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薄壁构件的抗撞性优化设计 摘要 安全、环保和节能是二十一世纪汽车设计研发所面临的三大热点问题，而如 何提高车辆在碰撞事故中的抗撞性( c r a s h w o n h i n e s s ) 又成为汽车被动安全性分析 中的一个关键环节，车身结构抗撞性研究主要研究车身吸能装置对碰撞能量的吸 收特性。而良好的吸能装置要求碰撞动能应尽可能不可逆地转换为变形能。因此， 金属薄壁构件作为最传统、最有效的缓冲吸能装置，在车身吸能体系中得到了最 广泛的应用。除构件本身的材料特性外，金属薄壁构件的吸能特性还与横截面形 状、壁厚等几何参数密切相关，所以研究薄壁构件的抗撞性与这些参数之间的关 系己成为车身抗撞性优化的重要环节。近年来，金属薄壁构件的抗撞性优化设计 取得了一系列成果，本文将在前人工作的基础上，基于显式有限元数值求解技术 和响应面近似理论对一些特殊截面的薄壁构件进行抗撞性优化设计。 本文首先综述了抗撞性优化问题的国内外研究现状，并综述了多目标抗撞性 优化问题的研究现状、薄壁构件抗撞性优化的研究现状以及高吸能泡沫材料的研 究现状。然后基于显式有限元数值求解技术，给出了在进行接触一碰撞问题的抗 撞性优化设计时所要用到的试验设计取点技术和代理模型近似理论。随后采用显 式有限元软件l s d y n a 和响应面法等代理模型理论对一些特殊构形的直梁件进 行了抗撞性优化，并将研究构形扩展到了s 形和v 形的空问构件以及泡沫填充构 件，从而使得研究结果更具实用性。 正方形截面和圆形截面薄壁构件是最传统的薄壁吸能元件，r e d h e ，f o r s b e r g ， n i l s s o n 和k i m 等人都曾对正方形截面薄壁构件进行过抗撞性研究；k u r t a r a n ， a v a l l e ，l e e 和l a n z i 等人先后对圆形截面的薄壁构件进行了抗撞性研究和优化设 计。本文在前人研究的基础上，首先，以正方形截面薄壁构件的壁厚和截面宽度 为设计变量，以结构的比吸能为优化函数，对正方形截面的单元胞、两元胞、三 元胞和四元胞构形进行了抗撞性优化设计，并得出了壁厚和截面宽度对这四种构 形的吸能特性的影响规律。其次，对单元胞构形和三元胞构形的六边形截面薄壁 构件进行了抗撞性研究，并对四种构形的壁厚和截面尺寸进行了优化设计。再次， 对端部方锥形和端部圆锥形薄壁构件进行了比吸能优化，并对单锥形和共线双锥 形薄壁构件进行了多目标抗撞性优化；同时还将研究问题扩展到空间结构，对薄 壁构件的中性轴进行了s 形和v 形的多目标优化设计。最后，对正方形截面泡沫 填充薄壁构件和锥形泡沫填充薄壁构件也进行了抗撞性优化设计。 通过本文的研究发现，用响应面法与显式有限元分析相结合的数值求解技术 来求解接触碰撞这样的强非线性问题，不但计算效率高，而且还可以得到相对精 博士学位论文 确的拟合结果；对响应面拟合所得的目标和约束函数进行优化求解，可以很快地 得到抗撞性问题的最优设计参数。同时，本文的主要结论对今后车身的抗撞性研 究也具有重要的参考价值。 关键词：优化；抗撞性；显式有限元；薄壁构件；响应面法；试验设计；接触碰 撞问题 塑兰丝竺墼苎堡丝堡些塞甚 a b s t r a c t s a f e t y , e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na n de n e r g yc o n s e r v a t i o na r et h et h r e ep r i n c i p a l p r o b l e m so ft h e2 1 “c e n t u r y m e a n w h i l e ，h o wt oi m p r o v et h ec r a s h w o r t h i n e s so f v e h i c l e sh a sb e e na na s s i g n a b l ei s s u ed u r i n gt h ea n a l y s i so fp a s s i v es a f e t yo ft h e a u t o m o t i v e r e s e a r c h e so fa u t o m o t i v ec r a s h w o r t h i n e s sa r em a i n l yc o n c e n t r a t e do nt h e e n e r g ya b s o r p t i o np e r f o r m a n c eo f c o m p o n e n t so f t h ec a rb