（光学工程专业论文）材料和焊点对碰撞安全性影响的不确定分析和稳健性设计.pdf

材料和焊点对碰撞安全性影响的不确定分析和稳健性设计 摘要 汽车碰撞安全性已成为现代汽车工业的重要研究内容。传统的碰撞安全性设 计，由于忽视材料、制造工艺和边界条件等不确定因素的影响，汽车碰撞安全性 能不稳健。因此，研究不确定因素对汽车碰撞安全性的影响，进行稳健性设计， 具有十分重要的意义。 在总结前人研究的基础上，本文研究了不确定分析和稳健性设计方法在汽车 碰撞安全性设计中的应用。主要的研究内容和成果如下： ( 1 ) 对影响汽车碰撞安全性的材料特性、制造工艺和边界条件中的不确定性 因素进行了归类分析，阐述了不确定性产生的根源，进行了一定数量的材料拉伸 实验和焊点强度实验以验证材料特性和焊点强度的不确定性。实验结果表明，材 料特性和焊点强度存在着一定的波动。 ( 2 ) 提出了基于k r i g i n g 近似模型的稳健性分析方法。以某款轿车的前纵梁为 研究对象，研究了材料特性和焊点强度不确定性对前纵梁碰撞安全性能的影响。 分析结果表明材料特性的波动对前纵梁峰值碰撞力影响较大，并确定了对碰撞性 能稳健性影响较大的焊点。 ( 3 ) 在汽车碰撞安全性的设计中引入稳健性设计方法，以某轿车的前纵梁为 研究对象，运用双响应面方法对其进行了稳健性优化设计。采用拉丁超立方抽样 方法( l a t i nh y p e r c u b es a m p l i n g ，l h s ) 和最小二乘法创建碰撞响应的二阶多项式 双响应面模型，将材料特性作为不确定性因素。优化前、后纵梁的稳健性结果对 比表明：经稳健性优化后，前纵梁碰撞性能的稳健性获得了显著提高，且该稳健 性优化设计方法精度较高。 ( 4 ) 采用双响应面方法结合n s g a i i ( 非劣分层遗传算法) 多目标进化算法 对轿车正碰主要吸能构件的耐撞性能进行了多目标稳健性设计。采用逐步回归方 法、拉丁超立法抽样( l a t i nh y p e r c u b es a m p l i n g ，l h s ) 方法和泰勒近似方法构建 汽车碰撞响应的双响应面模型，考虑了材料特性的波动。优化结果表明，汽车碰 撞安全性能以及其稳健性获得明显的提高；该方法对汽车碰撞多目标稳健性设计 具有明显的效果。 关键字：碰撞安全性；不确定分析；稳健性设计；多目标优化 h 硕士学位论文 a b s t r a c t v e h i c l ec r a s hs a f e t yh a sb e c o m ea ni m p o r t a n tr e s e a r c hi nt h em o d e r na u t o m o b i l e i n d u s t r y d u et ot h et r a n d i t i o n a l c r a s hs a f e t yd e s i g nn e g l e c t i n gt h ei n f l u e n c eo f u n c e r t a i t i e si nm a t e r i a l ，m a n u f a c t u r i n ga n db o u n d a r yc o n d i t i o n s ，t h ep e r f o r m a n c eo f c r a s hs a f e t yi su n s t a b l e t h e r e f o r e i t si m p o r t a n tt o a n a l y z et h ei n f l u e n c eo f u n c e r t a i n t i e sa n ds t u d yr o b u s t n e s so p t i m i z a t i o nm e t h o d s b a s e do nt h ef o r m e rr e s e a r c h ，t h ea p p l i c a t i o no fu n c e r t a i n t ya n a l y s i sa n dr o b u s t d e s i g nm e t h o d si nc r a s hs a f e t yd e s i g ni sp e r f o r m e d t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa n d r e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) i nt h i sp a p e r ，t h eu n c e r t a i n t i e si nm a t e r i a l ，m a n u f a c t u r i n ga n db o u n d a r y c o n d i t i o n sa r ec l a s s i f i e d ，a n dt h er e a s o n so fu n c e r t a i n t i e sa r ee x p l a i n e d t ov e r i f yt h e u n c e r t a