基于软件分析的汽车内部安全结构的吸能及轻量化设计

2022-03-21版权声明我要投稿

  摘要:随着我国汽车保有量不断上升,汽车的安全和节能性越来越受到人们重视,可吸收车辆碰撞能量并有效减轻车身质量的帽型结构便成为研究的热点,车身上许多结构是典型的帽形薄壁结构,承载着较多的轴向载荷,例如前纵梁,电动汽车电池包箱体等。根据研究表明,薄壁角区域增加加固材料能够有效提高薄壁的吸能能力,所以其薄壁吸能特性及轻量化设计已然成为关注的焦点。在传统的针对薄壁结构的吸能和轻量化设计中基本上都是根据相应的工况使用CAE仿真模拟实际情况,获得模拟仿真时的实验数据进而进行结构的优化设计,涉及的过程耗时费力。我们针对这方面问题,基于MATLAB与C#混合编程,应用带有精英策略的非支配排序遗传算法设计了一款能够迅速且高精度地完成薄壁轻量化设计和吸能计算双目标优化的软件,实现了多线程结构多目标优化求解、最优解分布图绘制、结构设计参数输出等功能,提供了让设计人员精准迅速研究单帽结构压溃变形情况的平台。

  关键词:遗传算法;MATLAB;压溃吸能;多目标优化;轻量化;软件分析;

  汽车现已经成为世界上普及程度最高、运输量最大的交通工具,汽车工业也逐渐成为一个国家工业水平的标志。我国汽车工业在近年来发展迅速,同时汽车行驶安全性,能源节约性越来越受到重视。车身吸能部件的塑性形变,由形变吸收部分能量从而使传递到车内的碰撞能量降低,能有效保护车内人员;对于能源的节约,通过结构优化设计和使用轻量化材料,降低车辆质量可以达到节能减排的目的。汽车每减重100kg,同样行驶一百公里可减少0.3-0.5L燃油的消耗,每百公里CO2排放量同样可以减少8-11g/(100km)[1]。传统方法常使用数值模拟仿真软件进行薄壁设计,耗时费力,使汽车薄壁结构处的研发设计周期大大延长[2],为了能缩短研发时间,本课题研究致力开发一款在理论模型基础上结合遗传算法进行结构优化设计的软件,能够快速准确求解,输出数值以及图像结果,减小设计人员操作难度,也是汽车产业智能化升级的一个新的尝试。

2 带有角加强板的单帽结构轴向载荷作用下理论预测模型

  2.1 结构简介

  汽车上许多结构属于帽型薄壁结构,承载着轴向载荷的作用,Abramowicz和Wierzbicki[3]研究说明薄壁结构能量吸收过程中塑性变形基本局限在角部区域,如图1所示。为达到强化吸能以及轻量车身设计,车辆多采用具有角加强板且以混合材料制成的帽型结构,又称HMHT-SCS[4]。

  为方便理解与简化计算,把结构简化为图2所示,拆分为单帽单元、平板单元和加固单元[5],a1代表帽型单元宽度,b1为腹板宽度,a3为加强板宽度,t1为帽型单元厚度,t2为平板厚度,t3为加强板厚度,f为卷边宽度,L2为平板单元截面宽度。

  2.2 单帽HMHT-SCS在轴向受载荷作用下平均压溃力理论公式[5]

  其中H代表半波长,表达式为

  式中分别为顶帽单元、平板单元和加强角单元截面宽度。

  分别代表三个拆分单元的可塑性弯矩,分别由其最大流动应力(模型中则使用材料的极限应力σb[6]进行等效处理)以及单元厚度求出。

  2.3 单帽结构质量计算理论公式

  L代表帽型梁轴向宽度,分别代表顶帽单元、平板单元和加强角单元的体积。

  表示材料密度,为卷边宽度。

  Du和Duan等人[7]已经在研究中通过实物试验与计算机数值模拟仿真两种方式验证了吸能理论预测公式的准确性。结果表明,理论预测公式得出的结果与试验和模拟仿真的结果相对误差均不超过5%,是一种高精度的理论预测模型。

