浅析汽车保险杠的优化设计

朱晓华

摘 要：汽车的前保险杠在 RCAR的正面 40%低速碰撞和行人双腿的碰撞中会发挥缓冲以及吸能的作用，汽车保险扛的刚度可以充分满足 RCAR等级评价以及行人双腿的保护性能中的较大要求。 [1]综合性考虑行人的双腿保护法规以及 RCAR中的具体要求，将材料变量当做是正交试验的设计，对响应面方法以及综合平衡法进行分别使用可以优化汽车保险杠。最终的研究结果显示，响应面方法可以有效的对材料屈服的强度进行表征同时反应个目标值之间的关系，而使用综合平衡法可以很好的对离散、变量少以及水平数量少的多目标实现优化。在实施了相应的优化策略后可以有效的提高汽车保险扛的整体性能。

关键词：行人保护；响应面法；综合平衡法；多目标优化；RCAR

陈现领等在正面 RCAR试验中实现了汽车前端吸能盒的优化，这一方法虽然对 RCAR等级评价实现了提升，但未充分考虑吸能盒强度在增强中对行人双腿保护性能产生的影响。张涛等人借助灵敏分析法和序列二次规划方法对某款 SUV车型前保险杠进行了行多目标优化设计，但是其只针对信任保护性能实行了优化，并没有考虑到 RCAR等级评价的相关要求，国外在汽车保险杠性能设计中制定了法规，这对我国的汽车安全性的提高的产生了促进作用。文章以汽车保险杠满足 RCAR等级评价并且保护行人的双腿作为研究目的，通过实用性响应面和综合平衡两个方法，对汽车保险杠材料屈服强度实行了优化。

1 测试汽车保险杠性能

1.1 双腿保护仿真

E-NCAP法规内有一项主要指针对行人的保护测试，其中有十分具体的车辆测试前的准备、测试动态发动机罩、大腿测试以及头部测试等多个方法的评价。针对行人下肢的保护主要是通过小腿模型撞击汽车保险杠仿真开展的。[2]

参照相关法规定义，对汽车前端进行画线，主要是保险杠的上部参考线，下部参考线和杠角线。在对测试区域进行划分后最终得出小腿撞击区域，具体区域划分如下图 1中所示：

就正常的整备质量车而言，车身在自身重量的承受以及乘员质量的出现情况下会存在较小幅度的下沉，为实现对工况的进一步精确化模拟，需要将小腿上升 25mm的高度。具体情况如下图 2：

在实行建模中，要采取多中定义焊点处理方式，对车身相关部件实现连接。 [3]定义中的各种类型的接触问题利用的是 AUTOMATIC，来处理各个部件的接触问题。

按照相关规定，利用 initialVel卡片对行人保护碰撞中，利用有限元仿真模型初始速度，速度值为 11.1m/s，方向为 x轴正向。在 Hypermesh中实现对物体与节点进行边界的约束。除了要利用创建 Loadcols设置为 BoundSpcSe，还要借助 Analysis_Constraint实行各种自由度约束。[4]

通过以上步骤中，对行人下肢和汽车保险杠碰撞有限元进行仿真试验，网格尺寸是 6～8mm，仿真结果可以表现沙漏和质量增大的范围是在允许范围内的。

对仿真结果进行分析后，在 E-NCAP规定中，小腿胫骨急速峰值< 150g，膝关节的剪切位移< 6mm，膝关节弯曲角度< 15°。

[5]提交有限模型 K文件要通过 LS-DYNA来计算，借助 HyperGraph读取胫骨的加速度，计算膝关节剪切位移以及弯曲角度历程曲线，得出最大值，同时要得出最终各个性能的值。

1.2 RCAR正面低速碰撞性能仿真

RCAR是欧洲保险机构测试车辆保险评价

而制定的，目的是要考察对车辆低速碰撞事故维修时间和成本，保险公司要参考最终的试验结果，同时结合发动机性能、价格、整车质量参数等确定车辆保险登记。

依据 RCAR相关法规，实现材料的分别赋予、接触设置和初试速度设置，对 RCAR壁障和汽车前端位置正面 40%低速碰撞模型，

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网格尺寸是 6～8mm的情况为自然接触，提交计算后将会得出沙漏能和质量之间是在增加允许范围内的。

汽车前端第一个以及 RCAR的壁障接触点侵入量是可以很好的展现汽车前端吸收能力的，壁障与汽车纵向存在一定的角度，并且可找到壁障与汽车前端切点，对第一个接触点实现确定，该点与后面方向汽车座椅内某点弹簧测量第一接触侵入量实现确定。