o d yd u r i n gi m p a c te v e n t s a g o o de n e r g ya b s o r p t i o nd e v i c ec a nt r a n s f o r ma sm u c hk i n e t i ce n e r g ya sp o s s i b l ei n t o t h es t r u c t u r a ls t r a i ne n e r g yi na ni r r e v e r s i b l ep a t t e r nd u r i n gc r a s h i n g a st h em e s t c o n v e n t i o n a la n de f f e c t i v eb u f f e re n e r g y a b s o r b i n gd e v i c e s ，t h em e t a l l i ct h i n w a l l e d c o m p o n e n t sh a v eb e e nw i d e l yu s e di nt h ea u t o m o t i v ed e s i g na n dm a n u f a c t u r e e x p e c t f o rt h em a t e r i a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h ec o m p o n e n t s ，t h em e t a l l i ct h i n w a l l e dt u b e sa l s o h a v ec l o s er e l a t i o n sw i t hs o m ed i m e n s i o n a lp a r a m e t e r ss u c ha sc r o s s s e c t i o n a ls h a p e ， t h i c k n e s sa n ds oo nt h e r e f o r e ，c r a s h w o r t h i n e s sr e s e a r c h e sa n do p t i m i z a t i o nd e s i g n s o nm e t a l l i ct h i n w a l l e dt u b e sh a v eb e e nav e r yi m p o r t a n ta s p e c to ft h ec a rb o d y o p t i m i z a t i o nw i t hc r a s h w o r t h i n e s sc r i t e r i o n i nt h er e c e n ty e a r s ，t h e r eh a v eb e e nm a n y l i t e r a t u r e so nc r a s h w o r t h i n e s so p t i m i z a t i o no fm e t a l l i ct h i n - w a l l e dc o m p o n e n t so n t h eg r o u n do fo t h e r s r e s e a r c h e sa n db a s e do ne x p l i c i tf i n i t ee l e m e n tt e c h n i q u ea n d r e s p o n s e s u r f a c em e t h o d ，s o m et h i n - w a l l e d c o m p o n e n t s w i t ht h e s p e c i a l c r o s s s e c t i o n sh a v e b e e no p t i m i z e dw i t ht h ec r a s h w o r t h i n e s sc r i t e r i o ni n t h i s d i s s e r t a t i o n a tt h eb e g i n n i n go ft h ed i s s e r t a t i o n ，r e c e n td e v e l o p m e n t so fc r a s h w o r t h i n e s s o p t i m i z a t i o na r eb r i e f l ys u m m a r i z e d ，a n dm u l t i o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o