66Dec.2020Vol. 49 No. 12
2020年12月 第49卷第12期
机械设计与制造工程
Machine Design and Manufacturing Engineering
DOI ： 10. 3969/j. issn. 2095 - 509X. 2020.12. 018
李雨田
(西安航空职业技术学院资
，陕西西安710089)
摘要：为提高轿车前防撞系统低速耐撞性，首先进行前防撞梁和吸能盒正面低速碰撞仿真和分 析，结果表明原结构
能盒能
、防
变形过大、超过 空间等设计 ，需重
优化设计。然后搭建基于Isight &CATI &HyperMesh &LS - DYNA 的优化设计 进行优化
设计，即以 件长度、壁厚尺寸为设计变量，以比吸能最大化为优化目标，以
力小于180 kN 、
防 小于200 mm 、吸能盒变形小于180 mm
束条件，进行优化设计。最后通过对新设
计的防撞梁和吸能盒进行低速碰撞性能验证，证明了优化方法的高效性和可行性。
关键词：
防 ；吸能盒；低
；【sight ；优化设计
中图分类号
:
U463. 82
文献标识码
:
A
文章编号
:
2095 - 509X ( 2020) 12 - 0082 - 05
进入21 ，随着我国城市轿车保有
：断力口，低速碰撞(R ! 15 km/h )时有发生。前防撞
系统的防撞梁和吸能盒
低速碰撞过程
到 汽车的重要作用，当低速碰撞发生时，首先
损的就是汽车前防撞系统中的防撞梁和吸能盒, 以此 车身避免受损、降低维修成本。 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 设计缺&门。为提高低速耐撞性， 学者做了大量
(
[2 ]对防撞梁的挤 度进行了研，得出增加防撞梁弯曲刚度 加吸能特性的结
(
[3 ]
防撞梁和吸能盒的吸能特性，比
较分析了四组截面
分别为 、正方、六边
和八边形，每组的单元格和连接板 的防
撞梁和吸能盒，结果
八边形带 结构的截面
比吸能最大。 & 4 ] 了撞时吸能盒的变
式，通 吸能盒 加诱导槽， 以提高防撞梁的吸能特性， 以使最大碰撞力和位移
设计 。
，Isight
的集成优化技术广泛应用于化学
工程、 工程、航空航天、车辆工程等 的优化设计中&5'， 低速碰撞前防撞系统优化 不
见。因此 对某型车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 a LS - dyna 的优化设计平台，
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
仿真分析
1.1
的建
采用HyperMesh 建立有限元模型，网格大
小设置为10 mm ，最得到6 310
元， 三
角 元有518
；防撞系统的防撞梁和吸能盒连
接方式为点焊，用Weld 单元 ；
设置碰撞器和
防撞梁之间的接 型为* CONTACT_SURFA-
CEE_TO_SURFACE ，防撞梁、吸能盒以及车 面
的接触类型为 * CONTACT_SINGLE_SURFACE &6' o
车质量为1.078 O 碰撞器按照RCAR 低速碰撞
构建， 最 搭建的 撞有 元模型 1
o
模型的材料为DC01， 模为202
GPa ，
比为 0. 28，密度为 7. 85 1 10 一6
kg/mm 3 &7'(
图1 碰撞有限元模型
收稿日期：2019 -05 -10
作者简介：李雨田(1983―)，男，讲师，硕士，主要研究方向为机械设计，468160373@ qq. com.
