CN112257187A - 一种客车薄壁梁的优化设计方法 - Google Patents

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梁治千
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Abstract

本发明公开了一种客车薄壁梁的优化设计方法，步骤为：S1.建立各种不同截面薄壁梁有限元模型；S2.进行碰撞仿真选择最佳截面的薄壁梁；S3.在S2薄壁梁上分别添加截面为V型或U型吸能槽；S4.选择最佳形状吸能槽；S5.在最佳截面薄壁梁上选择出最优吸能槽添加数量；S6.将薄壁梁厚度、吸能槽截面边长、吸能槽间距作为优化变量，通过哈默斯雷实验设计法进行DOE实验设计；S7.通过HyperKriging法建立近似模型；S8.以吸能最大为目标、碰撞加速度小于优化前的值为约束，建立优化模型；S9.采用遗传算法进行优化，计算出各个变量的最优值；S10：将安装原薄壁梁的骨架与安装优化后薄壁梁的客车骨架进行碰撞仿真；S11：分析两个整车碰撞的结果；从而得到薄壁梁的优化安全吸能结构。

Description

一种客车薄壁梁的优化设计方法
技术领域
本发明涉及汽车技术领域,具体涉及一种客车薄壁梁的优化设计方法。
背景技术
客车的安全性能直接影响乘员的生命财产安全。在客车发生交通事故时，客车薄壁梁的设计结构在碰撞中以预定的方式变形，可以有效吸收碰撞能量，产生良好的碰撞波形可以减轻乘员、特别是驾驶员所受冲击伤害，为乘员提供生存空间。
中国发明专利（申请号：CN201810451880.2）《一种薄壁梁变形引导结构》中公开了一种薄壁梁变形引导结构，属于薄壁梁设计及制造领域，包括薄壁梁、加热区、未加热区。沿着薄壁梁的轴向，加热区与未加热区交替分布；加热区的强度大于未加热区的强度。将薄壁梁以一定速度通过加热装置，通过加热装置加热后的加热区，浸入冷却介质中。本发明的优点在于，在不增加结构重量和制造难度的前提下可显著加强轴向承载、引导薄壁梁发生稳定褶皱变形。
中国发明专利（申请号：CN201911270454.X）《考虑制造成本的多组件形式薄壁梁结构设计方法》涉及一种薄壁梁设计方法，针对现有利用拓扑优化方法设计的单组件形式薄壁梁结构形状比较复杂，经济性和工艺可行性差，可制造性差问题，一种考虑制造成本的多组件形式薄壁梁结构设计方法包括：1、建立多组件形式薄壁梁初始设计空间有限元模型；2、建立多组件形式薄壁梁多相惩罚材料插值模型；3、确定多组件形式薄壁梁结构优化目标；4、建立多组件形式薄壁梁零件材料成本约束；5、建立考虑制造成本约束的多组件形式薄壁梁拓扑优化模型；本发明在拓扑优化过程中兼顾考虑到制造约束及在拓扑优化过程中实现多组件形式结构分解，提高拓扑优化所带来的经济效益及优化方案的可行性。
中国发明专利（申请号：CN201810359712.0）《对称模式下两种常用钢矩形截面薄壁梁压溃力分析方法》提供了一种对称模式下两种常用钢矩形截面薄壁梁压溃力分析方法，第一步是推导对称变形模式下由同种材料、同种厚度的钢板构成的矩形截面薄壁梁的平均压溃反力表达式；第二步是推导由两种材料不同且厚度也不同的钢板、由两种材料不同但是厚度相同的钢板以及由两种材料相同但是厚度不同的钢板构成的矩形截面薄壁梁分别在两种混合形式下的平均压溃反力表达式；并且对第二步求得的三种情况的平均压溃力表达式进行工程化近似；本方法在仅有尺寸参数及材料特性条件下对两种常用钢混合矩形截面薄壁梁的压溃性能进行准确预测分析，可实现对薄壁梁结构的正向设计，大大减少仿真试错及实验次数，缩短开发周期，降低设计成本。
发明人在实现本发明的过程中发现：
上述这些专利，都没有从如何提高薄壁梁的吸能及降低碰撞加速度的角度来分析优化薄壁梁的结构，以解决薄壁梁吸能不彻底的问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种客车薄壁梁的优化设计方法，该方法从提高薄壁梁的吸能及降低碰撞加速度角度来优化薄壁的设计，以解决薄壁梁吸能不彻底的问题，提高客车碰撞的安全性。
发明构思：鉴于现有技术针对薄壁梁的相关技术方案都没有考虑如何提高薄壁梁的吸能及降低碰撞加速度。发明人从这个角度入手，先寻找吸能、加速度最优的薄壁梁截面形状，再寻找优化出吸能、加速度最优的吸能槽布置及数量；最后将该薄壁梁安装到客车上，有效提高碰撞安全性。
为此本发明的技术方案为：一种客车薄壁梁的优化设计方法，具体步骤为：
S1. 建立各种不同截面的薄壁梁三维模型，根据三维模型建立有限元模型；
S2. 对S1中不同薄壁梁有限元模型进行碰撞仿真，以吸能最大、加速度最低为目标，选择出最佳截面的薄壁梁；
S3. 在选出的最优截面薄壁梁上分别添加截面为V型或U型的吸能槽；
S4. 对S3中两种装有不同截面形状吸能槽的薄壁梁在相同碰撞条件下分别进行碰撞仿真，以吸能最大、加速度最低为目标，选择出最佳形状吸能槽；