i n t yo fm a t e r i a la n ds p o t w e l ds t r e n g t h ，ac e r t a i na m o u n to fm a t e r i a lt e n s i l e t e s t sa n ds p o t w e l ds t r e n g t ht e s t sa r ec a r r i e do u t t h ee x p e r i m e n t a ir e s u l t ss h o wt h a t t h em a t e r i a lp r o p e r t i e sa n ds p o t w e l ds t r e n g t ha r en o ts t a b l e ( 2 ) t h er o b u s t n e s sa n a l y s i so fc r a s hs a f e t yi sn e c e s s a r y ，w h o s ec o m p u t a t i o n a l e f - f o ni sv e r yl a r g ef o rc o m p l e xs y s t e m t oo v e r c o m et h i sp r o b l e m o n es o l u t i o ni s r e p r e s e n t e db yt h ec r e a t i o no fm e t a m o d e l sa sas u b s t i t u t eo ft h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l i nt h i sp a p e r , ar o b u s ta n a l y s i sm e t h o d ，w h i c hi sb a s e do nk r i g i n gm e t a m o d e l ，i s i n t r o d u c e da n da d o p t e dt os t u d yaf r o n t r a i l s t r u c t u r ec r a s h w o r t h i n e s sa g a i n s t m a t e r i a la n ds p o tw e l du n c e r t a i n t i e s t h er e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h em a t e r i a l u n c e r t a i n t i e sh i g h l ya f f e c tt h ep e a kf o r c eo ft h ef r o n tr a i l ，a n dt h ei m p o r t a n t s p o t w e l d s w h i c hh i g h l ya f f e c tt h er o b u s t n e s so fc r a s h w o r t h n e s sa r ei d e n t i f i e d ( 3 ) i nt h i sp a p e r , t h ea p p l i c a t i o no fd u a l - r e s p o n s es u r f a c em e t h o di sp e r f o r m e dt o c o n d u c tr o b u s td e s i g no ft h ec r a s h w o r t h i n e s so fac a rf r o n tr a i l i nt h eo p t i m i z a t i o n p r o c e s s ，t h el a t i nh y p e r c u b es a m p l i n g ( l h s ) a n dl e a s ts q u a r e sm e t h o d sa r ea p p l i e dt o c o n s t r u c tt h ed u a l - r e s p o n s es u r f a c em o d e l ，w h i c hi ss e c o n do r d e rp o l y n o m i a lr e s p o n s e s u r f a c e a n dt h es c a t t e r so fm a t e r i a lp r o p e r t i e sa r ec o n s i d e r e d a f t e rt h eo p t i m i z a t i o n ， t h er o b u s ta n a l y s i so ft h er a i li sp e r f o r m e d r e s u l t ss h o wt h a tt h er o b u s t n e s so ff r o n t r a i lc r a s h w o r t h i n e s si ss i g n