有限元最终仿真结果是：胫骨加速度、膝关节剪切位移、膝关节弯曲角度可以分别在最小值中实现利用，知道了汽车前端可以满足对行人下肢的保护，但前端结构不能再低速碰撞中被充分吸能， RCAR测试首个接触点侵入量较大，会造成后面汽车散热片出现挤压和变形，进而要对汽车前端总体刚度实行提升，还要降低首个接触点的侵入量，满足行人下肢保护法规要求。[6]

2 响应面的构建和优化

2.1 响应面介绍

响应面模型是应用范围十分广泛的近似模型，它是回归模型中的一种，在不同多项式的应用中对功能表征问题可以通过计算机仿真模型来计算，主要优势为：可在少数的试验次数局部范围内总结出十分精确的逼近函数关系，同时可以使用简单代数表达式进行展现；计算方法较为简便，在优化过程中存在较大的便利性，在对合适的回归模型进行选择的过程中，可以对存在复杂响应面关系下进行拟合，同时存在优良鲁棒性，具有扎实的数学理论基础，存在十分强大的实用性与系统性，适用范围广，属于比较复杂的工程设计系统工具，一般情况下会对二阶响应模型公式进行使用：

2.2 响应面的构造

借助对关键项的选择对一些作用很小的多项式进行去除后，在这种多项式去除方式的基础上，提升近似模型的可靠性，同时要对设计样本的点数进行减少。

在膝关节剪切代表纵坐标时，最终拟合膝关节剪切位移与四个变量相应型可表示成下图情况：

通过以上相应模型图可以对试验变量进行直接性得出与响应值之间的关系，同时能够得出其他响应值和试验变量之间的对应面模型图。

2.3 以NSGAII为基础的算法优化

在以上研究内容的基础上，通过数学公式对汽车的前端目标优化实行相应的描述，并且开展汽车前方多目标优化问题研究。

优化计算方法，对构造出的相应模型进行利用，依据优化的目标以及约束的条件实行迭代求解，在 65次迭代后得到最终的可行解，迭代次数一共为 241次，最后得出了 33个 Pareto前沿解。使用 Pareto得到最优解集，对设计人员提供帮助，为其提出多个可能性选择方案，设计人员能够将详细的工程情况作为实行的方案来进行相应的选择，如果想要第一时间接触侵入量，最终可以将迭代的次数设置为

171次，最终得出了 x1、x2、x3、x4的值分别是 209.64/585.47/175.26/395.90.每一种材料的屈服度是存在一定的差异的，正是因为这一原因，最终得到的优化解的屈服强度和相应的材料之间并不会出现对应的关系，因而这一方法只可以提出一种可供选择的材料参考方法。

3 利用汽车综合平衡法优化汽车前端目标

关于优化四变量和三水平，如汽车前端行人下肢保护性能与 RCAR正面 40%低速碰撞等情况，通过多目标优化可以对综合平衡法实现综合利用。

3.1 利用平均效应选择优化方案

A代表了小腿支撑件材料的屈服强度，其中 A1、A2和 A3分别表示者不同水平，并且保险杠衡量材料屈服强度的关键，三个水平分表示方式为： B1、B2、B3；泡沫吸能盒的材料屈服强度水平代表数字分别是 C1、C2、 C3，D1、D2、D3分别代表了纵梁前端吸能盒材料的屈服强度水平，通过正交试验结果最终可以通过下表 1实行相应的表示。

将 k1、k2、k3分别代表各个水平某目标值的平均效应，均效应最大值和最小值的差以及变量同某目标值的极差，将极差值当做具体的依据，确定试验变量影响目标值程度，各个变量对应目标值的平均效应是有着一定的对应关系的。

求解各个试验变量目标值的平均响应值后，将平均响应值的每个目标值对应变量为依据得出最优方案，优化后得出的方案一共有四种，且各个方案之间是完全不同的。

3.2 综合平衡法前提下的汽车前端目标表2 综合平衡的最终优化结果优化

依据极差值的差异，确定试验变量，依据目标值的重要陈低估，在具体优化过程中首先

小腿支撑件材料屈服强 保险杠横梁材料屈服强 泡沫吸能盒的材料屈服 纵梁前端吸能盒的材料

考虑极差较大的因素。综合平衡法要对每一个试验变量指标影响实行综合考虑，在极差分析和实际情况中得到最为合适的优化方案。小腿支撑件材料屈服强度对各个不同指标产生的影响，对胫骨加速度、膝关节弯曲度、

首个触侵入量实行相应的优化方案 A3实现结合，此外膝关节剪切位移的平均效应为 3.63，该值显著低于 6，满足了指标值。因此，综合考虑并选取小腿支撑件材料的屈服度强度为 A3。

