李夢(mèng)琦,范慕輝,郄彥輝
(河北工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,天津 300130)
側(cè)面碰撞是汽車(chē)交通事故中最常見(jiàn)的碰撞之一,相對(duì)于正面碰撞和尾部碰撞,側(cè)面碰撞的緩沖吸能空間更小,發(fā)生碰撞時(shí)乘員更易受到較大傷害,因此汽車(chē)側(cè)面碰撞安全性問(wèn)題的研究十分必要.
針對(duì)汽車(chē)側(cè)碰安全性問(wèn)題,國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了大量研究,如文獻(xiàn) [1]應(yīng)用回歸分析法對(duì)某車(chē)型進(jìn)行了基于NHTSA的側(cè)碰測(cè)試,得出了車(chē)身變形量及碰撞速度與假人胸部損傷指數(shù)間的關(guān)系;文獻(xiàn) [2]研究了電動(dòng)車(chē)的B柱變形模式,通過(guò)對(duì)B柱上、下部分的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析和優(yōu)化,有效降低了假人的損傷;文獻(xiàn) [3]通過(guò)對(duì)B柱的仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)改善了車(chē)輛的側(cè)面碰撞安全性能,減輕了碰撞時(shí)對(duì)假人胸部的傷害;文獻(xiàn) [4]通過(guò)對(duì)B柱的內(nèi)、外板和加強(qiáng)板厚度的研究,得出了胸部和腹部入侵量與入侵速度的近似模型,并應(yīng)用序列二次規(guī)劃方法減輕了B柱質(zhì)量;文獻(xiàn) [5]通過(guò)對(duì)B柱內(nèi)、外板和加強(qiáng)板的材料及厚度的優(yōu)化,提高了B柱的可靠度,使車(chē)輛的碰撞安全性得到有效改善.
本文在試驗(yàn)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上建立某款電動(dòng)轎車(chē)的側(cè)碰仿真模型,通過(guò)對(duì)傳力路徑和假人胸部壓縮量的靈敏度的綜合分析,篩選對(duì)其側(cè)碰安全性影響大的零部件作為設(shè)計(jì)變量進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化,在車(chē)身質(zhì)量不變的同時(shí),提高了其側(cè)碰安全性.
首先根據(jù)廠家提供的數(shù)據(jù)建立電動(dòng)轎車(chē)整車(chē)的有限元模型,整車(chē)有限元模型建立的過(guò)程主要有以下幾步驟:
1)將車(chē)輛的CAD數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何清理及網(wǎng)格劃分并對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行質(zhì)量檢查.
2)根據(jù)整車(chē)的材料清單(BOM表)對(duì)各個(gè)部件賦予相應(yīng)的材料及屬性.
3)設(shè)置各個(gè)部件的連接,主要包括焊點(diǎn)、螺栓、鉸鏈、膠粘和剛性體的連接.
4)設(shè)置模型的邊界條件,主要包括接觸、初始速度、剛性墻和地面.
5)設(shè)置模型的輸出參數(shù),主要包括傳感器、入侵量和截面力等.
6)設(shè)置模型的控制卡片并對(duì)整車(chē)有限元模型進(jìn)行檢查.
整車(chē)有限元模型搭建好后,擺放ES-2假人用于測(cè)量乘員傷害值,調(diào)整壁障位置使壁障的縱向中垂面與被撞車(chē)輛的R點(diǎn)對(duì)齊,并定義壁障以50km/h的速度垂直撞擊被撞車(chē),完整的側(cè)面碰撞有限元模型如圖1所示.
按照側(cè)碰法規(guī)(GB20071-2006) 要求對(duì)車(chē)輛進(jìn)行側(cè)面碰撞試驗(yàn),對(duì)比仿真模型與實(shí)車(chē)碰撞試驗(yàn)車(chē)身側(cè)面車(chē)身變形情況如圖2、圖3所示.
圖1 側(cè)面碰撞有限元模型Fig.1 Side impact finite element model
圖2 仿真模型碰撞后側(cè)面車(chē)身變形Fig.2 Simulation model of vehicle deformation after side impact
圖3 實(shí)車(chē)試驗(yàn)碰撞后側(cè)面車(chē)身變形Fig.3 Vehicle body deformation after side impact
由圖2、圖3可以看出仿真模型在碰撞后的車(chē)身變形與試驗(yàn)結(jié)果基本一致,車(chē)身變形主要集中在B柱底部及車(chē)門(mén)中下部.采集實(shí)車(chē)碰撞中右側(cè)(非碰撞側(cè))B柱下端加速度曲線與仿真曲線進(jìn)行對(duì)比如圖4所示.