・82
・
2020年第12期李雨田：基于Night 的汽车前防撞系统低速碰撞优化设计
1.2
前防撞系统低速碰撞仿真分析I. 2.1仿真结果准确度评判
汽车碰撞仿真结，对真结果可靠
进行分析。
漏、滑移能、质量、总
几个方面对仿真结果进行评判，然
真的基础上分析 防撞系统的耐撞
。一般，撞真过程
（沙漏、
移能、总
）、质的变化，查阅 [8 ]、[ 9 ]
，质量的增加应小于系统总质量的5% ；沙漏
应小于 系统 的5%，且允许出现负
；
移 应小于系统总 的5%；
加口
大于系统总 的10%；只有质量、沙漏、滑移能以及总 的变化 接 才 认为碰撞仿真是 的，具有
&6
一 7,1°
'。
2为基于低速正面碰撞（
）真的
变化 。 2 以看出，沙漏
为 280 J , 系 统 总 的 2.99% ； 移 为 75
J , 占系统总 的0. 80% ；系统的 和动能的
总和始 为9 357.64 J , 低速正面碰撞仿真
程 守恒 ；由动
得，质
加也小于10%
o
由此 ，低速正碰有限元建模
方法是 的。
8.00
0.02
0.04
0.06
0.08
0.10
时间/s
动能
—
-
1
内能、
L
/
沙漏能
-
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 撞 的研究
防撞系统的位移-时间 、碰撞力-时间
和SEA 几个方面 分析& 7。1 ）位移-时间 。
3
为低 速 撞 程 吸 盒 防撞梁 移 变化 ， 看出防撞梁最大位移为
267 mm ，接 移变
，
停止 变形吸能,
此时动能通过横梁传递给车身，造成 他汽车零部 件的破坏，前防撞系统没有充分发挥作用。
2 ） 撞 力 -时间 。吸 盒 的 撞 力 -时间 4
,
有2
点，第1 点为0.026 s 时的83
kN ，第2
点为0.091 s 时的101 kN o 结
3
,
种 是由于防撞梁变 大，低
速碰撞没有结束，防撞梁碰到车 他零部件使碰
撞力第2 高， 传递到其他零部件造成破
3） SEA o
SEA 是 质量吸能的多少。防撞梁和吸
盒 质
动能转化为
的多少，是
撞 的重 。SEA 越大，结构耐撞性越 ，结构的SEA 见表1。
表1防撞梁和吸能盒的SEA
吸能量/J
质量/kg SEA/(J ・ kg-1)
防撞梁
5 977
5.0111 192.78吸盒
2 974
2.584
1 150.93
2前 数学优化 与流程
化设计是 的 ，使
质 最 。 对 车 结构进行 化设计有2种方法：一 是材料替换，即利用强度高、密度
小的材料（如镁 金、铝 金）替换钢；另一 是采 用更好的结构、更 进的工艺。将2种方法组
，汽车优化设计 有 倍的效果，如在
防撞梁和吸能盒 基础上，参考关 ⑸
重
防撞梁 和 吸 盒 的结构 ,
5
,
51
〜510和8〜8为 化模型待 。材
料采用铝6101,
模为69 GPa , 比为
・83
・
2020年第49卷
机械设计与制造工程
0.33，密度为 2.7 110 - ky/mm 3
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
5
，化设计时，将防撞梁所有 ：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
，
最 设计变 化为13
, 有10、厚
度变量和3 度变量，变量变化 为±20%,
设计变 ：
L $
[ 51 ,52 ,53,81,82,83，8,85,86,87,88 ,
8,810 ]
(1)
式中:L 为设计变 行域；厶〜5为长度变量；
8
〜J ；。
为度变量。2.1.2数学模型
进行防撞梁和吸能盒设计时
关注的参有碰撞力 、吸 、防撞梁 和吸能盒变形行程。碰撞力 大于180 kN ，要完 吸
收系统的动 小于9 357.64 J ，防撞梁变 大于200 mm ，左右吸能盒变 大于180 mm 。在保
项 的同时，应尽量使结构质量变轻、吸
，以SEA 最大化作为优化
。
防撞系统的数学模型可以 为：
< ( ! 180 000 N
9beam + 9box "
汽车防撞系统9 357 J
(?)