n ，t h i n - w a l l e d c o m p o n e n t so p t i m i z a t i o na n dr e s e a r c h e so nh i g he n e r g y - a b s o r p t i o nf o a mm a t e r i a l s a r ea l s os u m m a r i z e d t h e n ，t h em a i nt h e o r e t i c a lb a c k g r o u n d sa r ei n t r o d u c e d ，s u c ha s e x p l i c i tf i n i t ee l e m e n tt e c h n i q u e ，d e s i g no fe x p e r i m e n t ，r e s p o n s es u r f a c em e t h o da n d a n a l y s i so fv a r i a b l e s a f t e rt h a t ，t h e s et h e o r i e sa r eu s e dt oa n a l y z ea n do p t i m i z es o m e s t r a i g h t t h i n w a l l e db e a m si na d d i t i o n ，t h es p a c ep r o f i l e sw i t hs - s h a p e da n d v - s h a p e dn e u t r a la x i sa n df o a m f i l l e d t h i n - w a l l e db e a m sa r ea l s oc o n s i d e r e da n d o p t i m i z e d ，w h i c hm a k et h er e s e a r c hc o n c l u s i o n sm o r ep r a c t i c a l t h i n w a l l e d c o m p o n e n t sw i t hs q u a r e o rc i r c u l a rc r o s s s e c t i o na r et h em o s t c l a s s i c a le n e r g y a b s o r b i n gs t r u c t u r e s r e d h e ，f o r s b e r s ，n i l s s o na n dk i mh a v ee v e r p a i d m u c ha t t e n t i o nt ot h er e s e a r c h e so ft h e s et r a d i t i o n a l p r o f i l e s u n d e rt h e c r a s h w o n h i n e s sc r i t e r i o n b a s e do no t h e r s f r u i t s ，j nt h i sd i s s e r t a t i o n s q u a r e c r o s s - - s e c t i o n a lt h i n - - w a l l e db e a m sa r ef i r s t l yo p t i m i z e dw i t ht h es e c t i o n a lw i d t ha n d t h i c k n e s sa sd e s i g nv a r i a b l e s ，a n dw i t hs t r u c t u r a l s p e c i f i ce n e r g ya b s o r p t i o n a s o b j e c t i v ef u n c t i o n t h ei n f l u e n c e o ft h ed e s i g nv a r i a b l e so nt h es p e c i f i ce n e r g y a b s o r p t i o no fs i n g l e c e l l ，d o u b l e - c e l l ，t r i p l e - c e l la n dq u a d r u p l e - c e l la r es u m m a r i z e d s e c o n d l y , s i n g l e - c e l la n dt r i p l e - c e l lh e x a g o n a ls e c t i o n a lp r o f i l e sa r eo p t i m i z e dw i t h c r a s h w o r t h i n e s sc r i t e r i o n t h i r d l y ，t a p e r e dp r o f i l e so fc i r c u l a rc r o s s s e c t i o nt o g e t h e r w i t hp r o f i l e so fe n d - t a p e ra r ea n a l y z e da n do p t i m i z e dw i t hm u l t i o b j e c t i v ef u n c t i o n f i n a l l y ，s p a c ep r o f i l e sw i t hs - s h a p e da n dv - s h a p e dn e u t r a la x i sa r eo p t i m i z e dw i t h m u l t i o b j e c t i v ef u n c t i o n su n d e rc r a s h w o r t h i n e s sc r i t e r i o n i na d d i t i o n ，f o a m f i l l e d t h i n w a l l e db e a m sw i t hs q u a r ec r o s s s e c t i o n sa n dt a p e df o a m - f i l l e dt h i n - w a l l e db e a m s a r ea l s oc o n s i d e r e da n do p t i m i z e di nt h ef i e l do fc r a s h w o r t h i n e s s i nt h ed i s s e r t a t i o n ，e x p l i c i tf i n i t ee l e m e n tt e c h n i q u et o g e t h e rw i t hr e s p o n s e s u r f a c em e t h o di su s e dt os o l v ec o n t a c t i m p a c tp r o b l e m s ，w h i c hh a v eb e e np r o v e dt o b eah i g he f f i c i e n c ym e t h o da n dt h ef i t t i n gr e s u l t so fw h i c ha r ev e r ya c c u r a t et h e o b j e c t i v ea n dc o n s t r a i n tf u n c t i o n so b t a i n e db yu s i n gr e s p o n s es u r f a c em e t h o dc a nb e s o l v e da n dt h eo p t i m a ld e s i g np a r a m e t e r sc a nb eo b t a i n e dq u i c k l y m e a n w h i l e ， c o n c l u s i o n so ft h ed i s s e r t a t i o nc a na l s o b ea n i m p o r t a n tr e f e r e n c e f o rt h e c r a s h w o r t h i n e s so p t i m i z a t i o no f t h ec a rb o d yi nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：o p t i m i z a t i o n ；c r a s h w o r t h i n e s s ：e x p l i c i tf i n i t ee l e m e n t ；t h i n w a l l e d c o m p o n e n t ；r e s p o n s es u r f a c em e t h o d ；d e s i g no fe x p e r i m e n t ；c o n t a c t - i m p a c tp r o b l e m v 博士学位论文 插图索引 图2 1 