由圖4可以看出,仿真曲線與試驗(yàn)曲線的加速度峰值分別為26.3 g和25.8 g,峰值時(shí)刻均在50 ms左右,兩條曲線的變化趨勢(shì)基本相同,說(shuō)明仿真模型精確度較高,可以較準(zhǔn)確的模擬試驗(yàn)過(guò)程并可用于優(yōu)化.
側(cè)面碰撞中導(dǎo)致乘員致命或嚴(yán)重?fù)p傷的主要部位依次為頭部、胸部、腹部和骨盆[6].因此側(cè)面碰撞法規(guī)(GB20071-2006) 中分別規(guī)定了上述4個(gè)部位損傷指標(biāo)的參考值,將試驗(yàn)結(jié)果中的假人傷害與仿真模型計(jì)算出的假人傷害進(jìn)行對(duì)比如表1所示.
由表1可以看出,假人的胸部壓縮量峰值(上肋骨)為43.12 mm,不滿足法規(guī)要求的42 mm,該電動(dòng)轎車(chē)需要進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化.
由于車(chē)輛側(cè)面空間較小并且該車(chē)型沒(méi)有配備側(cè)氣囊,所以車(chē)身結(jié)構(gòu)對(duì)假人傷害的影響更加顯著.為了避免在優(yōu)化過(guò)程中對(duì)優(yōu)化部件的盲目選取,采用傳力路徑分析與假人胸部壓縮量靈敏度分析相結(jié)合的方法,以實(shí)現(xiàn)對(duì)優(yōu)化部件的合理選取.
車(chē)輛在發(fā)生側(cè)面碰撞時(shí),車(chē)門(mén)及側(cè)圍最先接觸到撞擊物,車(chē)門(mén)在撞擊力的作用下發(fā)生內(nèi)凹變形,隨即將撞擊力傳遞到防撞桿和門(mén)框;B柱作為車(chē)體側(cè)面最主要的承載及傳力結(jié)構(gòu),其在壁障側(cè)面撞擊時(shí),將傳遞大量碰撞力.B柱上端將碰撞力沿車(chē)頂橫梁繼續(xù)傳向非碰撞側(cè),而B(niǎo)柱下端可以將部分碰撞力傳至門(mén)檻梁.門(mén)檻梁在側(cè)碰過(guò)程中受到外部的直接撞擊和由B柱傳遞作用力的共同作用,并將碰撞力沿地板及地板橫梁傳遞到非碰撞測(cè).側(cè)面碰撞過(guò)程中碰撞力的傳遞路徑如圖5所示.
考慮到車(chē)輛側(cè)面結(jié)構(gòu)件較多,若逐一對(duì)側(cè)面結(jié)構(gòu)件進(jìn)行優(yōu)化,勢(shì)必會(huì)增加不必要的工作量.因此選取在側(cè)碰中主要的承載與傳力的部件作為研究對(duì)象,采用正交試驗(yàn)法建立二階響應(yīng)面進(jìn)行分析,研究相關(guān)部件對(duì)假人胸部壓縮量的敏感程度,判斷各影響因素的主次.
如圖6所示,選取了8個(gè)側(cè)碰中的主要部件,通過(guò)改變所選部件的材料,分析對(duì)假人胸壓的改善情況,選出對(duì)胸壓改變較敏感的部件,再對(duì)該部件的材料和厚度進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化.
2.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及因素水平選取
正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法(Orthogonal arrays)是用正交表安排多因素試驗(yàn)的一種高效、快速的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法.采用正交試驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法分析側(cè)面相關(guān)部件對(duì)假人胸壓影響的貢獻(xiàn)率,可以合理安排因素水平、保證試驗(yàn)精度的要求并考慮交互作用的影響.
選擇側(cè)碰中的8個(gè)主要部件作為設(shè)計(jì)變量,選擇屈服強(qiáng)度高、中、低的3種材料作為設(shè)計(jì)變量的3水平,材料相關(guān)參數(shù)如表2所示.