*'beam ! 200 m *'L box ! 180 m *'Hbox ! 180 m
]! L ! ]2
式中：9d 为吸
；@为质量；(p 为撞力峰值；
9b-m
为防撞梁吸
；9o-为吸能盒吸
；*'bwm
为防撞梁最大变 ；*'L bo-为左吸能盒吸能行
程;*'Hbo-为右吸能盒吸能行程;]和]分别为变
量的 和 。
2 .2 优化流程
6
, Isighti 集成了 CAE 软件 Hy
perMesh %LS -Dync 以及 CAD 软件 CATIA ，在 CATIA
构建的CAD 形状变量以及在HyperMesh 创建的
度变
直接与Aight 建 接和传递信息。
Isigh 中
验 调用CATIA 更新几何变量
以及调用HyperMesh 更
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
件提
、位移以及碰撞力信息。
获取形状变量信息
Car.catvbs [◄----------
\ Command,cmf M ----------
获取厚度变量信息
输出质量信息HyperMesh Summary -
输出能量信息
LsSyna - ~Rcforc ■
输出碰撞力信息L p 吋输出位移信息
CAE
模型
|随机严样|----------T ---------------------1
“ |实际点真值|代理模也预丽
|代理模型*
最优 拉丁 超立 方试 验设 计
—H
优屈解|
-H 选择最优解代入有限元模型]
|验证新模型低速耐撞性|
是否满足要求
|优化结果|
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
和厚度的 模型，通 程控制CATIA 生成cow stp 文件并导入到HypsMsh 中生
成Cao k 文件。将Cao k 作为输入文件，调用LS - DYNA 进行 , 输出 件 Summaey 、 Glstat 、 nod-out A Rcforc 进行文件解析，得到系统质量、 变
化，位移以及碰撞力信息。在此基础上，利用拉丁
超方的采样在设计变 行 生成试验 ，
并驱动CATIA 、HypsMsh 和LS - DYNA 循环更新
计算， 以得到一系列变量和响应，并利用径向基 构建变量和响应之间的 模型，以撞
・84
・
2020年第12期李雨田：基于Isight的汽车前防撞系统低速碰撞优化设计
指数最大作为目标，选用相应的算法进行优化求解(
3与优化设计
3.1代理与精度检验
基于模型的优化前提条件是精度足
(利用构或模型来替换模型，进行快速优化，可以大大提高计算。利用径向基法构造了
吸能零部件耐撞性的模型并进行了优化，优化结果：通科学地布置诱导槽的方式可以提高其结构的耐撞，吸和减小碰撞力⑷。由引，模型的方法引入到车身撞，基于RBF构建车
的模型，快速、高、地对车身进行化&9'。
防撞梁和吸能盒共13变量，首先利用拉丁超方的方法进行采样分析，共采集得到105组，基于RBF构建模型。模型由多组数通过数学方法拟，并部数据均模型上，所以一定的误差。如果：模型不能精确地变量和响应之间的关系，基于模型优化的结果也是的解⑼(
使用3种方法——系数(G2)、均方误差评价"G m)和相对平均绝对误差(G a)对防撞梁和吸盒模型进行进验模型精度&10',2为模型精度检验结果。由2:
G2，G a和G m达到可接，说明基于径向基构建正面碰撞的代理模型是可行的。
表2代理模型的G2,G a和G m值
响应G2G a G M 可接平"90%!30%!20%总质量
97.53%11.29% 3.23%
撞力97.64%9.96% 1.49%左吸能盒位移98.56% 6.33%0.58%吸97.44%9.42% 1.46%右吸能盒位移98.17%7.74%0.63% SEA97.32%12.20% 3.76%防撞梁移96.88%12.75% 4.32%
3.2优化结果
Isight集成了梯度优化方法(gradient optiniza-ton)、直接搜索法(direct search)和化算法(global optimization)等几化方法。2
用软件默认的NLPQL，但是考虑到制造工艺约束和相关经验，对化结果。为加工的，通，最化结果见表3(最终的质量为4.058kg，较原结构质量7.594 kg了46.56%。
表3代理模型优化结果mm 设计变量初始值正碰优化值选择值
500557.3824400
2523.463125
2500
31.01121
3.51.46702
3 4.9?645
3.5 6.99997
35.97645
2.5 4.94253
2.5
3.69104
21.67202
21.03811
2 1.00001
4验证
防撞梁和吸能盒优化方案后，需要对新结构进行低速撞分析，采用结构低速撞
真模型构建的方法来构建新结构有限元模型。
1)位移-时间。
7为优化设计后前防撞系统的位移-时间，由防撞梁最大移为194mm，右吸能盒变形比优化前更大，吸收更多的低
2)撞力-时间。
8为化低速撞撞力，由
，化的结构碰撞力比优化前防撞力小,
撞过程撞力较，为59kN，对
・85
・
2020年第49卷机械设计与制造工程
车身更具保护性。
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
吸能量/J质量/kg SEA/(J・kg-1)防撞梁6259 3.2111949.24
