基于Isight的汽车前防撞系统低速碰撞优化设计

李雨田

(西安航空职业技术学院资产管理处，陕西 西安 710089)

进入21世纪，随着我国城市轿车保有量不断增加，低速碰撞(v≤15 km/h)时有发生。前防撞系统的防撞梁和吸能盒能够在低速碰撞过程中起到保护汽车的重要作用，当低速碰撞发生时，首先受损的就是汽车前防撞系统中的防撞梁和吸能盒，以此保护车身避免受损、降低维修成本。但据美国高速公路安全保险协会(Insurance Institute for Highway Safety , IIHS)调查统计结果显示，市面上大部分轿车的防撞梁和吸能盒都存在设计缺陷[1]。为提高低速耐撞性，国内外学者做了大量研究。文献[2]针对防撞梁的挤压强度进行了研究，得出增加防撞梁弯曲刚度会增加吸能特性的结论。文献[3]研究防撞梁和吸能盒的吸能特性，比较分析了四组截面形状分别为圆形、正方形、六边形和八边形，每组的单元格和连接板也不相同的防撞梁和吸能盒，结果表明八边形带内圆结构的截面比吸能最大。文献[4]研究了碰撞时吸能盒的变形形式，通过在吸能盒中增加诱导槽，不仅可以提高防撞梁的吸能特性，还可以使最大碰撞力和位移满足设计要求。

目前，Isight的集成优化技术广泛应用于化学工程、船舶工程、航空航天、车辆工程等领域的优化设计中[5]，但在低速碰撞前防撞系统优化中尚不多见。因此本文针对某型车前防撞梁和吸能盒低速耐撞性较差的缺点，搭建了基于Isight、CATIA、HyperMesh、LS-dyna的优化设计平台，实现前防撞系统自动化仿真和优化的目的，提高了前防撞系统的耐撞性能。

1 前防撞系统低速碰撞仿真分析

1.1 有限元模型的建立

本文采用HyperMesh建立有限元模型，网格大小设置为10 mm，最终得到6 310个单元，其中三角形单元有518个；防撞系统的防撞梁和吸能盒连接方式为点焊，用Weld单元表示；设置碰撞器和防撞梁之间的接触类型为*CONTACT_SURFACEE_TO_SURFACE，防撞梁、吸能盒以及车体单面的接触类型为*CONTACT_SINGLE_SURFACE[6]。整车质量为1.078 t，碰撞器按照RCAR低速碰撞标准构建，最终搭建的碰撞有限元模型如图1所示。原模型的材料为DC01，其弹性模量为202 GPa，泊松比为0.28，密度为7.85×10-6kg/mm3[7]。

图1 碰撞有限元模型

1.2 前防撞系统低速碰撞仿真分析

1.2.1仿真结果准确度评判

在汽车碰撞仿真结束后，需要对仿真结果可靠性进行分析。首先主要从沙漏能、滑移能、质量、总能量几个方面对仿真结果进行评判，然后在正确仿真的基础上分析研究防撞系统的耐撞性能。一般情况下，碰撞仿真过程都会伴随着能量(沙漏能、滑移能、总能量)、质量的变化，查阅文献[8]、 [9]可知，质量的增加应小于系统总质量的5%；沙漏能应小于整个系统能量的5%，且不允许出现负值；滑移能应小于系统总能量的5%；能量增加不能大于系统总能量的10%；只有质量、沙漏能、滑移能以及总能量的变化在可接受范围内才可被认为碰撞仿真是可靠的，具有研究价值[6-7,10]。

图2为基于低速正面碰撞(简称正碰)仿真的能量曲线变化示意图。从图2可以看出，沙漏能约为280 J，占系统总能量的2.99%；滑移能约为75 J，占系统总能量的0.80%；系统的内能和动能的总和始终约为9 357.64 J，说明低速正面碰撞仿真过程符合能量守恒定理；由动能定理可得，质量增加也小于10%。由此可知，低速正碰有限元建模方法是正确的。