压溃载荷关于结构压缩量的响应曲线1 6 图2 22 因素5 水平全因子试验设计一1 8 图2 32 变量1 5 样本点的拉丁超立方体抽样设计方案- 2 1 图2 4 二维设计空间内的渐进子域2 4 图2 5 抗撞性优化设计的算法流程图2 6 图3 1a a 6 0 6 1 t 4 的应力应变曲线2 9 图3 2 正方形截面薄壁构件的计算模型3 0 图33 四种正方形截面构形3 0 图3 4 轴向载荷作用下的响应面图3 2 图3 5 轴向载荷作用下的响应面的相对误差3 3 图36 轴向载荷作用下的四种构形的整体和截面变形图( 2 0 m s ) 3 4 图37 横向载荷作用下的响应面图3 5 图38 横向载荷作用下的响应面的相对误差：3 6 图3 9 横向载荷作用下的四种构形的整体变形图( 2 0 m s ) 一3 7 图31 0 比率，= a t 对薄壁构件t e 吸能的影响( 轴向载荷作用) 3 8 图31 1 两种工况下的最优构件的比吸能随时间的变化曲线一3 8 图31 2 两种工况下的晟优结构的撞击载荷随时间的变化曲线3 9 图4 1 六边形薄壁构件的计算模型4 2 图42 单元胞六边形截面构形4 3 图4 3 单元胞单连通构形的目标和约束指标的响应面4 5 图4 4 单元胞多连通构形的目标和约束指标的响应面4 5 图45 四次响应面拟合的相对误差曲线4 6 图4 6 单元胞构形的比率r = a t 对构件比吸能的影响一4 7 图4 7 撞击时间对两种单元胞构形的比吸能的影响“4 8 图48 两种单元胞最优构形的整体和截面变形图( 2 0 m s ) 4 8 图4 9 三元胞六边形截面构形一4 9 图4 1 0 撞击时间对三元胞最优构形的抗撞性指标的影响5 l 图4 1 1 两种三元胞构形的变形网格图( 4 0 m s ) 5 2 图41 2 邻边连接构形在逐步线性近似中的收敛过程5 3 图41 3 顶点连接构形在逐步线性近似中的收敛过程：5 4 图51 端部锥形构件的计算模型5 6 i x 薄壁构件的抗撞性优化设计 图5 2 端部锥形薄壁构件5 7 图5 3 方锥形薄壁构件的比吸能响应面及其相对拟合误差5 8 图5 4 圆锥形薄壁构件的比吸能响应面及其相对拟合误差5 8 图5 5 端部锥形最优构形的叠缩变形网格图5 9 图5 6 端部锥形管的四种衍生构形6 0 图5 76 种构形的比吸能随时间的变化曲线一6 1 图5 86 种构形的比吸能和质量的大小关系对比图6 1 图5 9 两种圆锥管的计算模型6 4 图5 1 0 单锥形薄壁管的耳标函数曲线一6 5 图5 1 l 单锥形薄壁管的三个目标指标的p a r e t o 曲面6 7 图5 1 2 单锥形薄壁管的功效系数曲线6 7 图5 1 3 单锥形薄壁管的初始、最优构形对比图6 8 图5 1 4 单锥形薄壁管的渐进叠缩变形图( 口= 0 1 4 5 3 ) 6 8 图5 1 5 共线双锥形薄壁管的目标函数响应面6 8 图51 6 共线双锥形薄壁管的三个目标指标的p a r e t o 曲面7 0 图51 7 共线双锥形薄壁管的功效系数曲面7 1 图5 1 8 共线双锥形薄壁管的初始、最优构形对比图7 1 图51 9 共线双锥形薄壁管的渐进叠缩变形图( o r = 0 1 3 4 7 、r = 3 5 1 6 m m ) 7 l 图6 1s 形纵梁的分析模型7 5 图6 2s 形纵梁的目标函数响应面一7 6 图63s 形纵梁的三个目标指标的p a r e t o 曲面7 7 图64s 形纵梁的功效系数曲面7 7 图6 5s 形薄壁纵梁的变形和冯米泽斯应力图7 8 图6 6v 形纵梁的分析模型一7 9 图6 7v 形纵梁的目标函数响应面8 0 图6 8v 形纵梁的三个目标指标的p a r e t o 曲面8 0 图6 9v 形纵梁的功效系数曲面8 l 图6 1 0v 形薄壁纵梁的变形和冯米泽斯应力图8 l 图71 铝泡沫材料在单轴压缩试验中的力学特性8 5 图7 2 铝泡沫材料的本构关系曲线8 6 图7 3 正方形截面泡沫填充薄壁构件的截面形状8 7 图7 4 正方形截面泡沫填充薄壁构件的计算模型8 8 图75 比吸能的近似结果9 0 图7 6 比吸能随泡沫密度的变化曲线( t = 3 o m m ) 9 0 图7 7 两种增加率关于泡沫密度的变化曲线：- 9 1 x 博士学位论文 图7 8 平均撞击力的解析解与有限元结果的对照9 3 图7 9 撞击力随结构整体位移的变化曲线9 3 图7 1 0 壁厚t = 3 o m m 和泡沫密度, o f = o0 2 7 9 c m 3 时的轴对称叠缩变形图9 4 图7 1 1 低密度和高密度泡沫填充材料的变形过程对照图( f = 3 o m m ) 9 4 图7 1 2 圆锥形泡沫填充薄壁构件的计算模型9 