圖4 右側(cè)B柱下端加速度對(duì)比Fig.4 Comparison of acceleration at the lower end of the right B-pillar
表1 側(cè)碰假人損傷指標(biāo)試驗(yàn)值與仿真值對(duì)比Tab.1 Comparison of the test results and simulation values of the damage index of side impact dummy
圖5 側(cè)面碰撞力的傳遞路徑Fig.5 Transmission path of side impact force
圖6 側(cè)面碰撞中主要部件Fig.6 Main components in side impact
表2 材料相關(guān)參數(shù)Tab.2 Material parameters
通過(guò)對(duì)側(cè)面?zhèn)髁β窂椒治龊Y選出8個(gè)主要部件作為假人胸部壓縮量的靈敏度分析對(duì)象,每個(gè)分析對(duì)象選取3水平進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì),最終得到8因素3水平的L27(38)正交表如表3所示.
表3 正交試驗(yàn)水平因素表Tab.3 Orthogonal test level factor table
2.2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析
根據(jù)8因素3水平的正交表,設(shè)計(jì)了27組試驗(yàn)方案并依次修改仿真模型進(jìn)行計(jì)算,得出假人胸部壓縮量(RDC) 峰值,正交試驗(yàn)表及仿真計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4.
根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果可以建立應(yīng)變量的二階響應(yīng)面模型,通過(guò)方差分析可以獲得Pareto圖和主效應(yīng)圖.Pareto圖即貢獻(xiàn)率圖,可以反映擬合后模型中各個(gè)設(shè)計(jì)變量對(duì)響應(yīng)的貢獻(xiàn)程度百分比.主效應(yīng)圖即設(shè)計(jì)變量的變化引起目標(biāo)參數(shù)變化的趨勢(shì)圖,通過(guò)對(duì)主效應(yīng)圖的分析可以反映各個(gè)設(shè)計(jì)變量的改變?nèi)绾斡绊懩繕?biāo)參數(shù)[7].所以,根據(jù)Pareto圖和主效應(yīng)圖可以為后期優(yōu)化提供明確方向.根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果建立假人胸部壓縮量的二階響應(yīng)面模型,其Pareto圖和主效應(yīng)圖如圖7、圖8所示.
表4 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果Tab.4 Results of orthogonal test design
圖7 設(shè)計(jì)變量對(duì)胸部壓縮量的貢獻(xiàn)率Fig.7 The contribution of design variables to chest compression
圖8 設(shè)計(jì)變量對(duì)胸部壓縮量的主效應(yīng)圖Fig.8 The main effect of design variables on chest compression
根據(jù)Pareto圖可以看出編號(hào)B、C、E、F的設(shè)計(jì)變量即B柱、B柱加強(qiáng)板、門(mén)檻內(nèi)板、地板橫梁對(duì)假人胸部壓縮量的貢獻(xiàn)率較高,是影響假人胸部傷害的主要因素,根據(jù)主效應(yīng)圖可以看出在提高設(shè)計(jì)變量強(qiáng)度的情況下,胸部壓縮量均有明顯的下降,即主效應(yīng)為負(fù).同時(shí),從胸部壓縮量峰值的變化量可以發(fā)現(xiàn),通過(guò)提升相關(guān)部件的材料強(qiáng)度胸部壓縮量峰值沒(méi)有顯著的降低,說(shuō)明僅僅提升相關(guān)部件的材料強(qiáng)度并不能使胸部壓縮量達(dá)到安全指標(biāo).
綜上所述,根據(jù)靈敏度分析結(jié)果,選取對(duì)側(cè)碰中假人的胸部壓縮量影響最為顯著的B柱、B柱加強(qiáng)板、門(mén)檻內(nèi)板、地板橫梁作為設(shè)計(jì)對(duì)象,在考慮材料強(qiáng)度的同時(shí)引入結(jié)構(gòu)厚度作為設(shè)計(jì)變量,為減小假人胸部壓縮量作進(jìn)一步優(yōu)化.
