基于感知舒适度的乘用车保险杠刚度评价方法研究

樊瑶雯 王超 蔡昱丹

摘 要：本文针对保险杠感知舒适性优化问题，根据传统工程上使用CAE仿真方法及相关经验积累基础上，开发了基于感知舒适度的保险杠刚度评价方法，以某乘用车前保险杠为例，使用Tcl/Tk语言编写二次开发模型，建立了计入非弹性阶段材料性能和非弹性接触的计算模型，经LAS-DYNA软件计算得到刚度结果，再确定优化参数，并提出参数变动范围，对其进行优化。最终计算证明，结合此评价方法识别并解决保险杠刚度问题准确，迅速，效率高。

关键词：保险杠;感知舒适度;刚度;评价方法

1 前言

乘用车保险杠系统在实际工况中，由于其材料为塑料制品，与车身覆盖件通常为钣金件不同，在承受消费者按压、行驶中的低速碰撞等载荷下容易发生变形。乘用车保险杠一般尺寸大、型面不规则、安装布置不对称，工程中处理其按压偏软的问题一般难度较大 [1]。

保险杠受到外界载荷作用时，承受外力后抵抗变形及小面积塌陷、维持设计型面特征的性能称为抗凹性，这项指标对于评价保险杠结构设计质量和使用性能具有很强的指导意义[2]。

现有工程中，保险杠刚度评价大多是根据试验测定的，随着CAE仿真技术在工程开发中逐渐普及，现在使用有限元模拟技术来测定保险杠的刚度性能已经达到工程应用水平[3]。

为使CAE模拟精确度更加提高，目前保险杠刚度分析一般采用引入材料非线性、接触非线性等参数的计算模型，使其精度大幅度提升，但此时，求解器对模型的前处理的要求也更高，一旦前处理仿真度不够，则计算会出现精度偏差较大及不收敛的结果。因此，对现有技术人员的掌握CAE仿真分析保险杠刚度的能力要求较高。比如在刚度分析分析中设计接触面主次及相关单元设置、子件预接触距离多少的设置，都对分析经验要求很高。

由于保险杠系统一般在乘用车设计中，采用塑料成型后喷涂车身漆的方法实现[4]，其塑料基材一般选用PP类材料，虽然PP类材料在耐高温、耐冲击、强度、刚度等方面不如GMT或ABS类材料，但是凭借其加工成型性能好，成本低廉的优势以及合适的性能而被广泛使用[5]。

一般客户在购买车辆时认为使用按压的方法来评价汽车质量时，容易认为较软的塑料件保险杠抵御风险能力弱，导致心理舒适度降低，从而影响购车体验。

在保险杠刚度试验及CAE仿真计算中，分析人员对薄弱点的考虑一般根据个人的经验积累[6]，但由于保险杠本身不规则的型面、不均匀的厚度、不对称安装布置等，一般情况，准确选择分析点变得困难，经验无法形成知识积累，且经过多轮分析优化，刚较差的位置与之前的分析无法形成对比，为此，为补充经验的准确度，现有工程上一般选择多次计算并增多计算位置后进行比较，这种方法精度一般很难控制而且浪费了时间。

本文针对保险杠感知舒适刚度优化问题，面对保险杠刚度优化过程中安装布置及支撑结构变化的变工况问题，分析现有工程经验，开发基于感知舒适度的保险杠刚度评价全流程优化方法，通过某乘用车保险杠系统刚度优化作为算例，使用该评价方法，得到刚度性能最优的布置及支撑结构，验证了此方法解决保险杠感知舒适刚度问题的有效性，为工程实践提供了刚度分析优化的参考方法。

2 目前工程中的保险杠刚度优化方法

2.1 刚度评价指标

保险杠受到按壓或其他载荷后，一般以塑料件变形结果评价其刚度性能，在按压或碰撞时，往往会出现一个拐点，这是由于材料及布置形式的不同产生的。按压力超过这个拐点时，刚度舒适性下降严重（但材料尚未到达屈服），这种特点我们称为“塌陷节点”，见图1。