i f i c a n t l yi m p r o v e d a n dt h ed u a l r e s p o n s es u r f a c em e t h o d i so f h i g hp r e c i s i o n ( 4 ) i nt h i sp a p e r , t h ea p p l i c a t i o n o fd u a l - r e s p o n s es u f a c em e t h o da n d n s g a i i ( n o n - i n f e r i o rl a y e r e dg e n e t i ca l g o r i t h m ) i sp e r f o r m e dt ot h em u l t i o b j e c t i v e r o b u s to p t i m i z a t i o no ft h ev e h i c l em a i ns t r u c t u r e i nt h eo p t i m i z a t i o np r o c e s s ， s t e p w i s er e g r e s s i o nm e t h o d ，t h el a t i nh y p e r c u b es a m p l i n g ( l h s ) m e t h o da n dt h e t a y l o ra p p r o x i m a t i o nt e c h n i q u ea r ea p p l i e dt oc o n s t r u c tt h ed u a l - r e s p o n s es u r f a c e m o d e l a n dt h es c a t t e r so fm a t e r i a lp r o p e r t i e sa r ec o n s i d e r e d t h er e s u l t sd e m o n s t r a t e t h a tt h er o b u s t n e s sa n dc r a s h w o r t h i n e s so ft h ev e h i c l ei ss i g n i f i c a n t l yi m p r o v e d a n d t h i sm u l t i o b j e c t i v er o b u s to p t i m i z a t i o nm e t h o di sap r a c t i c a lt o o lf o rc r a s hs a f e t y d e s i g no fv e h i c l e s k e y w o r d s ：c r a s hs a f e t y ；u n c e r t a i n t ya n a l y s i s ；r o b u s td e s i g n ；m u l t i o b j e c t i v e o p t i m i z a t i o n i i i 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 汽车碰撞安全设计存在的问题 如今，汽车安全、节能、环保已经成为汽车工程领域的研究热点。为了能使 汽车产品在激烈的国内外竞争中获得优势，各大汽车制造厂商和一些研究机构已 经开展了汽车碰撞安全性的专门研究，汽车碰撞安全性研究也逐渐从汽车技术研 究的领域中分离出来，形成了一个独立的分支。在我国，作为交通安全问题的重 要内容之一，汽车碰撞安全性问题得到了社会越来越广泛的重视。 在汽车碰撞安全性开发的各个阶段，普遍存在着不确定性因素。不确定因素 主要来自材料性能的分布不均、制造工艺的误差、载荷和使用环境的变化等。国 内外的研究表明，不确定因素对汽车产品的质量有着重要的影响。然而，传统的 确定性汽车耐撞性设计，由于忽视不确定因素的影响，导致汽车碰撞安全性能对 不确定因素过于敏感而不能稳定的发挥其效能，或者为消除不确定因素的影响而 采取过于保守的措施，导致成本的增加。此外，传统的确定性优化设计往往将最 优解推向约束边界，而设计、制造和使用过程中的不确定因素的波动会传递到约 束，使约束产生波动，从而导致设计的失败。因此，忽视不确定因素影响的传统 确定性设计很可能是不可靠的。m i c h a e lb e e r 1 】运用数值仿真的方法研究了汽车结 构件厚度的不确定性对耐撞结构吸能的影响。图1 1 为汽车前部耐撞结构图，图1 2 为吸能与前纵梁厚度的关系图。图1 3 为耐撞结构中前纵梁的两种不同变形模式 图。由此可知，为保证汽车产品具有稳定的碰撞安全性能，在汽车碰撞安全性的 设计阶段必须考虑不确定因素的影响。 图1 1 汽车前部耐撞结构 材料和焊点对碰撞安全性影响的不确定分析和稳健性设计 1 0 6 1 0 4 1 0 0 卜 描0 9 6 星 0 9 2 0 8 8 0 8 4 ： | | 一受曩 0 善b 舞孝睡警毒 i 一强一。￥一 - ! 二：j l i ： ； ii j + ：_ ：一。一一- i - j - i 厕ir 雪4 1 ! ：_ 主；一；! 