玻璃纖維/環(huán)氧樹脂及碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，在不降低前防撞梁靜彎曲強(qiáng)度的前提下減質(zhì)量30%。文獻(xiàn)[6]中對比分析了鋁合金、GMT和SMC 3種材料的前防撞梁在碰撞永久變形量、撞擊力、應(yīng)力分布和吸能等響應(yīng)值，得出SMC材料在這些性能方面要優(yōu)于其他兩種材料。文獻(xiàn)[7]中將鋁合金、玻璃纖維/環(huán)氧樹脂和碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料應(yīng)用于前保險杠，分別從質(zhì)量和吸能等方面對3種材料進(jìn)行對比，得出碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料輕量化效果最明顯，吸能特性也最為突出。

以上對復(fù)合材料前防撞梁的研究中，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方面并沒有將多種可能的碰撞工況綜合起來分析。本文中綜合考慮GB 17354—1998標(biāo)準(zhǔn)要求的角度和對中兩種低速碰撞工況，結(jié)合碳纖維/環(huán)氧樹脂(T700/2510)復(fù)合材料制造工藝的特殊性提出了一種新的優(yōu)化設(shè)計方案——變截面優(yōu)化設(shè)計，使復(fù)合材料前防撞梁在不增加質(zhì)量的前提下在兩種碰撞工況中耐撞性能同時達(dá)到優(yōu)化。

1 有限元模型的建立

根據(jù)GB 17354—1998標(biāo)準(zhǔn)的要求，對試驗車輛進(jìn)行低速角度碰撞和對中碰撞試驗，如圖1所示。碰撞速度分別為2.5和4km/h。碰撞器的質(zhì)量與試驗車輛的整備質(zhì)量相等，設(shè)置為1 425kg，在碰撞仿真過程中僅截取汽車前端主要結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行分析，再在模型的后部設(shè)置部分單元為剛性單元，汽車質(zhì)量通過這些剛性單元所附加的集中質(zhì)量來彌補(bǔ)，同時設(shè)置相應(yīng)的慣性矩和質(zhì)心。根據(jù)低速碰撞試驗法規(guī)規(guī)定，試驗中制動踏板必須放開，因此碰撞模型在碰撞方向不受約束，角度碰撞時，X和Y兩個方向的自由度都不受約束；對中碰撞時，X方向的自由度不受約束。

高強(qiáng)度鋼前防撞梁和吸能盒采用彈塑性材料模型，具體參數(shù)如表1所示。前防撞梁厚度為2.2mm，吸能盒厚度為1mm。

表1 高強(qiáng)度鋼前防撞梁和吸能盒材料參數(shù)

碳纖維/環(huán)氧樹脂(T700/2510)復(fù)合材料前防撞梁采用織物增強(qiáng)復(fù)合材料模型，材料參數(shù)如表2所示。通過定義殼單元厚度方向的積分點個數(shù)來模擬鋪層層數(shù)，一個積分點代表一層碳纖維布，每個積分點處的材料坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)角度代表單層碳纖維布的鋪層方向，考慮到中心面兩邊對稱鋪設(shè)相同方向?qū)拥奶祭w維布具有在固化后和變形過程中保持平面性的優(yōu)點[8]，本文中采用[0°/90°]ns交叉對稱的鋪層方式。單層碳纖維布的厚度為0.167mm，共鋪設(shè)30層，前防撞梁總厚度為5mm。材料模型采用Chang-Chang失效準(zhǔn)則[9]，該準(zhǔn)則包含了4種失效模式，即纖維拉伸破壞、纖維壓縮破壞、基體開裂和基體擠壓。

表2 碳纖維/環(huán)氧樹脂(T700/2510)材料參數(shù)