关于保险杠横梁材料屈服强度影响指标的性能关系，考虑胫骨加速度、膝关节弯曲角度等相关内容，其中的 B2方案是最合适的，针对膝关节剪切位移和第一接触点侵入量实施相应的观察可以得出方案 B1的优化是最为合适的。且可以得知膝关节剪切位移水平居于第二的位置，在各种影响因素是非常重要的，相比较胫骨加速度、膝关节弯曲角度等方面的极差水平来看分别居于第二和第三的位置，就膝关节剪切位移的强大性能来看，各个极差值存之间的差别并不是特别大，每个因素出现的变化都会严重影响目标值，对此，实施综合考虑后选取 B1作为保险杠材料是最优方案。

泡沫吸能盒材料屈服强度影响各个指标的性能，针对胫骨加速度、膝关节弯曲角度和膝关节剪切位移的优化方案可以选择 C2，对于首个接触点的侵入量优化方案可以选择 C1，泡沫吸能盒材料屈服强度在首次接触点侵入量极差处于最后的影响度，这一情况导致的影响是比较小的，实行综合考虑后选择 C2作为泡沫吸能盒是最优方案。[7]

纵梁前端的吸能盒材料屈服强度影响指标产生的情况，纵梁前端吸能盒材料强度出现首个接触侵入量极差存在第一的情况，它是重要的影响因素，并且对胫骨的加速度极差水平排在第三，造成膝关节的弯曲角度极差是第四位，对于膝关节的剪切位移极差水平是第三，这些都是不太重要的影响因素，综合考虑选取 D3是最优方案。在各种因素对各种指标的影响综合分析，最终得出了整体优化参数。

3.3 最终的仿真优化结果

目标值，优化结果可以通过下表 3显示。

从上表得知，综合平衡法实行优化后最后的结果需要排除胫骨加速度峰值性能可能会出现的下降情况，其他性能都有可能会出现提升现象，在第一接触点侵入量降低到 210mm的情况下，提升了 RCAR正面 40%低速碰撞的维修性能。

4 基于综合平衡法的汽车前端优化

依据极差大小对试验变量的目标值重要性来实现确定，在具体的优化过程中，首先对极差比较大的因素实现考虑，并且综合平衡阀对需要每个试验变量针对每一个指标的影响来实现综合性的考虑，同时还要依据极差分析和实际情况对综合选择优化方案。

小腿支撑件材料屈服的轻度对各个指标造成的影响，针对胫骨加速度和膝关节的弯曲角度以及首次接触点来优化需要选择的方案是 A3，同时对膝关节剪切位移而言，需要选择 A3。膝关节的剪切唯一平均效应是 3.63，该值小于 6，并且对指标值实现了满足，因此需要考虑选择小腿支撑件材料屈服强度水平是 A3。

对于胫骨加速度和膝关节的弯曲角度来看，最优方案要选择 B2，膝关节的剪切位移以及第一接触点的侵入量来看，优化方案是 B1.对于膝关节的剪切位移极差水平来看是第二，是比较重要的影响因素，对于胫骨的加速度和膝关节的弯曲极差水平分别排在第二和第三，并且针对膝关节的剪切位移性能而言，各个极差值并不会相差太大，每一个因素的变化针对目标值的影响都比较大，在综合考虑的基础上需要选择 B1作为保险扛衡量的最优方案。

5 小结

文章对行人双腿保护性能和 RCAR正面 40%低速碰撞性能中的汽车保险杠实施了多个目标优化分析，在保险杠的优化过程中使用了响应面法和综合平衡法。希望可以提升保险杠的安全性能。

参考文献：

[1]张敏，孙玲，辛勇 .汽车后保险杠注塑模针阀式浇注系统优化设计及比较分析 [J].塑料科技，2014，12：94-97.

[2]孔茗，芮延年，许戴铭 .基于软件汽车保险杠整体式热流道优化设计 [J].塑料科技，2015，06：71-74.

[3]曾宪中，章桐 .基于序列二次规划法对汽车保险杠系统关于行人小腿保护的优化设计研究 [J].中国科技信息，2009，17：141-142+171.

[4]李乐新，滕科，黄河 .基于行人下腿部与汽车保险杠的碰撞研究及优化设计 [J].机械设计与制造，2012，02：56-58.

[5]朱晓克，徐彬 .基于 Moldflow分析的汽车前保险杠注塑模浇注系统优化设计 [J].机械制造，2015，09：76-79.

[6]白俊峰，任鹏飞，谢书港，孟宪明 .基于材料匹配的汽车保险杠多目标优化 [J].大连理工大学学报，2014，04：424-432.

[7]赖家财 .一种新的汽车保险杠喷涂套色工艺的优化设计 [J].企业科技与发展，2014， 16：24-25.