曩訾群訾警“鼍一- - l ， 。毒器；j ；。蠢。；。飞 0 9 8 4 1 01 0 1 6i 0 3 21 0 4 8 纵桑厚度l i i 图1 2 吸能与前纵梁厚度的关系图 + 图1 3 前纵梁的两种不同变形情况 1 2 汽车碰撞安全性不确定分析和稳健性设计的研究概况 2 0 世纪后期，随着计算机技术、不确定分析和稳健性设计理论的发展，为克 服传统碰撞安全性设计的不足，国外学者对不确定分析和稳健性设计理论在汽车 碰撞安全性设计中的应用进行了广泛的研究，并取得了显著的成果。不确定分析 和稳健性设计，成为现代汽车碰撞安全性设计的重要内容和有效方法。 1 2 1 不确定分析 不确定分析的主要任务是，研究不确定因素对系统性能的影响。通过考虑不 确定因素的影响，可以提高汽车产品的质量和可靠性，帮助工程师们在存在不确 定性因素的情况下作出可靠的决策。 ( 1 ) 不确定分析方法研究概况 不确定分析中的一种重要方法是h l r f 方法，该方法是h a s o f e r 等【2 】和 r a c k w i t z 等1 3 】于二十世纪七十年代提出和发展的。该方法适用于性能函数连续可 导和参数分布函数已知的情况，用一阶泰勒级数在性能函数所表示的曲面上的最 2 v1|il。1*1|ii|jrl 硕_ 上学位论文 大可能点( m o s tp r o b a b l ep o i n t ，m p p ) 处展开，近似原性能函数。用一阶泰勒级数 展开的近似方法统称为一阶可靠度方法。该方法的关键两步是正态化和线性化。 正态化是将各种参数的分布转换成标准正态分布，线性化是将原性能函数按一阶 泰勒级数展开。以后相继发展的不确定分析方法大都是在h l r f 方法基础上进行 完善，也是在参数分布规范化和性能函数近似化两个方面开展的。 考虑到h l r f 方法正态化时，在设计点处的累积函数和密度函数当量转换时 存在较大的误差，c h e n 等【4 】提出的三参数法明显改善了分布函数两尾部的近似精 度。该方法用累积函数、密度函数及其导数代替原来的两个参数在设计点处进行 当量转换，且将转换和线性化结合起来求解设计点。d u 等【5 】提出了一阶鞍形近似 法，在没有增加计算量的前提下明显提高了计算精度。该方法应用鞍形近似法在 原分布空间中求解m p p ，并应用傅里叶逆变换的方法近似概率密度分布函数，然 后求解累积分布函数。由此就减小了分布变换和函数线性化过程中引发的附加非 线性信息。b r e i t u n gk t 6 l 和d e rk i u r e g h i a n ：等| 。7 】分别提出了二阶可靠度近似方法和抛 物线近似方法。这两种方法虽然在精度上有所提高，但是对于复杂系统的设计问 题，由于性能函数会存在多个局部最大可能点，误差仍是较大。 以h l r f 方法为基础发展起来的不确定分析方法，主要是针对各参数的分布 函数已知且性能函数连续可导的情况。但是，在汽车碰撞安全性设计中，很难获 得参数的分布函数。而且，汽车碰撞过程是个极其复杂的响应，很难用显式函数 的形式表达碰撞性能函数。因此，在汽车碰撞安全性不确定分析中，不能采用以 上方法，而是应用采样统计的方法。采样统计方法是不确定分析方法中的一个最 简单和通用的方法。该方法的主要优点是不需要对性能函数进行假设，如光滑、 单调、连续、可微等。 ( 2 ) 碰撞安全性不确定分析的研究现状 随着计算机技术和代理模型技术的发展，采样统计不确定分析方法在汽车碰 撞安全性稳健性分析中得到了广泛的应用。j u nh s u 等【8 】考虑了电阻电焊工艺的不 确定性，将焊点失效数目和失效位置作为不确定因素，基于数值仿真方法和蒙特 卡罗模拟方法研究了汽车正碰的稳健性，确定了对正碰性能影响较大的焊点。 s t e p h a nb l u m 等【9 】运用数值仿真的方法对汽车正碰稳健性进行了评估。j o h a n n e s w i l l 等【lo 】运用统计分析方法研究了材料、尺寸和载荷条件的不确定性对汽车偏置 碰撞的影响。j o h a n n e sw i l l 等】基于数值仿真的方法评估了材料参数、板料厚度 及位置、摩擦系数等因素的波动对汽车冲压过程的影响。e r d e ma c a r 等 1 2 1 在运用 蒙特卡罗方法研究不确定因素对汽车正碰和侧碰性能影响的过程中，为减少蒙特 卡罗模拟的计算时间，使用有限元模型的代理模型进行计算，评估了材料特性、 有限元模型和代理模型的不确定性对碰撞安全性能的影响，并对减少材料特性波 动和模型误差等措施进行了评估，为工程设计人员提供了依据。张学荣等【l3 】针对 材料和焊点对碰撞安全性影响的不确定分析和稳健性设计 某款新开发车型，对正面碰撞约束系统进行了优化设计，采用蒙特卡罗模拟方法 对优化结果进行了稳健性分析。李玉强等【1 4 】对镀锌钢板进行了材料实验和盒形件 成形实验，分别获得了材料性能、板料初始厚度、压边力和摩擦条件等噪声因素 波动的概率分布采用田口试验设计方法分析了噪声因素对盒形件成形质量的影 响规律，在此基础上筛选出对成形质量影响显著的因素。 1 2 2 稳健性设计 传统确定性设计方法消除不确定因素的措施是，提高材料的性能、减小零部 件的容差、提高加工精度等。