塌陷节点是刚度感知舒适度的评价的重要指标，保险杠设计中为避免塌陷节点或尽量提高塌陷节点按压力的方法常通过扩大壁厚，改变布置方式，加强支撑等方法，然后重新模拟试验最终确定最优的结构，达到保险杠设计的要求[7]。

塌陷节点计算了非线性材料在塑性变形阶段的参数，本文所使用保险杠模型中选用材料PP+EPDM-T10，如图2是其材料的应力应变曲线。

2.2 保险杠刚度优化传统方法及计算实例

本文以某乘用车保险杠系统为实例，说明刚度优化传统方法，图3所示为流程图。

本文使用CAE分析前处理软件Hypermesh，截取某乘用车模型保险杠部分，共计87815个网格，125462个节点，支架与蒙皮接触部分使用实体网格模拟，连接点的螺栓采用rbe2单元，并对周边网格细化固定。

考虑到保险杠型面、加强结构及布置的不对称性、不规则性，精确判断刚度较差点难以实现，此时首先选用7个位置（如图4标识）作为载荷点计算结果，最后对比各自刚度指标的方法。

从计算结果（图5所示）看出，点4和点6显示较明显的塌陷节点，节点后期载荷为150N上下，点5虽然没有显著的塌陷节点，此点的刚度性能却是所有结果中最差的。

根据以上分析，制定了以下方案尝试改进：

（1）在点5附近设计一处支架以提高此处的支撑。

（2）将点4和点6附近的局部壁厚适当增加。

改进方案后计算，依然选用此7个载荷位置计算，刚度性能如图6所示。

改进的模型计算结果显示点5的刚度指标大大优化，且只有点2显示塌陷节点，但此塌陷节点提高到250N，因此确定此改进方案有效。

以上介绍的传统保险杠刚度舒适性评价方法面对实际设计过程的优化问题是有效的，但是这种方法依然在精度和效率上存在不足：

（1）建立分析模型的过程步骤复杂，设置网格细化、主从面、分析步等参数在每次计算前都要重复，若遗漏设置或设置不一致则将出现错误。

（2）选择按压点只能根据工程经验判断，为弥补不足，只能多次选点重复计算并比较结果，造成工作效率下降。

（3）改进结构后，实际薄弱位置变化，原来选取的载荷位点与真实薄弱点发生变化，计算结果可能出现误判。

3 改进的保险杠刚度分析评价方法

3.1 基于Tcl＼Tk语言的二次开发

本文采用的CAE建模软件Hypermesh支持运行Tcl/Tk语言进行二次开发。这种语言直接面向对象，并基于解释命令，且其完全开放脚本，最初是John Ousterhout开发，这种语言通过调用其核心命令集实现程序简化，通过自定义的过程和调用，方便开发者编制更加界面友好的函数框架，它对字符串和数组等数据结构也具有一定的支持[8]，对于初学者而言较C/C++等语言较易上手。

基于前文传统保险杠刚度分析的流程，确立分析模型中用于可调整的参数可以设定三步：

①调整载荷面的法向使其与加载力朝向相对以免接触参数错误。

②调整布置形式并确定可变范围，通过编制的脚本调用生成相应的布置边界条件。

③框选载荷面单元及载荷节点。

利用以上总结，快速建立使用Tcl/Tk语言编制二次开发程序进行保险杠刚度优化的模型，开发人员仅用三步填写相关参数，第四步点击后，二次开发的程序即可完成保险杠刚度分析模型的前处理工作，见图7。

3.2 优化问题的数学模型

面对刚度优化问题，先将工程问题进行归纳，确定数学模型，明确约束条件，通过最优准则确定边界条件，以数学方法求得最优解的方法即为最优化问题。[9]

最优化问题的数学模型如下：

其中，x∈（x1，x2，…xn）TI∈Rn，f： Rn→R，ci：Rn→R，（i=1，2，…，m）

x为优化的设计变量，f（x）为目标函数，st.为约束条件，ci（x）为约束函数，ci（x） =0为等式约束，ci（x）≥0为不等式约束。

3.3 改进的保险杠感知舒适刚度优化分析方法

利用2.1介绍的快速建模脚本，经过适当简化，可以实现在具体案例中的无交互操作，即实现了自动化建模，在此基础上通过定制优化参数，开发保险杠感知舒适刚度优化分析方法。

