關于汽車用鋁合金吸能盒結構優化設計分析

朱震南　曾東建

摘要：汽車重量是汽車消耗能源的重要因素，為了減小汽車的耗能對其進行減重成為重要的研究課題。鋁合金是汽車材料的重要組成部分，對其減重性能分析具有重要意義。基于近似模型計算和數值優化方法，對其進行碰撞仿真分析，進而確定其相關的參數，在此基礎上進行不同截面形狀的對比分析研究得到最優的截面形狀。最后通過實驗，驗證了其方法的有效性、科學性，能夠為進一步進行鋁合金吸能盒的減重研究提供參考。

關鍵詞：鋁合金吸能盒；近似模型計算；數值優化方法；碰撞仿真分析；截面面積

隨著全球化石燃料的日益消耗，能源成為21世紀極為重要的資源。汽車是目前消耗化石能源的重要源泉之一。根據相關的研究發現，當汽車減重10%時能夠節約油的用量大約為3%到6%。因此，如何實現汽車的減重成為減少汽車汽油消耗的重要途徑。根據汽車工業的相關研究發現，當汽車采用典型的鋁質零部件時，能夠將其重量減輕大約30%到40%，如果進行二次減重甚至可以達到大約50%。因此，通過進一步的研究鋁質材料，能夠進一步的減輕其重量。近年來通過對鋁質材料的研究日益深入，對一些薄質鋁質材料進行分析，并對其性能進行沖擊檢驗，發現其具有較好的結構形式。如果將這些薄質材料應用于汽車工業中，能夠極大的減輕汽車的重量。本文基于傳統的優化理論思想并在仿真分析的基礎上，采用某鋁質材料通過大量的仿真分析和實驗，建立以碰撞性能為基準指標，并應用響面優化的方法對其參數和尺寸進行優化分析，通過分析和研究能夠得出較為滿意的結果。

1響應表面優化法

所謂響應表面優化法是一種通過將實驗設計，并采用數理統計進行結合來建立相應的經驗模型的優化方法。采用此方法，通常需要建立以下幾個步驟：一是通過對實際模型進行簡化分析，進而確定近似模型的形式；二是通過實驗設計和仿真分析的方法采集足夠的性能參數，方便后續研究；三是通過應用最小二乘法并應用步驟二中基礎數據建立各個響應的近似數學模型。在實際應用過程中，首先需要應用合適的數學構造方法進行建模并進行尋優計算，最后為了檢測其性能采用誤差來進行檢測，如果能夠滿足實際工程誤差，則得到最優的解，若不能滿足則需要重新構造或者進行優化。

2鋼制吸能盒碰撞分析

為了能夠有效對其思想進行說明，采用某一種乘用車設計制造新的鋁合金盒進行說明。其具體步驟為：第一步，通過大量的碰撞仿真分析，采用在HYPERM ESH中建立仿真模型，并根據仿真模型對其性能進行分析研究；第二步，在第一步的基礎上，依據RCAR法規中規定的保險杠低速碰撞條件對其工況進行詳細分析，并建立鋼制吸盒碰撞的仿真模型以及對其仿真分析得到的變形情況。依據上述步驟進行仿真分析得到，該鋼制吸盒的屈服強度為344MPa，碰撞力峰值大約為78.6KN，最大變形量大約為102.7mm，平均的碰撞力為41.8kN。通過這些數據進行仿真分析發現：鋼制吸盒的變形大小反映其吸能性能的好壞，其值越大說明其性能越優越。

3鋁合金吸能盒截面形狀的確定與參數優化

通過對鋁合金的吸能進行分析評估得到其最優的截面形狀，通過分析評估發現，正八邊形雖然其吸能性能較為突出，但是其碰撞峰值過大，而不宜采用；如果采用正六邊形的鋁管材料，能夠使各個參數都更加均衡。因此，通過這些分析研究，最終確定將鋁合金吸盒的截面確定為正六邊形。確定好其形狀后，通過采用Is IGHT數學優化軟件進行模擬分析進而確定其結構參數和參數。具體思路為：一是確定優化的目標，本文以吸能盒的平均碰撞力和總能量作為優化目標；二是確定約束條件，即為碰撞力峰值、最大變形量、吸能盒質量以及結構和材料的參數；三是碰撞仿真分析方法的確定，本文以拉丁立方實驗方法進行空間的選取，并在此基礎上各個響應曲面的系數矩陣；四是對模型進行仿真分析評估，最后得出響應的結論。本文通過采用上述思想和步驟，通過對某一實際的模型進行仿真分析得到，數學優化和仿真分析的參數不一樣，比如在力峰值方面，采用數學優化法時，其值為77.6kN，而采用仿真分析方法時其值為76.7kN，誤差大約為-1.2%，說明存在一定的誤差。但同時對最大變形量、總吸能量和力均值進行分析研究發現，這些參數的誤差范圍都在5%范圍內，符合工程的實際需求。通過仿真得出，本文采用的方法具有科學性和可行性，能夠有效的指導工程的實際建設。

4實驗驗證

通過上文從理論上進行分析，可以大致確定模型的相關參數，進而可以進行制造加工。但工藝具有一定的誤差，因此需要對實際進行實驗驗證，以確保質量的性能。其具體步驟：一是實驗室材料的準備，主要是器材的準備；二是實驗時需要設置相關的實驗參數，比如實驗時的加載速度和加載距離；三是根據實驗數據對其進行分析，根據相關的參數確定其是否滿足要求。

5結語

本文通過對鋼制吸能盒的碰撞進行相關的研究，制定相應的評估參數指標，然后對比分析不同截面下的碰撞性能確定最終的截面形狀。在此基礎上通過近似的響應模型的優化設計對其參數和結構進行優化設計，最終確定最優的方案。為了能夠檢驗設備的質量，通過采用靜態壓縮試驗對比的方法驗證其強度性能。最終發現，鋁合金通過工業的提高在減重時也能保障其強度性能。