S5. 在最佳截面薄壁梁上依次等距增加最优形状吸能槽数量，通过碰撞仿真，以吸能最大、加速度最低为目标，选择出最优吸能槽添加数量；
S6. 将薄壁梁厚度、吸能槽截面边长、吸能槽间距、吸能槽距离薄壁梁前端距离作为优化变量，总吸能、碰撞加速度设为优化响应；通过哈默斯雷实验设计法进行DOE实验设计，DOE可由计算机自行改变各个变量数据，并计算出相应响应对应的结果；
S7. 基于DOE实验设计得到的系列数据结果，通过HyperKriging法建立近似模型；
S8. 以吸能最大为目标、碰撞加速度小于优化前的值为约束，建立优化模型；
S9. 采用遗传算法进行优化，计算出各个变量的最优值，并根据优化后数据重新建立薄壁梁三维模型以及有限元模型；
S10：将安装原薄壁梁的骨架与安装优化后薄壁梁的客车骨架进行碰撞仿真；
S11：分析两个整车碰撞的结果。
有益效果：与现有技术相比，本发明可寻找出吸能最大、加速度最低薄壁梁形状，通过整车安装优化薄壁梁后，可有效提高碰撞安全性。
附图说明
图１是本发明的不同截面的薄壁梁示意图。
图2是本发明的薄壁梁上V型\U型诱导槽示意图。
图3是本发明的两个V型诱导槽薄壁梁变量示意图。
图4是本发明的在整车前部安装薄壁梁示意图。
图5是本发明的优化前后门框入侵量对比图。
图6是本发明的车身前部变形的原始模型图a与改进后模型b对比。
图7是本发明的优化前后驾驶员座椅处加速度对比分析图。
图8是本发明的优化前后客车质心处加速度对比分析图。
图9是本发明的流程图。
具体实施方式
下面将结合附图及表对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但该实施例不应理解为对本发明的限制。
本发明如图1至图9所示：
一种客车薄壁梁的优化设计方法，具体步骤为：
S1. 建立各种不同截面的薄壁梁三维模型（图1所示），建模时控制不同形状薄壁梁截面面积一样，并根据三维模型建立有限元模型；
S2. 在材料、碰撞初始速度、末端施加质量这三个碰撞条件相同的情况下，对不同薄壁梁有限元模型进行碰撞仿真，以吸能最大、加速度最低的原则选择出最佳截面的薄壁梁；
S3. 在选出的最优截面薄壁梁上分别添加截面为V型、U型的吸能槽（图2所示）；
S4. 对两种装有不同截面形状吸能槽的薄壁梁在相同碰撞条件下分别进行碰撞仿真，以吸能最大、加速度最低的原则选择出最佳形状吸能槽；
S5. 在最优截面薄壁梁上依次等距增加最优形状吸能槽数量，每增加一个吸能槽、进行一次碰撞仿真，最终以吸能最大、加速度最低的原则选择出最优吸能槽添加数量；
S6. 将薄壁梁厚度X2、吸能槽截面边长X3、X4，吸能槽间距X1、X6，吸能槽距离薄壁梁前端距离X5设为优化变量，总吸能、碰撞加速度设为优化响应；(优化变量中，因V型诱导槽截面为等腰三角形，故变量X4可同时代表两个边长（U型诱导槽时X4变量代表U型诱导槽截面半径）；每两个诱导槽之间就有一个距离变量，如图3所示，诱导槽数量越多，诱导槽之间的距离变量就越多，且不同位置诱导槽之间的距离变量不同)；
通过哈默斯雷实验设计法进行DOE实验设计，DOE可由计算机自行改变各个变量数据，并计算出相应响应对应的结果；
S7.基于DOE实验设计得到的系列数据结果，通过HyperKriging法建立近似模型；
S8.以吸能最大为目标、碰撞加速度小于优化前的值为约束，建立优化模型；
S9.采用遗传算法进行优化，计算出各个变量的最优值，并根据优化后数据重新建立薄壁梁三维模型以及有限元模型；
S10：将安装原薄壁梁的骨架与安装优化后薄壁梁的客车骨架（图4所示在整车前安装薄壁梁示意图）进行碰撞仿真；
S11：分析两个整车碰撞的结果：
车门变形量是评价碰撞后车门能否正常打开的参考量，关乎乘客的逃生安全；通过图5改进前后车门压缩量对比，门框入侵量也大大降低，从之前的100mm也下降到54mm，将近为之前变形量的一半，减小了驾驶员生存空间的入侵情况；
图6为通过模型对车身前部变形进行对比，分别从驾驶员座椅的碰撞加速度、客车质心处加速度作相应分析：
通过图7对比可以看出，优化后的模型驾驶员座椅的碰撞加速度峰值从92.36g下降到了43.49g，降低量超过50%，整体加速度变化较为平稳，说明吸能块起到了一定的缓冲作用，防撞性能有所提升；
通过图8对比可以看出，客车质心处加速度峰值也从21.59g下降到了20.36g，下降的数值较小；在0～25ms时刻优化后加速度数值比优化前数值要大，这是因为吸能块和刚性墙先接触的原因；在70～120ms时刻优化后的加速度波动明显比之前要小，整体来看减少了对乘客的冲击。
本说明书中未作详细说明之处，为本领域公知的技术。
通过上述加工方法的描述，所属技术领域的技术人员应当理解，本发明不局限于上述的具体实施方式，在本发明基础上采用本领域公知技术的改进和替代均落在本发明的保护范围，应由各权利要求限定之。