為提高仿真的準(zhǔn)確性，織物增強(qiáng)復(fù)合材料模型的失效參數(shù)考慮了所謂的漸進(jìn)失效[10]，即復(fù)合材料結(jié)構(gòu)滿足失效條件時失效單元將被刪除，與失效部位相鄰區(qū)域的復(fù)合材料會根據(jù)失效參數(shù)自動降低自身的強(qiáng)度。根據(jù)文獻(xiàn)[11]中提供的碳纖維/環(huán)氧樹脂(T700/2510)復(fù)合材料試件的形狀尺寸制作相同的試驗件，對該試驗件進(jìn)行沖擊試驗，得到?jīng)_擊力和比吸能試驗數(shù)據(jù)[12]。同時對該試件進(jìn)行同步數(shù)值模擬分析，結(jié)合文獻(xiàn)[11]和文獻(xiàn)[13]中關(guān)于漸進(jìn)失效參數(shù)的設(shè)置范圍和調(diào)整方法對設(shè)置參數(shù)進(jìn)行校核調(diào)整，直至數(shù)值模擬曲線能夠精確擬合試驗曲線為止。將校核精確的漸進(jìn)失效參數(shù)用于前防撞梁的碰撞仿真中。具體數(shù)值如表3所示，其中SOFT表示與碰撞失效部位相鄰的復(fù)合材料的強(qiáng)度折減系數(shù)，F(xiàn)BRT表示環(huán)氧樹脂基壓縮失效后碳纖維布拉伸強(qiáng)度的軟化系數(shù)，YCFAC表示環(huán)氧樹脂基壓縮失效后碳纖維布壓縮強(qiáng)度的折減系數(shù)。

表3 漸進(jìn)失效參數(shù)

2 仿真結(jié)果和分析評價

2.1 前防撞梁性能的評價指標(biāo)

汽車前防撞梁低速碰撞的耐撞性能評價，主要從保險杠系統(tǒng)的吸能特性和碰撞動力響應(yīng)特性兩方面來進(jìn)行。此外，結(jié)合GB 17354—1998標(biāo)準(zhǔn)中對前防護(hù)裝置的要求，定義如下評價指標(biāo)[6,14]。

(1) 失效評定 對于高強(qiáng)度鋼，前防撞梁不能觸碰到散熱器，前防撞梁的應(yīng)力應(yīng)變分布應(yīng)均勻，且最大應(yīng)力不能超過材料的屈服強(qiáng)度，否則視為失效。對于復(fù)合材料前防撞梁，由于定義了漸進(jìn)失效參數(shù)，所以在碰撞過程中只要前防撞梁網(wǎng)格單元沒有出現(xiàn)失效刪除現(xiàn)象即認(rèn)為是合格有效。

(2) 總吸能 汽車在低速碰撞和力度不大的撞擊中，要求保險杠系統(tǒng)盡可能多地吸收碰撞沖擊能量，這樣可以減少碰撞能量傳遞到汽車后部結(jié)構(gòu)上，起到保護(hù)汽車整體結(jié)構(gòu)的作用。本文中的總吸能為前防撞梁與吸能盒吸收能量之和。

(3) 碰撞力 碰撞器與前防撞梁之間的碰撞力完全可以反映在吸能盒截面力上，吸能盒的截面力越小，則通過前縱梁傳遞到車身后部的碰撞力越小，沖擊力的峰值越小，整車碰撞加速度的變化越平緩，碰撞安全性越好。

(4) 侵入量 碰撞器的侵入量越小，即前防撞梁變形量越小，則對前防撞梁后部機(jī)構(gòu)的損壞越小，越有利于保護(hù)散熱器和發(fā)動機(jī)等結(jié)構(gòu)的完整性，根據(jù)GB 17354—1998標(biāo)準(zhǔn)的要求，永久變形和損壞僅局限于保險杠及將保險杠安裝到車架上的安裝架和固定件，車身不能受損。所以，文中碰撞器與整車質(zhì)心相對變形位移量不能超過前防撞梁和車身之間間隔所決定的許可位移，結(jié)合本文中結(jié)構(gòu)尺寸，設(shè)定前防撞梁角度碰撞和對中碰撞的侵入量許用值分別為15和28mm。