3 遗传算法实现多目标优化求解

  3.1 带有精英策略的快速非支配排序遗传算法(NSGA Ⅱ)

  NSGA Ⅱ算法采用了精英策略,使用了快速非支配排序,提高了求解质量,加速了求解的过程[8];引入了拥挤度和拥挤度比较,优化了解集的分布。算法流程如图3所示。

  3.2 基于NSGA Ⅱ算法的结构优化

  3.2.1 种群初始化

  使用随机函数生成横截面宽度,高度,壁厚这类连续变量的初始值。对于离散型变量-材料类型,生成随机的矩阵索引,以索引选取材料矩阵中的离散值作为初始值[9]。

  3.2.2 构造目标函数与约束条件

  根据前文已经确定的设计目标,参考在轴向受载荷作用下平均压溃力理论公式以及质量运算公式,编写单帽受到轴向载荷时消耗能量的计算函数并设置限制条件,模型可表示为:

  3.2.3 基于NSGA Ⅱ算法的结构优化代码流程

  接收自定义的变量约束值,根据变量取值范围对个体进行编码,形成初始种群。接着是对初代种群进行非支配排序,然后进行遗传操作,形成下一代种群。最终,当进化次数达到设定值后,程序就会将整个最优解集中每个解所包含的设计变量连同目标值一起输出[10]。整个代码流程图如图4所示。

4 C#与MATLAB混合编程设计软件

  4.1 C#与MATLAB混合编程原理及方法选择

  混合编程的实质是将MATLAB函数编译成C#能够识别并使用的文件,同时将C#和MATLAB中的数据参数通过类型转换变成一种互相可以通用的中间变量,我们选用有较好移植性的DLL组件法。

  4.2 将MATLAB函数编译为动态链接库

  首先选择组件编译器。在MATLAB中找到APP选项卡,并选择其中应用程序部署项的Library Compiler。然后选择编译类型。由于本软件使用C#混编,所以需要生成的是.NET的DLL组件。因此在弹出的窗口中找到类别(TYPE)选择框,选择.NET Assembly。

  4.3 在IDE中调用MATLAB函数

  DLL组件生成完成后,在文件夹内可以找到一个以库名称命名的DLL文(见图5),该文件就是调用算法函数前需要引入IDE的组件文件。

  首先向解决方案中添加引用,进入引用管理器,在文件选择窗口中定位到DLL组件所在的文件夹,并选择算法组件进行引用,同时引入实现参数转换和传递的MATLAB组件,即MWArray.dll;其次添加using代码,在编译环境中使用代码来调用引入的组件最后初始化实例并调用函数。对算法函数类的实例进行初始化来调用其中的方法。

5 软件设计与优化算例

  5.1 软件功能设计与实现

  5.1.1 参数校验功能

  软件为所有的输入参数都编写了校验功能,保证单帽结构的数据模型的参数设置符合要求。当输入不符合要求的数据时,弹出警告窗口。

  在C#代码中的具体实现方法如下:

  第一步,在项目中添加新窗体作为警告弹窗。然后根据需要对其进行相应的界面设计,添加图片框、标签文本。

  第二步,编写校验功能代码。建立输入框的焦点离开事件,并在其中插入条件判断,检验参数输入正确性,根据判断结果决定是否触发弹窗。

  5.1.2 轴向压溃吸能计算以及曲线绘制、输出功能

  如图6所示,设计者输入薄壁梁各项参数,通过本软件的吸能计算功能,得到指定单帽结构有效压溃距离的吸能情况并以图表展示;实时计算出每个数据点结果,以表格形式在右侧列表区展示。同时在本软件的对比模式下,可清楚直观地比较各种情况下薄壁梁的吸能特性,便于进行相关定性或定量分析。

  5.1.3 结构优化求解以及过程中取消功能

  结构截面优化是软件重点功能,基于NSGA Ⅱ优化算法,可以在短时间内完成单帽结构的截面优化设计。得到以吸能和质量为坐标的最优解散点图,并可在列表区查看每一种最优解详细的设计参数,详见图8。同时为了避免在运行大量任务时窗体无响应的情况,使用多线程技术,将繁重的任务转移到另一条单独的线程上运行,保证窗体线程的畅通,使用了backgroundworker组件来实现后台运行功能。