根據(jù)靈敏度分析選出對(duì)側(cè)碰中假人的胸部壓縮量影響較大的部件作為設(shè)計(jì)對(duì)象,采用試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法建立二階響應(yīng)面近似模型,對(duì)材料與厚度進(jìn)行混合優(yōu)化尋找最優(yōu)解,并在降低假人側(cè)碰中胸部壓縮量的同時(shí)考慮到優(yōu)化構(gòu)件的質(zhì)量增加情況,實(shí)現(xiàn)質(zhì)量不增加及胸部壓縮量減小的多目標(biāo)優(yōu)化.
選取B柱、B柱加強(qiáng)板、門(mén)檻內(nèi)板及地板橫梁的材料和厚度作為設(shè)計(jì)變量,材料依舊選取屈服強(qiáng)度較高、中等、較低的3種材料即B340/590DP、B210P1、DC04,厚度選取范圍為0.5~2.5 mm.設(shè)計(jì)變量及變量選取范圍如表5所示.
優(yōu)化過(guò)程中考慮到側(cè)面結(jié)構(gòu)的安全性,引入車(chē)門(mén)及B柱的入侵量和入侵速度作為約束條件,以設(shè)計(jì)變量的總質(zhì)量最小及假人胸部壓縮量峰值最小為設(shè)計(jì)目標(biāo).側(cè)碰中假人胸部傷害優(yōu)化問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型可定義為
表5 設(shè)計(jì)變量及選取范圍Tab.5 Design variables and selection
式中:Mass為4個(gè)設(shè)計(jì)變量的總質(zhì)量;RDC為假人胸部壓縮量峰值;disD為車(chē)門(mén)入侵量峰值;disB為B柱入侵量峰值;vD為車(chē)門(mén)入侵速度峰值;vB為B柱入侵速度峰值;ti為各構(gòu)件的厚度.
近似模型方法是通過(guò)數(shù)學(xué)模型逼近設(shè)計(jì)變量與響應(yīng)變量的方法.常用的近似模型有響應(yīng)面(Response Surface Method,RSM) 模型、克里格 (Kriging) 近似模型和徑向基 (Radial Basis Function,RBF) 模型[8].本文使用的響應(yīng)面近似模型,通過(guò)較少的試驗(yàn)樣本在設(shè)計(jì)空間內(nèi)較為精確的逼近函數(shù)關(guān)系,可以擬合復(fù)雜的響應(yīng)關(guān)系,具有良好的魯棒性[9-10].
采用優(yōu)化的拉丁超立方試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法,在設(shè)計(jì)空間中均勻采集了90組設(shè)計(jì)樣本,并通過(guò)仿真軟件計(jì)算出樣本的輸出響應(yīng).通過(guò)計(jì)算結(jié)果建立假人胸部壓縮量峰值及設(shè)計(jì)變量總質(zhì)量的近似模型,并在樣本集合中隨即抽取10個(gè)樣本進(jìn)行近似模型的誤差分析,如表6所示;假人胸部壓縮量峰值和設(shè)計(jì)變量總質(zhì)量的預(yù)測(cè)及仿真關(guān)系見(jiàn)圖9、圖10.
根據(jù)表6可以看出,胸部壓縮量峰值和設(shè)計(jì)變量總質(zhì)量近似模型的決定系數(shù)R2分別為0.997 8和0.979 4,修正的決定系數(shù)分別為 0.991 4和0.974 7,均大于工程預(yù)測(cè)要求的0.9,表明響應(yīng)面近似模型的擬合程度較好.
表6 近似模型的誤差分析Tab.6 Error analysis of approximate model
圖9 假人胸部壓縮量峰值的預(yù)測(cè)與仿真關(guān)系Fig.9 Prediction and Simulation of peak value of chest compression for Dummies
由圖9、圖10可以看出,通過(guò)近似模型預(yù)測(cè)的假人胸部壓縮量峰值和設(shè)計(jì)變量總質(zhì)量與仿真計(jì)算的結(jié)果十分接近,再次說(shuō)明響應(yīng)面近似模型的擬合程度較好.
考慮到同時(shí)優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)象的材料和厚度,屬于混合變量多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題.因此,本文采用非支配排序遺傳算法NSGA-II對(duì)建立的響應(yīng)面近似模型進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化,NSGA-II具有求解Pareto解集準(zhǔn)確性及分散性較好的優(yōu)點(diǎn).遺傳算法參數(shù)設(shè)置為:種群規(guī)模為100、雜交概率為0.9,變異概率為0.05,進(jìn)化代數(shù)為50;獲得多目標(biāo)優(yōu)化的Pareto前沿圖,如圖11所示.
