基于正面碰撞前防撞梁的DOE輕量化設計

陳祖興，王運輝，程一明，聶昕

（1.東風柳州汽車有限公司乘用車技術中心，廣西柳州 545001；2.湖南湖大艾盛汽車開發(fā)有限公司柳州分公司，廣西柳州 545000；3.湖南大學機械與運載工程學院，長沙 410082）

0 引言

在大多數(shù)汽車碰撞事故中，前防撞梁通常都是首先參與碰撞的部件，它是被動安全的首道屏障，在保護乘員安全性及減輕車輛損壞程度方面發(fā)揮著重要作用[1]。車輛發(fā)生中低速碰撞時，前防撞梁能有效吸收碰撞的能量，減小碰撞對被撞物、車身零部件及車身縱梁所造成的損害。前防撞梁一般由主梁、吸能盒、連接汽車的安裝板組成，前防撞梁并非越強越好，需要對其形狀、厚度和材料進行優(yōu)化。

本文以某車型的防撞梁總成作為研究對象，模擬整車正面100%碰撞工況來研究防撞梁的碰撞性能，并通過Isight多學科優(yōu)化軟件進行DOE試驗設計和優(yōu)化，最終確定了較優(yōu)的形狀、厚度和材料變量組合。優(yōu)化后前防撞梁與吸能盒的總質量減小了39.2%，碰撞性能也得到改善，輕量化效果顯著。

鋁的密度小（2.7 g/cm3），約為鋼的密度（7.8 g/cm3）的1/3。用鋁合金替代鋼鐵可減重50%左右，本文優(yōu)化結果采用調整壁厚和截面形狀的鋁合金防撞梁比原防撞梁減重49.38%，同時吸能有所提高。

1 有限元建模及初始性能分析

1.1 防撞梁有限元建模

用Hypermesh前處理軟件進行有限元網格劃分，如圖1所示。模型包含前防撞梁、吸能盒及其安裝板、配重板，所有板件采用殼體單元，網格大小為5 mm，賦予材料與屬性；吸能盒與其安裝板及防撞梁之間采用rb2單元連接，用mass單元模擬整車整備質量配置1500 kg，創(chuàng)建加速度計單元，如圖2所示；模型以20 km/h的初始速度正面100%重疊撞擊剛性墻。

圖1 防撞梁總成有限元模型

圖2 加速度計單元

初始狀態(tài)防撞梁截面形狀為“日”字形，截面寬度為37.3 mm，高度為97.6 mm，材料為B280VK，厚度為2.3 mm，防撞梁質量為6.42 kg；吸能盒截面形狀為“目”字形，截面寬度為75.7 mm，高度為76.4 mm，材料為B280VK，厚度為2.3 mm，吸能盒質量為1.44 kg，如表1、表2所示。

表1 初始截面、材料和厚度

表2 初始質量信息 kg

1.2 初始性能分析

用LS-Dyna求解器對所創(chuàng)建的前防撞梁正面碰撞有限元模型進行求解，用HyperView后處理軟件進行結果分析和讀取。初始結果顯示為：加速度峰值、最大吸能和最大壓潰量分別為48.45g、123 210 mJ和170.07 mm，如表3所示。性能曲線如圖3～圖5所示。

表3 初始碰撞性能

圖3 初始加速度曲線

圖4 碰撞過程防撞梁及吸能盒壓潰量

圖5 初始吸能曲線

2 優(yōu)化流程的建立

2.1 Isight工作流的建立

Isight軟件被廣泛應用于數(shù)值或結構參數(shù)的分析與優(yōu)化領域，其任務控制平臺的角色是通過向所集成的軟件下達行動命令來實現(xiàn)仿真任務的自動化處理[2]。

Isight主要是通過對組件進行拖拽的方式來搭建工作流程的，Isight的組件主要分為兩大類：流程組件和應用程序組件。Isight可以構建不同形式的工作流，主要有串行、并行及嵌套式工作流[3]。其中DOE是Isight最重要的流程組件之一，Simcode是應用程序組件。本文工作流由1個DOE組件和3個Simcode組件組成串行工作流，DOE模型矩陣大小數(shù)為200，工作流循環(huán)完成200次“生成不同變量組合模型→調用求解器求解計算→提取響應結果”的工作內容，如圖6所示。各組件功能如表4所示。

圖6 DOE 工作流

表4 各組件功能列表

2.2 DOE試驗設計

DOE試驗設計是數(shù)理統(tǒng)計學的應用方法之一，它的主要內容是討論如何合理地安排試驗、取得數(shù)據(jù)，然后進行綜合的科學分析，從而達到盡快獲得最優(yōu)方案的目的[4]。本文采用最優(yōu)拉丁方試驗設計，最優(yōu)拉丁方試驗設計是在拉丁方試驗設計的基礎上運用優(yōu)化算法使得采樣點盡可能地均勻分布在設計空間中[5]，如圖7所示。DOE優(yōu)化流程如圖8所示。