Claims (1)

1.一种客车薄壁梁的优化设计方法，具体步骤为：
S1. 建立各种不同截面的薄壁梁三维模型，根据三维模型建立有限元模型；
S2. 对S1中不同薄壁梁有限元模型进行碰撞仿真，以吸能最大、加速度最低为目标，选择出最佳截面的薄壁梁；
S3. 在选出的最优截面薄壁梁上分别添加截面为V型或U型的吸能槽；
S4. 对S3中两种装有不同截面形状吸能槽的薄壁梁在相同碰撞条件下分别进行碰撞仿真，以吸能最大、加速度最低为目标，选择出最佳形状吸能槽；
S5. 在最佳截面薄壁梁上依次等距增加最优形状吸能槽数量，通过碰撞仿真，以吸能最大、加速度最低为目标，选择出最优吸能槽添加数量；
S6. 将薄壁梁厚度、吸能槽截面边长、吸能槽间距、吸能槽距离薄壁梁前端距离作为优化变量，总吸能、碰撞加速度设为优化响应；通过哈默斯雷实验设计法进行DOE实验设计，DOE可由计算机自行改变各个变量数据，并计算出相应响应对应的结果；
S7. 基于DOE实验设计得到的系列数据结果，通过HyperKriging法建立近似模型；
S8. 以吸能最大为目标、碰撞加速度小于优化前的值为约束，建立优化模型；
S9. 采用遗传算法进行优化，计算出各个变量的最优值，并根据优化后数据重新建立薄壁梁三维模型以及有限元模型；
S10：将安装原薄壁梁的骨架与安装优化后薄壁梁的客车骨架进行碰撞仿真；
S11：分析两个整车碰撞的结果。
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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106740620A (zh) * 2016-12-27 2017-05-31 南京航空航天大学 基于负泊松比结构填充的汽车吸能盒及其多目标优化方法

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Non-Patent Citations (3)

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Title
刘成阔: "汽车保险杠系统碰撞分析及优化设计", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库》 *
江志勇: "基于轿车薄壁构件碰撞的变形及吸能特性的仿真与分析", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库》 *
白晓辉: "货车后下部防护装置的碰撞仿真研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库》 *

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