  5.2 优化算例测试

  5.2.1 初始结构参数与设计变量选取

  控制在单帽型梁长度400mm,卷边宽度35.7mm,帽型单元宽度a1设计范围为105mm,加强板宽度a3为20mm,腹板高度b1为85mm,帽型单元厚度t1设计为1.6mm,平板厚度t2设计为1.6mm,加强板厚度t3设计范围为1.6mm,帽型单元,平板单元和加固单元选用材料均为BLC(屈服强度183mpa,抗拉强度395mpa,密度7830kg/m3)。计算结果如图7。

  由公式,得Fm为36.87KN。再由质量计算公式得Mass 3.02kg,记其为初始化方案。

  5.2.2 优化设计目标及参数约束并进行结构优化

  本例设置的优化设计目标为平均压溃力(-Fm)和整体结构质量(Mass)。控制在单帽型梁长度400mm,卷边宽度35mm条件下进行结构优化,帽型单元宽度a1范围为[60,120],加强板宽度a3范围为[15,25],腹板高度b1范围为[60,120],帽型单元厚度t1范围为[0.7,2],平板厚度t2范围为[0.7,2],加强板厚度t3范围为[0.7,2],可选用材料Mat为BLC、B210、铝合金6060-T6和6061-T6,该算例的多目标结构优化模型为:

  随后设置算例中种群大小pop为80个,迭代次数gen为800代。求解得出优化结果如图8所示,数据点以(平均压溃力,质量)坐标在图中分布;而具体的数据信息则在列表中显示,其中还包括了每种方案详细的结构设计参数。

  选中其中质量最接近3.02kg的数据点,得其轴向平均压溃力为62.32KN,记为设计方案甲。选中其中平均压溃力最接近36.87KN的数据点,得其质量为1.01kg,记为设计方案乙。

  5.2.3 算例方案结果对比(表1)

  由结果可知结构优化后,近似承受同等轴向压溃力条件下,质量减轻66.67%;

  近似同等质量条件下,承受轴向平均压溃能力提升69.02%。

参考文献

  [1]范子杰,桂良进,苏瑞意.汽车轻量化技术的研究与进展[J].汽车安全与节能学报,2014,5(01):1-16.

  [2]廖兴涛.基于代理模型的汽车碰撞安全性仿真优化研究[D].湖南大学,2006.

  [3]Wierzbicki T.,Abramowicz W..On the Crushing Mechanics of Thin-Walled Structures[J].Journal of Applied Mechanics,1983,50(4a):727-734.

  [4]杜展鹏.基于单帽型薄壁梁压溃变形理论的前纵梁耐撞性设计[D].湖南大学,2018.

  [5]胡朝辉,杜展鹏,段利斌,张光亚,武敬伟.单帽型薄壁梁弯曲和轴向压溃吸能的理论预测方法研究[J].汽车工程,2018,40(08):967-973.

  [6]Kecman Dušan.Bending collapse of rectangular and square section tubes[J].International Journal of Mechanical Sciences,1983,25(9):623-636.

  [7]Zhanpeng Du,Libin Duan,Aiguo Cheng,Zhidan Xu,Guangya Zhang.Theoretical prediction and crashworthiness optimization of thin-walled structures with single-box multi-cell section under three-point bending loading[J].International Journal of Mechanical Sciences,2019,157-158.

  [8]郑向伟,刘弘.多目标进化算法研究进展[J].计算机科学,2007(07):187-192.

  [9]司守奎,孙兆亮主编;孙玺菁,周刚,仲维杰,康淑瑰编著.数学建模算法与应用[M].2015.0.

  [10]包子阳,余继周,杨杉编著.智能优化算法及其MATLAB实例第2版[M].2018.

作者:管开源 王军 白鑫 李涛 陈栋 单位:江苏大学 大连海事大学 徐工消防安全装备有限公司

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