这势必会导致加工难度的增大和制造成本的增加， 而且零部件的容差和加工精度是不可能无限制的减小和提高的。稳健性设计方法 是解决该问题的有效方法。稳健性是指系统性能对不确定因素的影响不敏感，稳 健性设计的基本思想是在不消除不确定因素的情况下，通过减少不确定因素波动 的影响来提高产品的性能。 ( 1 ) 稳健性设计方法研究概况 最早的稳健设计思想是由日本田口博士于第二次世界大战后提出的产品质量 管理理念【”】。他于2 0 世纪7 0 年代创立了田口稳健性设计方法，用正交表进行试 验，通过综合考虑产品在环境条件变化情况下的信噪比和损失函数来确定产品设 计方案。田口方法认为一件产品的设计，要经过系统设计、参数设计和容差设计 三个部分，并且后两个阶段更为重要。在系统设计阶段，要根据产品所需要的功 能确定产品的基本结构、零部件的材料、制造工艺等，这个阶段也可称为方案设 计或者概念设计。参数设计阶段，是将关键的设计变量和噪声参数分为几个水平 值，将质量损失函数转化为信噪比，然后通过正交实验设计来确定参数值的最佳 水平组合。概念设计是田口方法的核心部分。容差设计是在参数设计后产品质量 特性波动较大的情况下，通过调整产品质量特性与成本间的关系，在保证低成本 得前提下获得零部件的最佳容差组合。田1 3 方法具有如下优点 6 5 1 ：( 1 ) 设计变量可 以是连续变量、离散变量甚至是非数值型变量；( 2 ) 优化过程对模型的连续性和可 微性等数学性态要求不高，从而可求解相当复杂的模型：( 3 ) 通过正交表的统计分 析，可以定量地了解各设计参数对目标性能函数的影响。该方法的缺点是必须要 知道最优解的大致范围和水平，即对优化时的初始点要求较高，否则就需要通过 多轮的正交实验求解，从而明显降低求解效率。此外，该方法只适用于解决单目 标稳健性优化问题，无法对多目标的稳健性优化问题进行求解。 在2 0 世纪8 0 年代后，稳健设计已逐步发展成为机械设计领域中的重要分支。 稳健设计也从传统的田口方法发展为现代稳健设计，其思想是同时追求系统性能 优化、性能偏差最小化和设计可行性稳健化。这其中包括了优化设计中的性能优 化问题，也包括了优化设计中的满足设计约束的稳健性问题。田口方法先不考虑 4 硕士学位论文 产品质量特性的目标值，而是寻求信噪比为最大的设计参数组合，再确定对产品 稳健性影响不大的调整因素，用此因素调整质量特性，使之达到目标值【16 1 。现代 稳健性设计方法克服了田口方法的不足，以产品质量特性的目标值作为优化问题 的约束，以产品质量特性的方差最小作为优化问题的目标，实现了一步求解。 p r e g i b o n 于19 8 4 年提出广义线性模型稳健性设计方法，以处理参数设计中回归模 型的方差是非齐次的情况【19 1 。该方法要确定方差的表达式，分别对均值和离散参 数进行建模，用所建立的模型来确定使波动最小而均值满足要求的设计变量。然 而，该方法对于具体问题如何寻找方差函数和联系函数尚无一般方法，还需要做 深入研究。m y e r s 等【l7 】提出了双响应面的稳健性设计方法，用响应面分别拟合质 量特性的均值和方差。李玉强等8 j 将质量工程中的6 0 理念与双响应面方法相结 合，提出了基于双响应面模型的6 0 稳健优化设计方法，实现了质量管理与产品设 计的协调。双响应面稳健性设计方法在数学上提法严格，交互作用考虑明确，求 解优化问题的精度较高，而且可以考虑不确定因素的各种分布，可以用较少的试 验方案获得较高的求解精度。该方法的不足是建立响应模型时，有部分关键参数 需靠经验得出的，因此会带来试验和计算上的反复。 广义线性模型方法和双响应面方法是在田口方法的基础上发展起来的，有学 者研究了基于优化技术的工程稳健设计方法。m i c h a e lw 等1 2 0 l 提出的容差多面体 方法是寻求能嵌入设计空间内的由各设计变量及其最大容差所定义的一个多面 体，该多面体的中心就是所求的稳健设计解。虽然该方法克服了田口方法无法考 虑约束条件的缺陷，但没有考虑不确定因素的波动对质量特性所造成的影响。 p a r k i n s o na 等1 2 l j 提出的变差传递法克服了传统田口方法中关于信噪比要求均值 和方差之间必须成比例变化的这一缺点，能够同时考虑不可控变量和可控变量对 质量特性的影响。但是，运用该方法进行稳健性设计时，目标函数和约束函数必 须是连续可微的，并且可控变量和不可控变量的变差应小于2 3 。b e l e g u n d u ad 等【2 2 】提出了灵敏度分析法。在稳健性设计中，该方法利用设计变量和约束函 数的变差评估不可控因素的波动对质量特性的影响，提高质量特性的稳健性。随 机模型方法考虑了可控因素和不可控因素的随机性，将优化技术、概率论、数理 统计以及计算机技术充分结合在一起来处理产品质量中的随机性问题。但是该方 法的问题在于随机模型的建立相当复杂；对于变量多、问题复杂的大型工程计算 量太大【2 3 1 。 ( 2 ) 碰撞安全性稳健性设计的研究现状 国外开展稳健性设计在汽车碰撞安全性应用研究较早，取得了诸多的研究成 果。k e nh a s s 等【2 4 l 对稳健性优化设计方法在汽车碰撞安全性设计中的应用进行了 初步研究。