5 图7 1 3 圆锥形抗撞性优化指标关于锥形角的变化曲线9 7 图7 1 4 功效系数关于锥形角的变化曲线9 9 图7 1 5 泡沫填充圆锥形构件的初始构形与整体最优构形( , o f = o 5 4 9 c m 3 ) ”9 9 图7 1 6 泡沫填充圆锥形构件的渐进叠缩变形过程“1 0 0 图7 1 7 泡沫填充圆锥形构件的纵剖面渐进变形过程1 0 0 x 1 薄壁构件的抗撞性优化设计 附表索引 表2 1 薄壁构件抗撞性评价指标1 7 表2 2 正交试验表厶( 27 ) 一1 9 表2 3 均匀试验表以( 6 6 ) 2 0 表3 1 设计样本点和多项式的验证3 l 表3 2 轴向载荷作用下的比吸能优化结果3 3 表3 3 横向载荷作用下的比吸能优化结果3 6 表3 4 两种工况下的最优结构的撞击载荷3 9 表4 1 单元胞单连通构形的多项式响应面模型的拟合精度4 3 表4 2 单元胞多连通构形的多项式响应面模型的拟合精度4 4 表43 最大撞击载荷约束( 7 0 k n ) 下的两种单元胞构形的最优值4 6 表4 4 单元胞构形的无约束优化结果4 7 表45 邻边连接三元胞构形的逐步优化过程5 0 表4 6 顶点连接三元胞构形的逐步优化过程5 0 表5 1 各种构形的设计参数和比吸能6 0 表52 铝a a 6 0 6 1 t 4 材料的应力应变值对应关系6 4 表5 3 单锥形薄壁管的三个目标指标的理想最优值6 5 表5 4 单锥形薄壁管的p a r e t o 解集6 6 表55 共线双锥形薄壁管的三个目标指标的理想最优值6 9 表5 6 共线双锥形薄壁管的3 0 个p a r e t o 点6 9 表57 两种圆锥形构件的目标指标的上限值和下限值7 2 表5 8 功效系数法所得的全局最优解7 2 表6 1s 形纵梁各指标的理想最优值7 6 表62s 形纵梁的目标指标的上限值和下限值”7 7 表6 3v 形纵梁各指标的理想最优值8 0 表6 4v 形纵梁的目标指标的上限值和下限值一8 1 表65 两种构形的全局最优解8 2 表7 1 铝a a 6 0 6 0 t 4 材料的应力应变值对应关系一8 9 表7 2 泡沫填充构件与无泡沫填充构件的结果( t = 3 0 r a m ) 一9 2 表7 3 铝a a 6 0 6 1 t 4 材料的应力应变值对应关系”9 6 表7 4 优化指标在设计域内的理想最优值9 7 表7 s 泡沫填充圆锥形构件多目标优化的3 0 个p a r e t o 设计点9 8 表7 6 圆锥形薄壁构件的优化指标的上、下限值1 0 1 博士学位论文 表7 7 功效系数法所得的圆锥形薄壁构件的全局最优解1 0 1 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名： 依撂嘶 日期：沙7 年印月f 6 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：像沿啦 日期：刎年p 月f 6 日 导师躲燃吼椤年篮月日 博士学位论文 1 1 研究的背景和意义 第1 章绪论 安全、环保和节能是二十一世纪汽车设计研发所面临的三大热点问题i l 】，而 如何提高车辆在碰撞事故中的抗撞性又成为汽车被动安全性分析中的一个关键环 节1 2 j 。车身结构抗撞性研究主要研究车身结构对碰撞能量的吸收特性，在保护乘 员空间的前提下，寻求改善车身结构抗撞性的方法，即要求汽车能够在突发或特 定的碰撞事件中，依靠自身结构或附件装置的屈曲、损伤、断裂等破坏形式来减 缓碰撞时的冲击载荷，并使得车身变形吸收的碰撞能量最大，从而使传递给车内 乘员的碰撞能量降低到最小，以达到保护乘员及贵重物品安全的目的。 汽车车身碰撞性能研究工作主要分为以下四个阶段： 1 简单薄壁直梁件碰撞性能的研究：以简单的薄壁直梁件的碰撞试验为依 据，对车身用低炭钢材料特性随应变率变化、车身点焊的力学特件及其他碰撞仿 真参数进行研究，并验证计算方法的可靠性。这是碰撞仿真工程应用的关键。 2 车身前纵梁碰撞性能的研究：前纵梁是车身在正面碰撞过种中的主要吸能 元件，对该元件的碰撞性能进行深入的研究有利r 指导安全车身的设计。 3 白车身碰撞性能的研究：以白车身碰撞试验数据为依据建立白车身碰撞模 型，为建立整车碰撞仿真模型做技术上的准备。 4 整车碰撞性能的研究：在上述基础e 建立整车碰撞仿真模型，并使用实车 碰撞试验数据验证碰撞仿真模型的正确性。 在车身抗撞性研究的上述四个阶段中，薄壁直梁和前纵梁等车身吸能装置的 设计又成为汽车安全性和轻量化设计中寻求较高吸能结构的一个重要途径，试验 研究表明，在汽车发生4 8k m h 的正面碰撞时，其前纵梁吸收了约5 0 7 0 的碰撞 能【3 1 。 