(5) 碰撞時間 前防撞梁與碰撞器的碰撞接觸時間越長，前防撞梁的緩沖性能越好，對駕駛員的沖擊力越小，還可降低對行人的撞擊力度。此外，碰撞接觸時間的長短還能反映在碰撞力上，一般同一種材料的碰撞力與碰撞接觸時間呈正相關(guān)關(guān)系。

2.2 兩種前防撞梁性能的對比

低速碰撞中，兩種工況下兩種材料的前防撞梁性能參數(shù)仿真結(jié)果如表4所示。兩者均沒有出現(xiàn)材料斷裂失效的現(xiàn)象。在吸能方面，由于保險杠系統(tǒng)的主要吸能部件為吸能盒，單獨(dú)改變前防撞梁的材料對保險杠系統(tǒng)的吸能性能影響不大，但是復(fù)合材料保險杠系統(tǒng)的比吸能卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于高強(qiáng)度鋼的比吸能。角度碰撞和對中碰撞中，碰撞器的侵入量均小于許用侵入量，說明兩種材料的前防撞梁的剛度都較好。然而，復(fù)合材料前防撞梁的質(zhì)量只有1.767kg，比高強(qiáng)度鋼前防撞梁減輕了55.7%，在汽車輕量化方面效果明顯。

表4 兩種材料的前防撞梁性能參數(shù)對比

各項性能指標(biāo)對比分析表明，碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料前防撞梁達(dá)到碰撞標(biāo)準(zhǔn)的要求，且有些性能指標(biāo)優(yōu)于高強(qiáng)度鋼前防撞梁，說明該復(fù)合材料可以應(yīng)用于汽車結(jié)構(gòu)件上。

2.3 鋪層厚度對前防撞梁性能的影響

復(fù)合材料前防撞梁雖然能夠滿足GB 17354—1998關(guān)于前防護(hù)裝置的基本要求，但是其厚度卻明顯大于高強(qiáng)度鋼前防撞梁的厚度。在滿足設(shè)計需求的基礎(chǔ)上，減薄前防撞梁的厚度或更改其設(shè)計尺寸，進(jìn)而增大緩沖泡沫和吸能盒等零部件的設(shè)計空間和減小其自身質(zhì)量很有必要。

為更深入地了解不同厚度的復(fù)合材料前防撞梁對整車耐撞性能的影響，為復(fù)合材料前防撞梁厚度的優(yōu)化提供依據(jù)，分別將前防撞梁的鋪設(shè)層數(shù)設(shè)為15，18，21，24，27，30，33和36層。仿真結(jié)果表明，鋪設(shè)15層碳纖維布的前防撞梁在角度碰撞中會出現(xiàn)局部失效現(xiàn)象，予以剔除，其他層數(shù)的復(fù)合材料前防撞梁的性能參數(shù)如表5所示。由表可見，18，21和24層的前防撞梁在對中碰撞中侵入量超出許用值，達(dá)不到設(shè)計要求。

表5 不同厚度前防撞梁的性能參數(shù)

由表5可以得出以下結(jié)論。

(1) 在前防撞梁不發(fā)生失效的前提下，隨著其厚度的減小，前防撞梁質(zhì)量和吸能盒截面力呈減小趨勢；而碰撞器的侵入量、碰撞時間和比吸能則呈增大趨勢。說明在不發(fā)生碰撞失效和侵入量在許用范圍內(nèi)的條件下，前防撞梁的厚度應(yīng)盡量減薄。

(2) 角度碰撞中，前防撞梁的厚度由3mm增加至6mm時，碰撞器侵入量減小了1.787mm，說明此工況下侵入量對厚度值變化不敏感。對中碰撞中，前防撞梁的厚度由3mm增加至6mm時，侵入量減小了12.265mm，說明此工況下侵入量對厚度值變化較為敏感，如圖2所示。

