摘要：根据汽车性能指标进行汽车主要部件布局的概念性设计是汽车设计的重要方法。整车被动安全指标也是一个主要指标，比如，动力总成最大加速度、B柱最大加速度和乘员仓位移等。由此，本文提出基于被动安全的概念车简化模型下的主要部件布局的多目标优化设计方法。本文，首先用多质量弹簧系统等效成整车模型，再用弹簧刚度折线表示各个主要部件的受力关系，用最大相对位移量描述各个主要部件的相对位置关系，即整车结构布局参数。
Abstract： It is an important method of automobile design to carry out the conceptual design of the main parts of the automobile according to the performance index of the automobile. Vehicle passive safety indicators are also the major indicator， for example， the maximum acceleration of the powertrain， the maximum acceleration of the B column and occupant position shift and so on. Thus， this paper proposes a multi-objective optimization design method of the main component layout of the simplified model of concept car based on the concept of passive safety. In this paper， the equivalent mass spring system is used to ex
press a full vehicle model， and the stiffness of the spring stiffness line is used to show the force relation of main parts， the maximum relative displacement is used to describe the relative position of each main component， the relative position is the vehicle structure parameters.
关键词：汽车碰撞；关键点；被动安全；机械振动方法
Key words： car crash；key point；passive safety；mechanical vibration method
中图分类号：U462.2 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）19-0213-03
0 引言
基于汽车碰撞仿真结果进行车身安全性设计和改进已经被国际上广泛接受[1]。上世纪30年代，国外已经开始利用汽车实车碰撞试验来检测和优化汽车安全性。但这种方式存在很多缺点，比如试验费用高、汽车样车制作困难、后期优化改进费用较高以及部分碰撞试验信息采集困难等[4]。如今，汽车碰撞数值模拟已经被广泛采用，比如ESI公司在CRAY1计算机上使用PAMCRASH数值模拟汽车碰撞[5，6]。计算机碰撞数值模拟方法以重复性好、费用低、开发汽车周期短、信息全面等优点受到各汽车研究和制造业的广泛欢迎。
当代，汽车碰撞数值模拟主要有三种：机械振动学法、多体系统动力学法和有限元法。多体系统动力学法是建立多体动力学方程，其优点是模型简单、编程难度小、计算速度快。[7，8]机械振动学法是基于质量点弹簧模型依据汽车碰撞各个质量点的位移情况，将汽车各个主要部件离散为一个弹簧-质量点振动系统，测定系统中弹性元件的力学特性后利用振动方程计算的方法求解碰撞系统运动学特性的方法，优点是程序简明、能够比较真实的反应变形体的弹塑性变形特性。有限元法就是将整个汽车实体结构分解为离散的有限元单元体通过专业的碰撞分析软件模拟变形和运动过程，其优点是方法专业、适用范围广、数据全面[3，4]。
在概念车开发初期，整车材料、形状和尺寸均未确定。在概念设计阶段对整车安全性能进行数值模拟，在上述三种碰撞分析方法之中，使用机械振动方程对安全性能进行定性计算是比较可行的[9，10]。其计算结果可以指导结构设计工程师合理地布局主要部件和它们的连接方式。因此，本文也才采用了上述机械振动。
在这个模型上，使用Wilson—θ法加强计算的稳定性。每次求解的振动方程中的刚度阵都是由刚度曲线上对应的点组装的总刚度阵，保证了计算的严谨性。
1 汽车碰撞简化模型
整车设计开发流程包括五个阶段：方案策划阶段、概念设计阶段、工程设计阶段、样车试验阶段、投产启动阶段[7]。在概念设计阶段需要考虑汽车总布置方案。从碰撞安全角度考虑，本文将整车碰撞模型如图1，整车各个主要部件连接力学特性如图2所示，忽略其他小质量部件，汽车碰撞简化成为一个弹簧质量的机械振动系统。该系统由动力总成、副车架、车身、左（右）前纵梁，左（右）前悬架及轮胎，左（右）后悬架和轮胎等部件，以及它们的弹性关系组成的质量弹簧系统。
在概念设计阶段，发动机、副车架、车身等主要部件的质量为固定值，其位置为设计值。各个部件连接按照弹性连接处理，如图2，其弹性连接力用刚度曲线表示。而刚度曲线就是由几个关键点确定的简化折线。图2中左侧为关键点坐标，人为输入后在右侧生成刚度曲线。每个弹性连接都有相类似的弹性曲线。在计算过程中，可以根据这种弹性关系曲线，插值得到该位置出的弹性力。图3中刚度（K1，K2，K3，……）相当于这些刚度曲线上的点。
2 软件模型举例
已知，某概念车的主要部件及布置简化模型（图2）。概念车进行仿真碰撞试验时间120毫秒，时速50公里/小时，主要部件距保险杠的初始设计距离和部件质量如表1。各个主要部件的连接力用图2中的关键点表示，具体关键点数值如表2。
设计参数：表1中所有部件的位置参数；表2中所有部件的刚度关键点值。
设计目标：计算车身的加速度曲线。
对比实车加速度曲线，如图5，和仿真车加速度曲线，如图4。可以发现，二者B柱加速度曲线变化趋势比较一致，峰值的偏差在10%太平洋汽车模型以内。在概念设计阶段考虑到模型的不确定性，这些误差量是可以允许的。因此，本文所提出的整车碰车分析软件具有可行性。
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