良好的吸能装置要求碰撞动能应尽可能不可逆地转换为变形能。因此，在设 计吸能装置时，选材上应主要考虑薄壁的会属构件，因为金属薄壁构件在受到撞 击载荷的作用时，其破坏模式稳定，且能以可控制的方式通过本身的迥性变形( 塑 性弯曲、塑性扭曲、塑性屈曲等) 来吸收和消耗能量1 4 j ，并产生一定的压溃行程， 从而达到吸收车辆的动能，降低车辆减速度的目的：同时，金属薄壁构件作为最 传统、最有效的缓冲吸能装置，已经在车身吸能体系的设计中得到了最广泛的应 用。薄壁金属构件的吸能特性除与结构的材料特性有关外，还与横截面形状、壁 厚等几何参数密切相关，因此，对金属薄壁构件的抗撞性优化设计已成为车身抗 撞性研究的重要环节。然而，对于多元胞和六边形截面的薄壁构件、锥形薄壁构 薄壁构件的抗掩性优化设计 件以及s 形和v 形中性轴和泡沫填充的薄壁构件的优化设计在国内外抗撞性研究 领域的报道很少，而本文将从这几方面进行讨论，并设计出具有较好吸能特性的 新型抗撞性车身吸能装簧，给薄壁构件抗撞性研究领域带来一些新的突破。 早期对车身结构抗撞性的研究完全依赖于试验的方法。汽车碰撞试验是汽车 碰撞被动安全性研究中最准确的方法，新款汽车的安全性设计与检验，都需要通 过反复设计，制作多辆汽车，进行几十次乃至上百次的碰撞试验而完成。但是， 此类试验是汽车开发中一种昂贵的“试错”过程，往往需要很高的费用和较长的 时间。因此，计算机辅助工程c a e ( c o m p u t e r a i d e d e n g i n e e r i n g ) 应运而生，在 汽车产品的研制与开发过程中发挥了不可替代的作用。所谓计算机辅助工程，主 要指用计算机对工程和产品进行性能与安全的可靠性分析，并对其未来的工作状 态和运行行为进行模拟，以及早发现设计缺陷，增强未来产品功能的可用性和性 能的可靠性；它在汽车开发过程中的作用主要体现在以下三个方面：( 1 ) 缩短了 产品的研制周期，c a e 在建模和分析过程中采用实体造型和参数化，从而大幅度 地缩短了确定合理的结构参数所需的时间：( 2 ) 减少了产品的开发费用，与道路 试验和室内台架试验相比较，利用c a e 分析汽车整车及零部件的各种性能，可以 使所需要的费用大幅减少；( 3 ) 通过结构参数的优化设计，有利于开发出性能更 为优越的汽车整车和零部件。 采用计算机辅助工程，通过有限元分析和数值模拟来分析汽车的碰撞性能， 可以为汽车设计或改进提供一些基本的规律和指导，减少试验次数，避免大量尝 试性的工作，这样既能节约昂贵的实车碰撞试验经费，又可缩短开发时间；而且， 在零部件优化设计的初始阶段，有限元分析和数值模拟也是唯一的分析手段。在 我国当前财力物力有限，相关的试验条件还不充分具备的条件下，应用有限元模 拟的方法来研究汽车的碰撞被动安全性，就更加具有现实意义。同时，无论在国 内还是国外，通过对汽车车身及其零部件的碰撞性能进行模拟和有限元分析来部 分或全部地取代或改进汽车碰撞试验工作，己成为汽车碰撞安全性研究的必然趋 势。 综上所述，基于有限元技术的车身吸能元件的抗撞性优化设计是汽车研发领 域的一个热点问题，既具有崭新的研究空间，又具有现实的工程背景，其研究成 果可为整车抗撞性的研究奠定坚实的基础。因此，开展这方面的研究不仅具有重 要的理论意义，同时也具有重要的工程应用价值。 1 2 国内外相关领域的研究现状 1 2 1 抗撞性优化问题的研究现状和进展 无论是航空航天还是交通运输行业，对其运载体抗撞性设计方面都有一定的 博士学位论文 要求。而结构抗撞性研究的早期阶段，一般是通过模型试验来研究结构的动、静 力学特性。随着汽车被动安全性研究的逐步深入和车身轻量化要求的不断提高， 车身碰撞吸能件的大变形力学行为愈来愈受到重视，结构抗撞性理论方面的研究 也逐步开展起来。 早期较著名的有p u g s l e y 和m a c a u l a y 对列车车厢抗撞性及a l e x a n d e r 对圆管 轴向碰撞性能的研究【5 扣j ；1 9 6 0 年，a l e x a n d e r 首先建立了预报金属圆管发生轴向 渐进叠缩变形吸能的理论模型，并基于试验观察，提出了宏单元方法，在薄壁结 构力学模型简化方面作出了突出的贡献，为结构抗撞性领域的研究奠定了理论基 础；之后，a 1 h a s s a n i 和j o h n s o n 等1 7 母i 众多研究者针对这问题进行了深入研究， w i e r z b i c k i 和a b r a m o w i c z i l o 。