g ul 等1 25 j 将响应面模型应用到汽车碰撞安全性稳健性设计中，通过拉 丁超立法抽样方法和平方逐步回归方法构建碰撞响应的响应面函数，然后利用所 5 材料和焊点对碰撞安全性影响的不确定分析和稳健性设计 创建的响应面模型对汽车侧碰安全性进行了不确定分析和稳健性设计。y a nf u 2 6 l 在汽车结构稳健性设计中引入了一种混合随机优化方法，采用代理模型技术以减 少优化过程的计算量，并且在每一优化步中评估目标函数和约束函数。y a hf u 等 l z7 j 将代理模型和b o n u s ( b e t t e ro p t i m i z a t i o no fn o n l i n e a ru n c e r t a i ns y s t e m s ) 方法结 合起来，对汽车侧碰安全性进行稳健性设计。采用逐步回归方法建立详细有限元 模型的近似模型，b o n u s 的优化过程有内、外两个循环，内循环采用蒙特卡罗模 拟方法来获得碰撞响应的平均值和方差，蒙特卡罗的计算是利用所建立的代理模 型；外循环使用序列二次规划方法进行求解。 我国开展稳健性设计的研究相对较晚，但是发展迅速。近年来，有学者对稳 健性设计方法在汽车工业中的应用进行了研究，并取得了较好的设计效果。黄金 陵等【2 引将田口稳健性设计方法应用到车门系统设计中，明显提高了车门铰接系统 的稳健性，该文中通过将试验设计与计算机分析结合获取产品设计质量特性信息。 孙光永等【2 9 j 采用自主开发的s t l m e s h e r 软件建立了模具的参数化模型，在此基础 上将试验设计、代表实际冲压过程精度较高的近似模型和蒙特卡罗模拟技术相结 合，构造了基于产品质量工程的6 0 稳健性优化方法。李铁柱等【3 0 】基于某款微型客 车的正面碰撞乘员约束系统仿真模型将试验设计、k r i g i n g 近似模型和蒙特卡罗模 拟技术相结合，构造基于产品质量工程的6 0 稳健性优化方法，实现了对设计目标 的优化并提高了设计变量的可靠性和目标函数的稳健性。张义民等【3 i l 将可靠性优 化设计理论、可靠性灵敏度技术与稳健性设计方法相结合，讨论了具有非正态分 布参数的车辆零件的可靠性稳健性设计问题，提出了可靠性稳健性设计的计算方 法。y uz h a n g 等p 2 j 在汽车轻量化设计中，考虑了材料特性和厚度的不确定性，对 汽车前部结构进行了稳健性设计。但是，国内对汽车结构碰撞安全性的稳健性设 计研究才刚刚起步。 实际的工程设计往往是多准则或多目标情况下的优化，而且这些目标之间很 可能存在着相互冲突，不可能同时达到最优。因此，研究多目标稳健性优化设计 方法具有十分重要的意义。为解决多目标稳健性优化问题，国内外学者做了大量 的研究。k o k s o y0 1 3 3 1 提出了加权的均方误差准则( m e a ns q u a r ee r r o re r i e r i a ) 的 多目标稳健性优化方法。d ux i a o p i n g 等【3 4 】对稳健性多目标优化设计方法进行了 研究，并提出多目标稳健性优化的一般流程。k o v a c hj 等【3 5 l 针对基于试验的多目 标稳健性设计问题提出了一种物理规划模型，并将响应面技术应用到该多目标稳 健性设计中。y a n gt h 等p 6 j 在处理多目标稳健性优化问题时，创建质量特性的双 响应面模型，然后将创建的双响应面模型转化为标准的非线性规划方程，利用离 散搜索方法求解多目标优化问题。国内外文献中，对多目标稳健性优化方法在汽 车碰撞安全性设计中的应用研究较少。g u a n g y o n gs u n 等【”】通过安排内外表试验 建立汽车碰撞响应的均值和方差的双响应面模型，运用所建立的双响应面模型构 6 硕? l ：学位论文 建安全性设计的多目标优化模型，采用多目标微粒子群方法求得多目标优化问题 的p a r e t o 解集。 1 3 本文主要研究内容 本文在前人研究的基础上，对不确定分析和稳健性设计理论在汽车碰撞安全 性设计中的应用进行了探讨研究。对影响碰撞安全性的不确定性因素进行归类分 析，并进行了材料拉伸和焊点强度试验以验证不确定性的存在；分析了焊点强度 和材料特性不确定性对前纵梁耐撞性能的影响；基于双响应面模型对前纵梁耐撞 性能进行了稳健性优化设计；研究了多目标稳健性优化设计方法在汽车碰撞安全 性设计中的应用。 具体工作如下： ( 1 ) 本文第二章对影响汽车碰撞安全性的制造工艺、材料特性和边界条件不确 定因素进行了归类分析，探讨了不确定性产生的根源。为验证不确定因素的波动， 本文选取车用高强度钢进行了一定数量的材料静态、动态拉伸实验和焊点强度实 验。实验结果表明，材料特性和焊点强度存在着一定的波动。 ( 2 ) 本文第三章对不确定分析的方法进行了介绍，提出了基于k r i g i n g 代理模型 的不确定分析方法，并介绍了该方法的一般流程。本文以某轿车的前纵梁为研究 对象，选取采样统计的不确定分析方法，分别研究了材料特性和焊点强度不确定 性对纵梁碰撞安全性的影响。在不确定分析过程中，k r i g i n g 代理模型的构建是通 过拉丁超立方抽样方法来实现的。为验证基于k r i g i n g 代理模型不确定性分析方法 的有效性，在材料特性不确定影响分析中，采用拉丁超立方抽样方法另抽取1 0 0 个样本点，运用数值仿真方法对样本进行计算，评估纵梁碰撞性能的稳健性，并 与基于k r i g i n g 代理模型的稳健性分析结果进行了对比分析。 ( 3 ) 本文第四章介绍了基于双响应面模型的稳健性设计方法。选取第三章中所 建立的前纵梁模型为研究对象，将材料特性作为不确定因素，针对第三章中的稳 健性分析结果，对前纵梁进行了稳健性设计。采用拉丁超立方抽样方法和最小二 乘方法建立各碰撞响应的多项式响应面模型，通过一阶泰勒近似方法求取各碰撞 响应的均值和方差。以前纵梁峰值碰撞力响应的方差最小为优化目标，以吸能和 平均碰撞力为约束，采用序列二次规划的方法对该优化问题进行了求解。考虑到 可行性稳健性优化设计，该稳健性优化考虑了不确定因素对约束函数的影响。稳 健性优化后，重新评估了纵梁碰撞安全性的稳健性，并与优化前的纵梁稳健性进 行了对比分析。 ( 4 ) 本文第五章研究了多目标稳健性优化方法在汽车碰撞安全性设计中的应 用。以f o r dt a u r u s 整车为研究对象，将材料特性作为不确定因素，评估了耐撞结 构的正碰安全性能的稳健性。针对稳健性分析结果，以耐撞结构的吸能和质量， 7 材料和焊点对碰撞安全性影响的不确定分析和稳健性设计 以及脚踏板最大侵入量的方差为优化目标，采用双响应面方法结合n s g a i i 多目 标遗传算法对主要吸能构件的耐撞性能进行了多目标稳健性设计。对比优化前、 后汽车主要吸能结构的碰撞安全性可知，该优化设计获得了较为理想的结果。 1 4 本文研究背景及意义 进入2 1 世纪，随着科学技术的发展，生产工艺和经营理念的进步，汽车产品 的竞争已不再是以价格为主，而是转向了质量和价格的双重竞争，并且质量的竞 争占主导。汽车产品的质量，是决定汽车产品能否在世界汽车市场上取得竞争优 势的重要因素。据资料显示，4 0 7 0 的产品质量问题是由于设计不足造成的。 田口方法最先在日本电子、化工、钢铁、纺织、汽车等行业得到应用，产生 了巨大的经济效益，促进了日本工业的迅速发展。田口方法在工业中的成功应用 得到了欧美国家的密切关注，并对该方法进行了发展和改进。计算机技术和数值 仿真技术的发展，也为田口方法注入了新的内容。为了应用和发展稳健设计方法， 一些知名公司在其研发机构中设有小组专题研究不确定性和稳健设计，如美国 b o e i n g 、g e n e r a le l e c t r i cc o m p a n y 、g e n e r a lm o t o r s 、f o r dm o t o r 、德国b m w 公司 等，在航天、飞机、空间站和汽车的研发中取得了显著的成效。美国航天局( n a s a ) 和科学基金会( n s f ) 也积极支持这方面的研究。从w e bo fs c i e n c e 期刊论文检索结 果中发现，相当多的论文是由大学和公司合作发表的。f o r d 公司近1 0 年发表的机械 稳健设计的论文数列全球第6 位【1 副。国外汽车公司在汽车碰撞安全稳健性设计领 域取得了明显的成果，而我国大多数汽车公司在汽车碰撞安全性设计中对不确定 因素的影响仍不够重视。因此，在我国，研究不确定分析和稳健性设计方法在汽 车碰撞安全性设计中的应用是十分必要的。 研究制造工艺、材料特性和边界条件等不确定因素对碰撞安全性的影响，提 高汽车碰撞安全性的稳健性，对企业来说具有重大的现实意义。研究不确定分析 和稳健性设计方法在汽车碰撞安全性设计中的应用，有利于提高汽车耐撞性能的 稳健性，有利于企业生产出高质量低成本的汽车产品，进而使企业在激烈的市场 竞争中获得优势。此外，汽车碰撞安全性能的提高可以使乘员在汽车碰撞事故中 获得更安全的保护，有利于减少因交通事故造成的生命财产损失。 1 5 本章小结 本章指出了传统碰撞安全性设计未考虑不确定因素影响的问题；阐述了不确 定分析和稳健性设计方法在汽车碰撞安全性设计中的研究现状；介绍了本文开展 的主要研究工作；论述了论文的选题背景和研究意义。 8 硕士学位论文 第2 章影响汽车碰撞安全性的不确定因素归类分析及 基础实验 汽车碰撞响应是个极其复杂的过程，涉及瞬时大变形、多种破坏模式、材料 的特性、结构屈曲和后屈曲行为，是众多零件之间的相互作用。不确定因素的变 化会影响汽车碰撞安全性。影响汽车碰撞安全性的因素很多，从国内外的研究来 看，主要的不确定因素包括制造工艺、材料特性和边界条件等【1 2 l 。 2 1 影响碰撞安全性的不确定因素归类分析 2 1 1 汽车覆盖件冲压成形 汽车车身覆盖件包括覆盖汽车发动机、底盘、构成驾驶室及车身的所有厚度 在3 r a m 以下的薄钢板经冲压而成的表面和内部零件，其重量占到汽车用钢材总 量的5 0 以上，制造成本占到整车的5 0 - - - 7 0 3 8 】。汽车覆盖件构成汽车的基本 车身结构，在碰撞中通过变形吸能来减少碰撞对乘员的伤害，对汽车的碰撞安全 性有着重要影响。 车身板件在冲压成型过程中主要产生以下几个变化：材料强化、厚度变化、 残余应力、材料损伤和相变等【3 引。早期研究人员大都认为材料的这些变化对碰撞 安全性的影响不大，但是近年来的国内外研究表明，冲压后的材料强化、厚度变 化和残余应力对部件的碰撞性能有着不可忽略的影响【3 9 , 4 0 , 4 1 】。 