图2 正碰系统能量变化曲线

1.2.2正面低速碰撞仿真分析

对于吸能盒和防撞梁耐碰撞性能的研究主要从整个防撞系统的位移-时间曲线、碰撞力-时间曲线和SEA几个方面着手分析[6-7]。

1)位移-时间曲线。

图3为低速碰撞过程中吸能盒随防撞梁位移变化曲线图，从图中能够看出防撞梁最大位移为267 mm，接近位移变形极限，停止继续变形吸能，此时动能通过横梁传递给车身，造成其他汽车零部件的破坏，前防撞系统没有充分发挥作用。

2)碰撞力-时间曲线。

吸能盒的碰撞力-时间曲线如图4所示，图中有2个峰值点，第1个峰值点为0.026 s时的83 kN，第2个峰值点为0.091 s时的101 kN。结合图3可知，这种情况主要是由于防撞梁变形过大，低速碰撞没有结束，防撞梁碰到车中其他零部件使碰撞力第2次升高，能量传递到其他零部件造成破坏，前防撞系统没有起到作用。

图3 正碰位移-时间曲线

图4 正碰碰撞力-时间曲线

3)SEA。

SEA是指单位质量吸能的多少。防撞梁和吸能盒单位质量将动能转化为内能能量的多少，是衡量耐撞性能的重要指标。SEA越大，结构耐撞性越好，原结构的SEA见表1。

表1 防撞梁和吸能盒的SEA

2 前防撞系统数学优化模型与流程

优化设计是在满足各个性能指标的情况下，使其质量最轻。目前对车身结构进行优化设计主要有2种方法：一个是材料替换，即利用强度高、密度小的材料(如镁合金、铝合金)替换钢；另一个是采用更好的结构、更先进的工艺。将2种方法组合起来，在汽车优化设计中会有事半功倍的效果，如在原防撞梁和吸能盒尺寸基础上，参考相关文献[5]重新确定防撞梁和吸能盒的结构，如图5所示，图中L1～L10和T1～T3为参数化模型待确定量。材料采用铝6101，其弹性模量为69 GPa，泊松比为0.33，密度为2.7×10-6kg/mm3。

图5 参数化模型

2.1 前防撞系统数学优化模型

2.1.1设计变量

如图5所示，优化设计时,将防撞梁所有片状零件厚度和两防撞梁加强板长度以及厚度作为设计变量。防撞梁为对称结构，同时为简化制造工艺，最终将设计变量简化为13个，其中有10个厚度变量和3个长度变量，变量变化范围为±20%，设计变量如下：

X=[L1,L2,L3,T1,T2,T3,T4,T5,T6,T7,T8,T9,T10]

(1)

式中：X为设计变量可行域；L1～L3为长度变量；T1～T10为厚度变量。

2.1.2数学模型

在进行防撞梁和吸能盒设计时主要关注的参数有碰撞力峰值、吸能量、防撞梁内侵量和吸能盒变形行程。碰撞力峰值不大于180 kN，要完全吸收系统的动能不小于9 357.64 J，防撞梁变形不大于200 mm，左右吸能盒变形不大于180 mm。在保证各项指标的同时，应尽量使结构质量变轻、吸能量增多，即以SEA最大化作为优化目标。

前防撞系统的数学模型可以表示为：

(2)

式中：Ed为吸能量；Ms为质量；Fp为碰撞力峰值；Ebeam为防撞梁吸能量；Ebox为吸能盒吸能量；disbeam为防撞梁最大变形量；disLbox为左吸能盒吸能行程；disRbox为右吸能盒吸能行程；U1和U2分别为变量的下限和上限。

2.2 优化流程

如图6所示，IsightI集成了CAE软件HyperMesh、LS-Dyna以及CAD软件CATIA，在CATIA中构建的CAD形状变量以及在HyperMesh中创建的厚度变量能够直接与Isight建立连接和传递信息。Isight会根据实验矩阵不断调用CATIA更新几何变量以及调用HyperMesh更新尺寸变量和材料属性，再提交至求解器LS-DYNA进行求解，最后通过解析输出文件提取能量、位移以及碰撞力信息。