2 】在a l e x a n d e r 研究的基础卜建立了超级折叠的单元 模型，分析了折叠凸角的变形机制，并推导了求解平均撞击载荷等抗撞性参数的 简单表达式；随后，a y a l l3 1 ，m a g e e l l 4 】以及m a h m o o d i ”l 等人在设计中对车体结构 发生压溃变形时的能量吸收特性进行了分析；这期i 日j ，k a m a l l l “，h e r r i d g e i l 7 1 ， m e l o s h l l 8 】以及n i l l 9 1 等人也相继将计算机模拟技术引入到抗撞性问题的设计中来。 计算机软硬件设备和有限元技术的不断发展和完藩为抗撞性优化设计翻丌了 崭新的一页。1 9 7 5 年，b e l y l s c h k o t 2 0 l 首次采用壳单正神j 娃式时日j 积分技术对车体 碰撞进行了有限元分析；1 9 8 4 1 9 8 6 年期间，b e n s o n 和h a l l q u i s t l j 首次完成了整 车碰撞的显式有限元分析。从上世纪9 0 年代中后期j i ：始，显式有限元模拟技术的 广泛应用，尤其是大量商业有限元软件的不断j f 发，例如：l s d y n a ， p a m c r a s h ，r a d i o s s ，a b a q u s 等，引起了人们对抗撞性研究的新兴趣1 2 。”j ； 同时，科研工作者也丌始采用各种代理模型技术对数值模拟所得到的离散数据进 行统计和回归分析，并将结构优化设计方法应用j ：抗撞性优化问题的研究中去 2 6 - 3 1 i ，其中，最常用的就是基于响应面法的结构优化设计方法【3 2 。3 5 1 。 在国外，将响应面法应用于抗撞性研究的文献有很多。1 9 9 2 年，l u s t l 3 6 1 最早 将结构优化技术应用于抗撞性约束优化的结构设计当中；随后，a v a l l e 和 b e l l i n g a r d i 等人【3 7 ，3 龇也采用结构优化技术对吸能装胃进行了安全性分析：1 9 9 8 年， y a m a z a k i 和h a n 2 4 】在对圆管和方管的吸能特性进行分析研究时，采用响应面近似 技术对设计域中的予问题进行了回归分析和近似表达：2 0 0 0 年，y a m a z a k i 和h a n i j 州 又采用同样的方法对圆柱壳的吸能特性进行了分析与研究；2 0 0 2 年，k u r t a r a n l 耳u j 等人采用响应面近似技术，从内能方面对圆柱壳、简化车体等结构进行了抗撞性 约束优化，对优化目标函数分别进行了线性、椭圆和二次完全多项式响应面近似， 与二次完全多项式近似相比，线性和椭圆响应面的优化效率更高；r e d h e 和 f o r s b e r g l 4 l j 等人在将响应面法应用于抗撞性问题时，也采用d 最优( d o p t i m a l ) 试 验设计方法，对方形管和车身前纵梁进行了显式有限元分析，从而对试验点的有 效个数进行了研究；c h i a n d u s s i 和a v a l l e 等人1 4 2 4 3 1 也将响应面法应用到车身结构 薄壁构件的抗撞性优化设计 的抗撞性优化设计；l e e 和k i m 等人【4 4 l 采用随机优化过程的响应面法对圆柱壳抗 撞性能进行了优化设计，结果表明基于随机优化的响应面法克服了噪声因子和局 部最优的干扰，可以快速地得到全局最优解，同时，n i l s s o n 和r e d h e 等人【4 毛4 6 j 的研究也表明响应面法与随机优化相结合的方法是一种有效的结构优化设计方 法，并且随机优化可以为响应面近似确定合适的起始点；f o r s b e r g 和n i l s s o n l 4 7 ，4 剐 还研究了如何在不影响结构抗撞性的情况下减小结构的总重量，同时采用了响应 面模型和k r i g i n g 模型，对两种近似方法进行了对比研究。上述研究都充分表明： 对于强非线性的抗撞性优化问题，响应面法是一种快捷而有效的近似分析方法。 在国内，基于显式有限元程序如l s d y n a ，p a m c r a s h 等，许多高校和科 研机构也开始了对车辆被动安全性的研究，许多学者研究了车身主要吸能结构的 吸能特性和碰撞作用力1 4 舢5 8 j ；其中，湖南大学的钟志华等人较早地开始了碰撞仿 真和优化设计方面的研究，并且获得了一定的成果1 5 乳6 4 l 。他们分析了汽车碰撞过 程中的摩擦力1 6 5 】；对碰撞过程中的车身前纵梁的力学特性进行了优化设计1 6 6 1 ；对 吸能部件和缓冲吸能装置进行了改进1 6 7 , 6 8 】；优化设计了电动汽车电池架的抗撞击 性能1 6 9 j ；对汽车碰撞中的波形梁半刚性护栏进行了数值仿真和结构优化等。然 而，国内的科研工作者主要将响应面法等结构优化方法应用于灵敏度分析和可靠 性研究【7 卜7 5 1 ，尝试将其应用于车身主要吸能构件的抗撞性优化的文献却很少。王 海亮和林忠钦等