(3) 角度碰撞時吸能盒A的截面力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于對中碰撞時吸能盒A或B的截面力，如圖3所示。這是由于角度碰撞是在一種極端測試條件下進(jìn)行的，碰撞器的碰撞力垂直作用于吸能盒A上，且碰撞器與前防撞梁的接觸面積較小。此外，吸能盒截面力會隨著前防撞梁厚度的增加呈增大趨勢，且角度碰撞的增長速度明顯大于對中碰撞的增長速度，見圖3。

3 前防撞梁變截面優(yōu)化設(shè)計

3.1 前防撞梁變截面設(shè)計的提出

由表5或圖2中的虛線可見，一方面，對于等厚度梁而言，對中碰撞時，鋪面層數(shù)要超過24層，才能滿足侵入量不大于28mm的要求；而角度碰撞時，18層鋪面的侵入量約只有8.5mm，遠(yuǎn)小于其允許侵入量(15mm)；而且從圖2中下面一條曲線的走勢看，要向左延伸很遠(yuǎn)，才有可能達(dá)到15mm的侵入量。說明從侵入量的角度看，角度碰撞對前防撞梁鋪面層數(shù)(厚度)的要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于對中碰撞的要求；也即鋪面層數(shù)(厚度)只要滿足對中碰撞的要求，就自然滿足角度碰撞的要求。因此，只須考慮對中碰撞的情形。另一方面，由表5和圖2還可看出，前防撞厚度的增加，不但引起材料消耗和質(zhì)量的增加，同時還會導(dǎo)致吸能盒截面力的增大、碰撞時間的縮短和比吸能的下降，所以等厚度的前防撞梁并不合理。此時，自然引入人們所熟知的等強(qiáng)度設(shè)計，或變截面設(shè)計。根據(jù)本文中前防撞梁的結(jié)構(gòu)，其兩端所連接的吸能盒柔性較大，相對于懸臂固定，其連接方式更接近于鉸接。因而對中碰撞時，可近似地將前防撞梁視為一根中間承受集中力的簡支梁，其所受的彎矩中間最大，向兩端逐漸減小。因此，相應(yīng)地選定“中間厚兩端薄”的變截面方案。

3.2 變截面厚度制造方案

在制造工藝方面，與傳統(tǒng)的金屬材料相比，復(fù)合材料有其特殊性，它由碳纖維布根據(jù)設(shè)計需求逐層鋪設(shè)層壓而成。因此可以根據(jù)生產(chǎn)實際情況在構(gòu)件的不同區(qū)域鋪設(shè)不同數(shù)量的碳纖維布，實現(xiàn)不同區(qū)域具有不同截面厚度的目的。但它畢竟不能像金屬材料那樣自由地沿長度方向隨意變化，故只為前防撞梁簡單地設(shè)置了中間和兩端兩種厚度，實際上是一根階梯梁。但為防止在厚度變化區(qū)域產(chǎn)生應(yīng)力集中和結(jié)構(gòu)分層等缺陷，采用圖4所示的鋪層方式進(jìn)行過渡[15]。

3.3 多目標(biāo)優(yōu)化代理模型的建立

由3.1節(jié)得出的結(jié)論將前防撞梁設(shè)計成圖5所示的變截面形狀。選取前防撞梁非加厚區(qū)域碳纖維布的鋪設(shè)層數(shù)x1、加厚區(qū)域碳纖維布的鋪設(shè)層數(shù)x2和加厚區(qū)域的長度x3作為設(shè)計變量。

設(shè)計目標(biāo)的選取一般會考慮前防撞梁的碰撞安全性和輕量化兩個方面，碰撞力大小是評價前防撞梁碰撞安全性的重要指標(biāo)，經(jīng)前面的統(tǒng)計分析，角度碰撞時吸能盒A的截面力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于對中碰撞時的截面力，因此，這里選取角度碰撞時吸能盒A的截面力Fs為優(yōu)化目標(biāo)之一，質(zhì)量m是輕量化的重要指標(biāo)，選其為優(yōu)化目標(biāo)之二。