图6 优化流程图

Isight通过对Command.cmf文件数据的提取与交换、通过*.bat批处理执行CATIA宏文件*.catvbs得到形状和厚度的参数模型，通过过程控制CATIA生成car.stp文件并导入到HyperMesh中生成Car.k文件。将Car.k作为输入文件，调用LS-DYNA进行求解，将输出文件Summary、Glstat、nodout、Rcforc进行文件解析，得到系统质量、能量变化，位移以及碰撞力信息。在此基础上，利用拉丁超立方的采样在设计变量可行域内生成试验矩阵，并驱动CATIA、HyperMesh和LS-DYNA循环更新计算，从而可以得到一系列变量和响应，并利用径向基函数构建变量和响应之间的代理模型，以碰撞指数最大作为目标，选用相应的算法进行优化求解。

3 代理模型与优化设计

3.1 代理模型与精度检验

基于代理模型的优化前提条件是精度要满足要求。利用构造目标或约束代理模型来替换原物理模型，然后进行快速优化求解，可以大大提高计算求解效率。本文利用径向基函数法构造了主要吸能零部件耐撞性的代理模型并进行了优化，优化结果表明：通过科学合理地布置诱导槽的方式可以提高其结构的耐撞性能，增强吸能性和减小碰撞力[4]。由引可知，将代理模型的方法引入到车身耐撞性能研究中，基于RBF构建车身薄壁耐张性能的代理模型，能够快速、高效、准确地对车身进行优化[9]。

防撞梁和吸能盒共13个变量，首先利用拉丁超立方的方法进行采样分析，共采集得到105组数据，然后基于RBF构建代理模型。代理模型由多组数据通过数学方法拟合而来，并不能保证全部数据均在代理模型上，所以会存在一定的误差。如果代理模型不能精确地表示变量和响应之间的关系，基于代理模型优化的结果也是不可靠的解[9]。本文主要使用3种评价方法——确定系数(R2)、均方根误差评价(RM)和相对平均绝对误差(RA)对防撞梁和吸能盒代理模型进行综合评价进而检验代理模型精度[10]，表2为代理模型精度检验结果。由表2可知：R2，RA和RM值均达到可接受水平，说明基于径向基函数构建正面碰撞的代理模型是可行的。

表2 代理模型的R2,RA和RM值

3.2 优化结果

Isight集成了梯度优化方法(gradient optimization)、直接搜索法(direct search)和全局优化算法(global optimization)等几类优化方法。本文求解选用软件默认的NLPQL，但是考虑到制造工艺约束和相关经验，需要对优化结果取整。将尺寸选为可加工的尺寸，通过多次迭代，最终优化结果见表3。最终的质量为4.058 kg，较原结构质量7.594 kg减轻了46.56%。

表3 代理模型优化结果 mm

4 低速碰撞验证

在确定前防撞梁和吸能盒优化方案后，需要对新结构进行低速耐撞性分析，本文采用原结构低速碰撞仿真模型构建的方法来构建新结构有限元模型。

1)位移-时间曲线。

图7所示为优化设计后前防撞系统的位移-时间曲线图，由图可知前防撞梁最大位移为194 mm，左右吸能盒变形比优化前更大，能够吸收更多的低速碰撞动能，因此优化后的能量吸收效果更好。

图7 优化后正碰位移-时间曲线图

2)碰撞力-时间曲线。

图8所示为优化后低速碰撞碰撞力曲线图，由图可知，优化后的结构碰撞力比优化前防撞力小，整个碰撞过程中碰撞力较平稳，峰值为59 kN，对车身更具保护性。

图8 优化后正碰碰撞力-时间曲线

3)SEA。

优化后新结构的SEA见表4，由表可知，防撞梁和吸能盒的SEA较原结构的SEA分别提高了63.42%和84.22%。

表4 新结构防撞梁和吸能盒SEA

5 结论

本文在对原防撞梁和吸能盒正面低速碰撞仿真分析的基础上，进行了优化设计，得到如下结论：

1)以Isight为优化平台,集成CATIA三维软件以及HyperMesh、LS-DYNA有限元软件进行优化设计，在满足实际工程需要的情况下，利用RBF构建的代理模型可以很好地代替原有物理模型。

2)在原结构基础上，重新构建防撞梁和吸能盒并基于Isight优化设计后，新结构质量减轻了46.56%，低速碰撞碰撞力减小了41.58%，防撞梁变形减小了，SEA提高了，达到了优化设计防撞梁和吸能盒的目的。

3)以Isight为优化平台可以提高设计效率，并可以为其他类似优化问题提供参考。