板料成形的力学过程及成形影响因素非常复杂，是一个集几何非线性、材料 非线性、接触非线性于一体的强非线性问题。在实际的覆盖件冲压成形过程中， 其设计变量，如摩擦润滑状态、压边力、模具几何尺寸、材料特性以及拉延筋几 何尺寸等，都具有一定的波动。然而，目前汽车覆盖件成形加工生产主要依靠传 统经验设计来制定冲压工艺、开发相关模具，具有相当大的随意性和不确定性【2 引。 m a j e s k e t 4 2 】分析了世界几大汽车公司的车用覆盖件冲压成形的数据，结果表明在 使用同样的模具和工艺的情况下，生产的同一批冲压件之间的几何外形偏差高达 2 1 。 由于汽车覆盖件具有材料薄、形状复杂、多为复杂的空间曲面、结构尺寸大 和表面质量高等特点，而且汽车覆盖件成形过程中板料上的应力应变分布情况非 常复杂，因此成形质量很难精确控制。 2 1 2 电阻电焊 现代轿车的承载式车身普遍采用点焊装配技术，同时辅以缝焊，再加上铆钉 9 材料和焊点对碰掩安全性影响的不确定分析和稳健性设计 和螺柱等连接件连接车身的各个零部件。电阻电焊作为最主要的车身装配工艺手 段完成7 5 以上的轿车车身装配工作量，它主要应用于车身总成、车身侧围等 分总成、小型板类零件、车身底板总成、车门、发动机罩盖和转向机构等集成的 连接【4 3 1 。据统计，每一辆轿车车身上，约有4 0 0 0 6 0 0 0 个电阻电焊焊点。轿车车 身有如此之多的焊点，所以焊点对碰撞安全性的影响不容忽视。国内外学者开展 了焊点对碰撞性能的影响研究，研究结果表明，焊点强度、焊点布置和失效模式 对耐撞性能有着重要的影响。er u s i f i s k i 等【4 4 l 对材料为高强钢d p 8 0 0 的点焊帽形 梁进行了轴向冲击试验，研究了焊点尺寸和焊点强度对帽形梁吸能水平的影响。 解跃青等【4 5 】分别对不同焊点间距和不同焊点布置方式的纵梁进行了碰撞仿真分 析，探讨了焊点间距与位置的确定方法。研究表明，焊点间距为纵粱屈曲变形的 半波长，并且布置在变形波平衡位置时效果最佳，可有效避免焊点失效；焊点失 效后的行为对纵梁碰撞过程有着重要影响。 由于电阻电焊过程相当复杂加之焊接过程中熔核的不可见性及焊接过程进 行的瞬时性，所以焊接质量很难得到精确的控制，而且焊接过程中众多不确定因 素的变化都会造成焊点质量的不稳定。焊接过程中影响焊点的质量的因素有被焊 材料、电流、电极压力、通电时间、电极端面形状及尺寸、分流、焊点离边缘的 距离、板厚、工件表面状态等，而且这些因素之间互相联系，有一定的交互作用。 因此，电阻点焊的焊点强度的具有很大的不确定性1 4 们。 2 1 3 材料特性 汽车发生碰撞时，主要通过车身“压溃区”的材料变形或破裂来吸收和耗散碰 撞动能，减轻对乘员的伤害。材料特性直接影响部件碰撞时的吸能情况、碰撞力 水平和变形模式，是影响碰撞安全性的一个重要因素。国内外学者对材料属性对 碰撞安全性的影响做了大量的研究。研究表明，材料的弹性模量越大，弹性越好， 吸能情况越好；材料硬化参数的减小使得材料吸能情况变差，硬化参数直接影响 材料的硬化程度；屈服应力值直接影响碰撞过程中的减速度变化，当材料结构和 变形模式一定时，材料屈服极限的增加可以提高结构的吸能能力 9 , 1 5 , 1 6 】。应变率 的变化影响薄壁梁的初始溃缩变形的位置，进而改变薄壁梁的吸收能量的能力 1 4 7 , 4 8 ，4 9 ，5 0 1 。 材料特性的变化对碰撞安全性的影响重大，有必要研究材料特性的不确定性 对碰撞安全性的影响。国内外在对汽车碰撞安全性的研究中，材料特性的确定一 般是依据材料的拉伸试验获得的。在确定了一个钢材的型号之后，材料特性的参 数就被认为是定值，不再变更。然而，在材料的实际生产中，由于材料的化学组 成、热处理过程以及制造过程等多方面的不确定因素都会影响材料的特性，因此 材料特性具有较大的不确定性。h o r s t e m e y e rm f 等【5 l 】的研究表明，材料微观组织 l o 硕士学位论文 1 的变化会导致材料失效应力1 3 的变化。李玉强等【1 4 1 对镀锌钢板进行了一定 数量的材料实验，获得了材料性能波动的概率分布，材料特性的不确定性不容忽 视。 2 1 4 边界条件 在实际的交通事故中，汽车发生碰撞的速度、位置和形式是不确定的，而国 内对汽车碰撞安全性的研究大都依据相关的汽车法规，对边界条件中不确定因素 对碰撞安全性影响的研究仍不够深入。在汽车法规的碰撞试验中，由于环境和试 验设备的不稳定，导致碰撞边界条件中存在一定的不确定性，同样会影响到汽车 的碰撞性能。 2 2 材料拉伸和焊点强度不确定基础实验 获得不确定因素的可利用信息，对不确定因素进行描述，是进行不确定分析 和稳健性设计的前提。对不确定因素的描述，可以通过进行试验或者实际生产中 的数据积累来获得。由于实验条件的限制，本文仅选取材料特性和焊点强度这两 种不确定因素进行试验，以获得其可利用信息。理论上，为获得不确定因素的分 布规律，应进行大量的实验。考虑到实验成本太高，本文只进行了一定数量的实 验，旨在定性的说明材料特性和焊点强度的不确定性。 2 2 1 材料准静态拉伸实验 ( 1 ) 实验目的 汽车钢板的材料特性受组织成分和制备条件的影响，具有很大的不确定性。 本次试验的目的是通过对一定数量的车用钢板试样进行