將兩種工況的侵入量S60°和S90°設(shè)為約束條件。

多目標(biāo)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型表示為

(1)

3.4 前防撞梁變截面優(yōu)化設(shè)計流程

本研究的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計流程包括：試驗設(shè)計、代理模型的建立和多目標(biāo)優(yōu)化求解3部分。首先，采用最優(yōu)拉丁超立方試驗設(shè)計獲得足夠的樣本點；然后，基于這些樣本點構(gòu)造Kriging代理模型，并驗證該代理模型的精度；最后，利用NSGA-Ⅱ?qū)Υ砟Ｐ瓦M(jìn)行尋優(yōu)求解。

3.4.1 最優(yōu)拉丁超立方試驗設(shè)計

采用最優(yōu)拉丁超立方試驗設(shè)計方法采樣，樣本點及其響應(yīng)值如表6所示。

3.4.2 Kriging代理模型的建立及其精度驗證

表6 試驗樣本點與響應(yīng)值

Kriging代理模型[16]又稱空間局部插值法，是以變異函數(shù)理論和結(jié)構(gòu)分析為基礎(chǔ)，在有限區(qū)域內(nèi)對區(qū)域化變量進(jìn)行無偏最優(yōu)估計的一種方法。Kriging代理模型作為一種半?yún)?shù)化的插值技術(shù)，其目的就是通過部分己知的信息去模擬某一點的未知信息。它包含兩部分：多項式表示的參數(shù)化模型和隨機(jī)分布函數(shù)表示的非參數(shù)隨機(jī)過程模型，具體表示為

y(x)=F(β,x)+z(x)=fT(x)β+z(x)

(2)

式中：f(x)為變量x的多項式函數(shù)；β為相應(yīng)的待定參數(shù)；z(x)是均值為零、方差為σ2、協(xié)方差不為零的隨機(jī)過程，即

E(z(x))=0

(3)

Var[z(x)]=σ2

(4)

Cov[Z(xi),Z(xj)]=σ2R[R(xi,xj)]

(5)

式中：R為相關(guān)矩陣，R(xi，xj)是任何兩個樣本點xi和xj的相關(guān)函數(shù)，它對模擬的精確程度起決定性作用。其中計算效果最好，被廣泛采用的相關(guān)方程是高斯相關(guān)方程：

(6)

表7 Fs與和m與m′的絕對誤差和相對誤差

表7表明，F(xiàn)s和m相對誤差的最大絕對值為2.997%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于10%，說明Kriging代理模型精確度較高，可以用于下一步的優(yōu)化求解。

4 多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計結(jié)果分析

利用NSGA-Ⅱ算法對Kriging代理模型進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，經(jīng)過241次迭代計算得到Pareto前沿曲線，如圖6所示。該曲線包含角度碰撞吸能盒A的截面力峰值Fs、前防撞梁質(zhì)量m的19組非劣解集。優(yōu)化計算得到的基于Pareto的最優(yōu)解集在工程實際中提供了多種可行的設(shè)計方案，可根據(jù)工藝方案、產(chǎn)品的不同要求從中選取合適的結(jié)果。

代理模型的精度滿足工程要求，但是還須對代理模型預(yù)測的優(yōu)化值與數(shù)值模擬的仿真值進(jìn)行對比，以最終確定該方法的實際效果。

本文中選取一組與等厚度前防撞梁質(zhì)量相近的優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行對比分析，即x1=19，x2=32，x3=420mm。將這3個設(shè)計變量值代入仿真軟件中，計算得到相應(yīng)的目標(biāo)值，并與代理模型預(yù)測值進(jìn)行對比，結(jié)果如表8所示?？芍鄬φ`差的絕對值最大為0.928%，符合應(yīng)用要求。