圖7 最優(yōu)拉丁方樣本點矩陣

圖8 DOE 優(yōu)化流程

DOE模型矩陣大小數(shù)為200，設計離散變量為防撞梁及吸能盒的截面形狀、截面尺寸、材料、厚度與吸能盒誘導槽位置，以加速度峰值、最大吸能和最大壓潰量優(yōu)于初始結果作為約束，質量最小作為目標，各變量取值范圍如表5～表8所示。

表5 截面形狀與尺寸變量取值

表6 材料與厚度變量取值

表7 吸能盒誘導槽位置變量取值

表8 約束與目標設定

截面尺寸和筋條位置變量是通過HyperMorph 對有限元網格進行變形處理設置，截面尺寸變量為0 表示尺寸不變，為±1表示增加/減小10 mm，吸能盒筋條位置變量為0表示無誘導槽/筋條特征，為±1表示有誘導槽/筋條特征，如圖9和圖10所示。

圖9 HyperMorph 尺寸變化云圖

圖10 HyperMorph筋條云圖

為了后面能查看截面形狀和材料對性能的大致影響關系，需要將形狀變量和材料變量轉化為數(shù)值變量，可通過編寫Tcl腳本，自動對初始模型進行截面形狀和材料更改的操作。按截面隔板數(shù)從小到大排序：當截面變量為1時，截面改為“口”字形；變量為2時，截面改為“日”字形；變量為3時，截面改為“目”字形。同理，按材料屈服強度從小到大排序：當材料變量為205時，材料改為Al6063；變量為280時，材料改為B280VK；變量為300時，材料改為H300LAD。部分代碼如圖11所示。

圖11 變量數(shù)值化Tcl 腳本

2.3 DOE優(yōu)化結果

運行分析DOE結果，框選部分為最優(yōu)方案，如圖12所示。優(yōu)化后各變量取值結果和解析如表9所示。同時可查看各變量對響應的貢獻率排序，黑色為正效應，灰色為負效應。

表9 優(yōu)化結果各變量取值及解析

圖12 DOE 優(yōu)化結果

防撞梁比吸能盒重得多，因此防撞梁相對質量變化更靈敏，其中材料參數(shù)最靈敏，主要是因為鋼、鋁密度相差較大，如圖13所示。

圖13 質量貢獻率排序

由加速度貢獻率排序可知，防撞梁及吸能盒材料、截面等參數(shù)對加速度峰值起負效應，表明加強防撞梁和吸能盒都不利于加速度性能的改善，應在吸能盒增加多個誘導槽誘導變形，同時增加吸能盒截面高度可有效降低加速度峰值，如圖14所示。

圖14 加速度貢獻率排序

由吸能貢獻率排序可知，除吸能盒前端增加誘導槽和防撞梁高度對吸能起負效應且不靈敏，其余參數(shù)均為正效應，說明加強防撞梁與吸能盒均可提升吸能，其中提升材料牌號最有效，如圖15所示。

圖15 吸能貢獻率排序

由壓潰量貢獻率排序可知，加強防撞梁和吸能盒都不利于提高壓潰量，在吸能盒中部和后端位置增加誘導槽有利于提高壓潰量，如圖16所示。

圖16 壓潰量貢獻率排序

3 優(yōu)化前后結果對比

優(yōu)化前后結果對比如表10～表13所示，性能曲線對比如圖17～圖19所示。優(yōu)化后，防撞梁與吸能盒總質量減少3.08 kg，減重39.2%，同時各項碰撞性能改善明顯。

圖17 優(yōu)化前后加速度曲線

圖18 優(yōu)化前后壓潰量曲線

圖19 優(yōu)化前后吸能曲線

表10 優(yōu)化前后防撞梁變量對比

表11 優(yōu)化前后吸能盒變量對比

表13 優(yōu)化前后碰撞性能對比

表12 優(yōu)化前后質量對比 kg

4 結論

本文對前防撞梁總成進行了DOE實驗設計和優(yōu)化。優(yōu)化后，前防撞梁與吸能盒總質量降低了39.2%，加速度峰值降低了8.1%，吸能提高了6.6%，最大壓潰量提高了8.5%，輕量化效果顯著，碰撞性能明顯提升。同時，優(yōu)化結果表明，調整壁厚和截面形狀的鋁合金防撞梁比原防撞梁減重49.38%，碰撞性能改善明顯。