分析后制定具体流程如下：

（1）构建原始CAE分析模型，可以按照工程经验适当简化，如将卡扣连接变为硬连接等。

（2）编制二次开发程序，对该保险杠模型加载面力并导出可计算模型。

（3）连接计算软件计算结果并将位移最大的位置存入结果文件中。

（4）编制二次开发程序，使用原始CAE分析模型，使用步骤3的结果文件在薄弱点生成刚度计算模型。

（5）再次链接计算软件计算得到结果并存入结果文件。

（6）调整参数范围，对原始CAE计算模型进行工况变动，生成与原始模型结构变化的计算模型。

（7）回到第1步的内容重新计算，生成各参数对应的优化结果，分析后确定最优化的布置及加强结构。

4 改进的保险杠刚度分析评价方法应用实践

本文为将保险杠感知舒适刚度分析优化评价方法与传统方法进行对比，仍然采用某乘用车保险杠系统为例，进行可变工况的保险杠刚度优化分析全流程实现。

4.1 优化问题定义

根据以上传统方法计算结果，保险杠系统可能出现塌陷节点的最小载荷约为150N，因此以此加载力下保险杠刚度变形最小为优化目标，采用保险杠侧向的两种安装点位置和4个加强结构的Y向坐标及设计的Z向10种布置安装紧固形式为优化变量。

使用Isight优化软件，将改进的优化分析方法的整合，变量参数的选择使用DOE拉丁方试验法采点，形成最终结果数据，见表1。

其中安装点及加强点位置参数应在设计可实现的区间内选择，安装紧固形式1-10分别代表一种安装形式。

循环计算220次后，选择最优结果对应的结构布置形式如图8所示。

经过优化，该保险杠刚度分析其薄弱点由优化前的14.736mm降为6.264mm，与传统优化方法相比，薄弱点的刚度性能提高了约12%。

经过刚度舒适度优化后确定的结构设计，制造成型的保险杠如下图9所示。该车型上市后，收到了售后问题中关于保险杠刚度按压的问题显著减少。

5 结论

（1）面对保险杠系统感知舒适刚度CAE分析中模型建立低效的难题，使用Tcl＼Tk语言编制了脚本提高建模效率，工程实践中使此二次开发程序进行建模的过程去除了重复步骤，提高了工作效率。

（2）感知舒适度刚度优化时，安装点形式及加强位置后变动后，剛度较差点位置也随之发生移动，针对这个问题，本文研究并开发了刚度感知舒适度分析的优化方法，使用二次开发的建模程序和Isight整合调用各软件，使用该方法优化后可以得到刚度性能最优的保险杠结构布置形式，为工程实践中保险杠感知舒适刚度问题提供了一种快速高效的解决方法。

参考文献：

[1]马天飞，李瑞强，付赫涛，满镇，柳志芳.某乘用车后保险杠刚度强度仿真与试验研究[J].重庆理工大学学报（自然科学），2018，32（5）：12-13

[2]张毅，李东升，周贤宾.双曲扁壳覆盖件静态抗凹性数值模拟研究[J].塑性工程学报，2003（ 6）：34- 37.

[3]张彦，来新民，朱平，梁新华.基于抗凹性准则的轿车保险杠轻量化设计及耐撞性分析[J].INFATS，2004，3：200-202.

[4]赵勇.新型复合材料在保险杠缓冲梁中的应用[J].上海汽车，2010（1）：41-44.

[5]甘志常.汽车仪表板技术分析[J].汽车与配件，2018（23）：71-73.

[6]王镇江，何造，林广谊，等.汽车塑料保险杠蒙皮多目标拓扑优化.塑性工程学报，2018，（1）：269-271.

[7]张志飞，李勋，徐中明，贺岩松.面向行人下肢保护的汽车前端结构刚度优化设计[J].汽车安全与节能学报，2015 （6） 2：139-144.

[8]王道义，乔陶鹏，等.Tcl/Tk 组合教程（第2 版）[M].北京：电子工业出版社，2001（2）.

[9]李响，李为吉.复杂工程系统优化设计面临的问题及解决办法.机械工程学报，2006，（42）：6.