表8 優(yōu)化值響應(yīng)的預(yù)測值與仿真值對比

優(yōu)化前后的目標(biāo)結(jié)果如表9所示。優(yōu)化前對中碰撞的侵入量超出許用值，優(yōu)化后對中碰撞的侵入量已在許用值范圍內(nèi)，如圖7所示，雖然角度碰撞的侵入量略有增加，但仍在許應(yīng)值范圍內(nèi)，如圖8所示。優(yōu)化后角度碰撞吸能盒A的截面力峰值下降了0.745kN，如圖9所示。優(yōu)化后前防撞梁質(zhì)量并未增加，說明其質(zhì)量分布合理，變截面設(shè)計方法更加優(yōu)越。

表9 優(yōu)化前后結(jié)果對比

5 結(jié)論

通過數(shù)值模擬，對碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料前防撞梁多工況碰撞進(jìn)行了系統(tǒng)研究，得出以下結(jié)論。

(1) 綜合考慮法規(guī)要求的角度和對中兩種低速碰撞工況，可以得出變截面設(shè)計能夠使前防撞梁的質(zhì)量合理分布，在不增加質(zhì)量的前提下變截面復(fù)合材料前防撞梁在兩種低速碰撞工況中耐撞性能都得到提高。

(2) 以前防撞梁截面厚度和加厚區(qū)域長度為設(shè)計變量，構(gòu)建了關(guān)于吸能盒截面力、前防撞梁質(zhì)量的代理模型，且采用NSGA-Ⅱ算法對該代理模型進(jìn)行優(yōu)化得到一組Pareto最優(yōu)解集，選取一組與等截面厚度前防撞梁質(zhì)量相近的優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行對比，優(yōu)化后的前防撞梁在角度碰撞中吸能盒A的截面力峰值有所減小，對中碰撞中侵入量也落在許用值范圍內(nèi)，耐撞性能得到提高，證明了變截面設(shè)計的合理性，多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計也為碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料前防撞梁的設(shè)計提供了多種可行的實施方案。

(3) 提出基于Kriging代理模型的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計分析方法，既提高了優(yōu)化效率，又保證了計算精度。

(4) 將碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料與傳統(tǒng)的高強(qiáng)度鋼材料對比發(fā)現(xiàn)，復(fù)合材料在汽車車身輕量化方面有明顯的效果，減輕了55.7%的質(zhì)量，且該復(fù)合材料能夠滿足GB 17354—1998標(biāo)準(zhǔn)要求，可以應(yīng)用于車身結(jié)構(gòu)件。

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Multi-conditions / Multi-objective Optimization Design of theVariable Cross-section of Composite Front Bumper

Yang Xujing, Zhang Zhenming, Zheng Juan & Duan Shuyong

HunanUniversity,StateKeyLaboratoryofAdvancedDesignandManufacturingforVehicleBody,Changsha410082

With concurrent considerations of both angular and centered impact conditions in vehicle low-speed crash, combined with the features of carbon fiber/epoxy material, a design scheme of composite front bumper with variable cross section is proposed in this paper. Firstly a simulation on front bumper in both angular and centered low-speed impacts show that for meeting the intrusion conditions of front bumper with uniform thickness, the required thickness for centered impact is far larger than that for angular impact. Based on this, according to the force bearing and constraint conditions of front bumper in centered impact, a design scheme of variable cross section(thicker in center part and thinner in both ends)is proposed. Then with minimizing the section force of energy absorbing box and the mass of front bumper as objectives, the allowable intrusion as constraint, and the two section thicknesses for center part and both ends respectively and the length of the thicker center part as design variables, a multi-objective optimization is conducted by using NSGA-Ⅱ algorithm and Kriging surrogate model for the section force of energy absorbing box and the mass of front bumper constructed based on the test data collected. Finally the results indicate that the variable section design scheme proposed leads to more reasonable distribution of the mass of front bumper and its crashworthiness in both angular and centered impacts are enhanced without the increase of its mass.

front bumper; lightweighting; multi-objective optimization; carbon fiber/epoxy composite; variable cross-section

*國家自然科學(xué)基金(11202075)和國家863計劃項目(2012AA111802)資助。

原稿收到日期為2014年2月25日，修改稿收到日期為2014年4月21日。