吸盒3068 1.4472120.25
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Night为优化平台，集成CATIN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Nght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Night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。
参考文献：
& 1]SCOTT W R，BAIN C，MANOOGINN S J，etal.Simulation model for low-speed bumper-tv-bumper crashes&J].SAE International Journal cf Passenger Cars:Mechanical Systems,2010，3
(1)：21-36.
&2'杨永生•汽车保险杠系统低速碰撞性能研究&D]•哈尔滨：哈尔滨工程大学，2009：42-67.
63]柳艳杰•汽车低速碰撞吸能部件的抗撞性能研究&D]•哈尔：工程大学#2012:34-41.
64]郝亮，徐涛，崔健，等•参数化诱导槽设计的吸能盒结构抗撞性多目标优化&J] •吉林大学学报(工学版)，2013,43(1)：39-44.
65]朱小龙，于兰峰，郭俊才，等•基于MATLAB和Night的门式起重机金属结构系统可靠性分析&J]•机械设计与制造，2013
(3):91-93#96.
66]胡远志，曾必强，谢书港.基于LS-DYNA和HyperWorks的汽车安全仿真与分析&M] •北京：清华大学出版社，2011：
198-245.
&7'魏显坤•轿车保险杠吸能特性分析与试验研究&D]•重庆：重庆理工大学，2012：46-53.
68]郭明慧，黎胜•运用代理模型方法预测潜艇结构模型的振动声辐射&J]•中国舰船研究，2013，8(6)：69-74.
69]陈国栋•基于代理模型的多目标优化方法及其在车身设计中的应用&D]•长沙：湖南大学,2012：32-51.
&10]都雪静，韦丽苹•吸能盒盒体内部结构的改进&J]•重庆理工大学学报(自然科学)，2015,29(12)：7-12.
Optimization design of low-speed collision of
automobile fronr anti-sollision system basee on Isigd
Li Yu/an
(Asset Management Division，Xan Faculty of Aviation Technoloay,Shaanti Xian，710089，China) Abstrad:In order to improve the low-speed emshworthiness of the front anU-collision system of the coy it simulates and analyzes the font irnpact beam and eneryy-absorbing box irontal low-speed crash.The results show that the onginal stmeture with eneryy-absorbing bot eneryy absom/on is insufOcient,the defoonation of the irnpact beam is too larye,more than the limit space and other design defects need to re-op/mize the design.Then，an optimized design simulation platfoon based on Night,CATIN，HyperMesh and LS-DYNA is built to optimize the design，realizes optimal design through taking paO length and wall thickness dimensions as design v v O—W s,maximum specific eneryy absoytion as the optimization taryet,and collision force less than180kN，crash bexm dm-placement less than200mm and eneryy-absorbing bot deformation W ss than180mm as constraints.Finiy,the low-speed crash peObonanco of the newly designed crash beam and eneryy-absorbing bot are veofied to pmvv the ficienco and feasibility of the optimization method.
Key worrs:anti-collision beam；eneryy-absorbing bot;low-speed collision；Night;optimization design ・86・
发布评论