基于序列响应面法的汽车结构耐撞性多目标粒子群优化设计

机械工程学报第４５卷第２期

４数值算例

为了进一步提高某微型车的碰撞安全性以致顺利通过安全法规，又要尽量降低开发成本、缩短开发周期和减少更改零件的数量，最大程度共用原车的生产线。原车的前纵梁非常短，在碰撞时前纵梁的吸能能力有限，直接导致车体的减速度峰值大和传递到乘员身上的能量过高。提高原车安全性的最直接和最经济的方法就是在原车的头部加一个前部结构达到延长原车纵梁的功能。图４为增加了前部结构后样车的效果图照片，图５为新增前部结构的有限元模型，该模型由上横梁、中部连接结构、下横梁、下纵梁上板和下纵梁下板五个部分组成。

图４某车型增加前部吸能结构后的照片

图５某微车新增前部结构的有限元模型

４．１优化数学模型

大量的研究表明，汽车每减重１０％，其油耗将减少１０％，排放量降低３％～７％【ｌ引。因此，在满足安全法规的前提下，减少汽车的质量同等重要。综上所述，新增前部结构在满足加速度峰值不超过某个限值的情况下，尽量使其吸能最大化和结构质量最轻。通过分析，上横梁板厚菇、下纵梁上板板厚历和下纵梁下板板厚西是影响吸能，结构轻量化和加速度峰值的最主要因素，因此在优化过程中将其作为设计变量。优化设计的最终变形模式如图６所示。

Ｉｍｉｎ（一‰，‰）

｛ｓ．ｔ．ａｍ≤５０１≤磊≤３（１３）

１≤岛≤３１≤岛≤３

表优化前后结果对比迭代过程

板厚

６／ｍｍ初始设计１．９５第一次迭代２．４５第二次迭代２．４４历，ｍｍ

２．２６

１．ｏｏ

１．ｏｏ

６√Ⅱ皿

２．１６

１．７０

１．７ｌ

结构的质量ｍｏｈｊ／ｋｇ

近似计算

吸收的能量Ｅｏｂｊ／ｋＪ加速度峰值ａ。／ｇ

近似计算近似计算

９．４８

９．４８

ｌＯ．６８

９．４７

９．４９

３０．０４

３１．７５

３１．８４

４９．９９

５０．０４

５３．１４

５０．４３

５０．２９

２００９年２月孙光永等：基于序列响应面法的汽车结构耐撞性多目标粒子群优化设计看

箍

餐

时间ｔ／ｍｓ

图７优化前后吸能对比

１．初始设计２．优化设计

图８优化前后加速度对比

１．初始设计２．优化设计

４．３试验验证

为了验证图５所示结构设计的合理性，进行了实车碰撞试验。图５所示模型中的两个下吸能筒是影响车身加速度曲线和吸能的最主要部件。将图５所示结构的上横梁进行合理简化可以避免在概念设计阶段须对它进行开模设计的缺点，大大地缩短试验的准备期和节省试验费用，为改型车提前上市赢得时间，也不会造成对两个下吸能筒吸能特性和变形模式较大的影响。吸能筒工艺简单，制作容易，因此将图５模型中的上横梁简化为两个等价的吸能筒进行替代试验。简化后模型（１５９）的吸能能力与变形模式与图５所示的模型相当。图９、１０分别为试验结果变形前后的照片。试验结果表明改型车达到了ＣＭＶＤＲ２９４的要求，证明图５所示结构设计是合理可行的。

图９试验结果变形前照片５结论

图１０试验结果变形后照片

（１）本文将试验设计、序列响应面模型和多目标粒子群优化方法相结合，实现了汽车结构耐撞性的优化。序列响应面法能有效克服常规响应面法在整个设计空间进行逼近导致精度低的缺陷。在优化过程中调用的是响应面近似模型而非有限元模型，大大地减少调用有限元模型的次数，提高了效率且克服了汽车结构耐撞性数值模拟中因单元计算或接触计算产生问题而使整个优化过程无法进行的瓶劲问题。

（２）针对多目标优化后结果为非劣解集，本文提出的最小距离选解法能帮助工程设计人员快速有效地挑选出最满意解且克服了以往挑解时需要工程人员主观设置偏好的缺点。

（３）成功地将多目标粒子群优化方法应用到了汽车结构耐撞性优化研究中，拓展了多目标粒子群优化方法应用的领域，对于其他复杂系统的优化研究也具有非常大的借荐作用。对某车型前部结构实例研究表明，该方法得到了很好的结果，将该方法深入地应用到汽车结构的耐撞性优化设计中对提高汽车的碰撞安全性具有重要的指导意义。

参考文献

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ＺＨＡＮＧＷｅｉｇａｎｇ，ＺＨＯＮＧＺｈｉｈｌｌａ．Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｃｒａｓｈｗｏｒｔｈｉｎｅｓｓｏｆｔｈｅ锄ｅｒ】醪ａｂ踟蛐ｆｉｏｎｔｅｎｄｏｆａｐａｓｓｅｎｇｅｆｃａｒ［ｆ１．ＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ’２００２，２４（１）：６－９．ｆ２】ＫＯＣＨＰＮ，ＹＡＮＧＲＪ，ＧＵＬｅｉ．Ｄｅｓｉｇｎｆｏｒｓｉｘｓｉｇｍａｔｈｒｏｕｇｈｒｏｂｕｓｔｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｓｍｌｃｔ．Ｍｕｌｔｉｄｉｓｔ．Ｏｐｔｉｍ．，２００４，２６：２３５－２４８．

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