由圖11可以看出,Pareto前沿較為平滑,覆蓋了大量的最優(yōu)解集.由于假人胸部壓縮量峰值與設(shè)計(jì)變量總質(zhì)量為相互矛盾的優(yōu)化目標(biāo),所以不可能使多目標(biāo)同時(shí)達(dá)到最優(yōu)解,需要對(duì)多個(gè)目標(biāo)之間進(jìn)行協(xié)調(diào)處理.在保證設(shè)計(jì)變量總質(zhì)量不增加的前提下,盡可能使假人胸部壓縮量峰值最低,選取的最優(yōu)方案如表7所示.
根據(jù)表7可以看出,選取的優(yōu)化方案中假人胸部壓縮量峰值為36.24 mm,下降了15.9%;而設(shè)計(jì)變量總質(zhì)量為15.29 kg,相比初始設(shè)計(jì)值無(wú)質(zhì)量增加.
根據(jù)優(yōu)化方案對(duì)車(chē)輛進(jìn)行改進(jìn),按照側(cè)碰法規(guī)(GB20071-2006) 要求對(duì)車(chē)輛再次進(jìn)行側(cè)面碰撞試驗(yàn),提取優(yōu)化前、后假人胸部上肋骨壓縮量曲線進(jìn)行對(duì)比,如圖12所示,優(yōu)化后的假人胸部上肋骨壓縮量峰值明顯降低,為36.72 mm,相比優(yōu)化前下降了14.8%.
采集前排假人各項(xiàng)傷害指標(biāo)并與優(yōu)化前的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,如表8所示,優(yōu)化后的假人各項(xiàng)損傷均有所降低并滿足側(cè)碰法規(guī)要求,實(shí)現(xiàn)了在保證車(chē)身質(zhì)量不變的前提下提高側(cè)碰安全性的目標(biāo).
圖10 設(shè)計(jì)變量總質(zhì)量的預(yù)測(cè)與仿真關(guān)系Fig.10 Prediction and Simulation of total mass of design variables
圖11 Pareto前沿圖Fig.11 Pareto front view
表7 初始設(shè)計(jì)與優(yōu)化方案對(duì)比Tab.7 Comparison of initial design and optimization
圖12 優(yōu)化前、后假人胸部上肋骨壓縮量對(duì)比圖Fig.12 Comparison of the compression of the upper chest of the dummy before and after
1)建立了符合側(cè)碰試驗(yàn)結(jié)果的有限元模型,通過(guò)對(duì)側(cè)面碰撞傳力路徑的分析,初選側(cè)碰中主要的承載與傳力的部件,再通過(guò)假人胸部壓縮量的靈敏度分析,篩選出對(duì)假人胸部壓縮量影響較為顯著的關(guān)鍵部件作為優(yōu)化對(duì)象,減少了后續(xù)優(yōu)化的設(shè)計(jì)變量個(gè)數(shù),提高了優(yōu)化的效率.
2)采用拉丁超立方試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法對(duì)關(guān)鍵部件的材料及厚度進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì),建立了設(shè)計(jì)目標(biāo)的二階響應(yīng)面近似模型,并對(duì)其進(jìn)行誤差分析保證了近似模型的擬合精度.
3)針對(duì)多目標(biāo)的優(yōu)化問(wèn)題,采用非支配排序遺傳算法NSGA-II對(duì)近似模型進(jìn)行優(yōu)化獲得Pareto最優(yōu)解集,在保證設(shè)計(jì)變量總質(zhì)量不增加的前提下選取最優(yōu)方案并進(jìn)行整車(chē)碰撞試驗(yàn)驗(yàn)證,試驗(yàn)結(jié)果顯示假人胸部壓縮量峰值明顯減小,各項(xiàng)損傷指標(biāo)均滿足側(cè)碰法規(guī)要求,說(shuō)明該方案具有較高的準(zhǔn)確性與有效性,在保證車(chē)身質(zhì)量不變的同時(shí),實(shí)現(xiàn)了側(cè)碰安全性的提高.
表8 優(yōu)化前、后假人各項(xiàng)損傷指標(biāo)對(duì)比Tab.8 Comparison of the dummy injury index before and after optimization
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