基于Pareto挖掘的白车身侧碰安全件轻量化优化设计
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撞击车辆.车辆侧碰有限元模型如图 ２ 所示.
优化问题.目前,近 似 模 型 联 合 智 能 算 法 是 解 决
此问题的主要方法.该方法通过迭代优化为设计
人员提供了大量的 非 支 配 Pa
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o 解.然 而,每 一
个 Pa
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o 解无法使所有优化 目 标 均 达 到 最 优 值,
即一个目标性能的提高会导致其他目标性能的降
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设置白车身侧碰安全性能监控位置如图 ５ 所
示.门槛梁与 B 柱 交 叉 处 Q 点 处 于 车 身 中 间 位
置,此处加速度 a 能 够 较 好 地 反 映 乘 员 所 承 受 的
冲击力,因此,将此处加速度作为车身侧碰安全性
能指标 之 一.B 柱 是 车 身 侧 围 结 构 的 关 键 承 载
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车身前端结构轻 量 化 研 究 已 引 起 人 们 的 关 注,但
有关白车身侧碰子空间结构轻量化方面的研究报
道仍然较少.
协同考虑 白 车 身 基 本 静Ｇ动 态 性 能 及 耐 撞 性
的车身结构轻量化优化设计是一个典型的多目标
图 １ 白车身有限元模型
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１ F
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响.然而,车身结 构 轻 量 化 会 直 接 影 响 车 身 的 耐
撞性能,而且白车 身 不 同 子 空 间 结 构 对 车 身 耐 撞
性能的影响也不相同.
元模型如图 １ 所示.按照文献[
１２]对白车身的约
束与加载方式设 置 所 建 有 限 元 模 型 的 边 界 条 件.
通过仿真 分 析 计 算 可 得 到 白 车 身 一 阶 扭 转 频 率
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１．
１ 白车身基本静 动态性能
使用尺寸为 ８ mm×８ mm 的 壳 单 元 对 白 车
身薄壁结构 进 行 网 格 划 分,采 用 ACM 焊 块 单 元
实现不同结构的 点 焊 连 接,所 建 立 的 白 车 身 有 限
图 ３ 车辆侧碰变形
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轻量化设计.张帅 等 [１０]基 于 白 车 身 基 本 静Ｇ动 态
性能及车身 正 碰 安 全 性 能 约 束,采 用 Kr
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o解 集 中
的最优解.建立了白车身及整车侧碰有限元模型,通过实车侧碰试 验 验 证 了 所 建 模 型 的 准 确 性.以 侧
碰安全件料厚为设计变量,综合考虑白车身弯扭刚度、振动频率等基本静Ｇ动态性能及侧碰安全性能,构
建径向基函数神经网络结合 Kr
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低,而且影响程度变化不一,设计人员基于主观偏
好选取的 Pa
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o 解难以达到 整 体 最 佳 优 化 效 果,
尤其是 对 于 高 维 多 目 标 优 化 (优 化 目 标 多 于 三
个),因此,如何系统客观 地 挖 掘 Pa
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o最 优 解 值
得研究.
本文以 白 车 身 侧 碰 安 全 件 为 轻 量 化 研 究 对
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使用 LS
ＧDYNA 软件对车辆侧碰有限元模型
进行 仿 真 分 析,车 辆 整 体 变 形 如 图 ３ 所 示.为 检
测仿真分析的合 理 性,提 取 碰 撞 过 程 的 能 量 转 换
曲线,如图 ４ 所示,可以看出,动能曲线平滑降低,
车辆 侧 围 结 构 变 形 吸 能,内 能 增 加,总 能 量 守 恒,
身零件料厚使用序列线性规划方法进行非线性优
化.上述研究仅考虑了白车身轻量化对其弯扭刚
度 及 一 弯 一 扭 模 态 频 率 等 基 本 静Ｇ动 态 性 能 的 影
Copyright©博看网. All Rights Reserved.
基于 Pa
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o 挖掘的白车身侧碰安全件轻量化优化设计———王登峰 李慎华
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Copyright©博看网. All Rights Reserved.
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中国机械工程 第 ３２ 卷 第 １３ 期 ２０２１ 年 ７ 月上半月
图 ４ 能量转换曲线
图 ６ 加速度对比
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沙漏能占总 能 量 的 １．
２６％ ,小 于 所 规 定 ５％ 的 要
求,这表明仿真分析结果稳定可靠.
用于挖掘 Pa
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o 最 优 解. 通 过 多 目 标 优 化 和 基
于熵权灰色关联 分 析 的 多 目 标 决 策 两 步 策 略,最
终确定了白车身侧碰安全件的最佳料厚匹配.
１ 车身性能有限元分析及侧碰试验验证
件,其中 B 柱 A 、
B、
C、
D 点分别对应驾驶员的
头、胸、腹、盆骨,因此,将 B 柱 四 点 处 的 最 大 侵 入
量(
DA 、
DB 、
DC 、
DD )也 作 为 车 身 侧 碰 安 全 性 能
(
a)实车试验
指标.车辆侧碰仿真分析后提取侧碰安全性能指
标值,并设为初始值.
(
b)仿真分析
图 ７ 侧围结构变形模式
车身轻量化的三种途径
.由于成本限制,尤其
[
１
Ｇ
３]
是对于经济性车 辆,轻 质 材 料 及 先 进 制 造 工 艺 目
前难以得到广泛应用,因此,结构优化仍是实现车
身轻量化的最常用技术
.
[
４
Ｇ
５]
基金项目:国家自然科学基金(
５１９７５２４４)
１５８４
件料厚进行了多 目 标 优 化,取 得 了 较 好 的 轻 量 化
中图分类号:
U４６３．
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DOI１０．
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为提高轻量化效率同时考虑轻量化对车身耐
撞性的影响,WANG 等 提出了车身模块化轻量
化设计思路,利用 SFEＧCONCEPT 软件建立白车
[
９]
ft、一阶 弯 曲 频 率 fb、扭 转 刚 度kt 及 弯 曲 刚 度kb
四项基本静Ｇ动态性能参数,并设为初始值.
身耦合模型,对白 车 身 前 端 结 构 进 行 了 耐 撞 性 及
陈鑫等 [１１]使用径向 基 函 数 神 经 网 络 (
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合混合多目标优化算法对白车身前端结构进行了
多目标优化,在满 足 正 碰 安 全 性 能 的 要 求 下 实 现
了结构轻量 化.近 几 年,考 虑 正 碰 安 全 性 能 的 白
中 国 机 械 工 程
第 ３２ 卷 第 １３ 期
２０２１ 年 ７ 月
优化问题.目前,近 似 模 型 联 合 智 能 算 法 是 解 决
此问题的主要方法.该方法通过迭代优化为设计
人员提供了大量的 非 支 配 Pa
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o 解.然 而,每 一
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置,此处加速度 a 能 够 较 好 地 反 映 乘 员 所 承 受 的
冲击力,因此,将此处加速度作为车身侧碰安全性
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车身前端结构轻 量 化 研 究 已 引 起 人 们 的 关 注,但
有关白车身侧碰子空间结构轻量化方面的研究报
道仍然较少.
协同考虑 白 车 身 基 本 静Ｇ动 态 性 能 及 耐 撞 性
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图 １ 白车身有限元模型
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响.然而,车身结 构 轻 量 化 会 直 接 影 响 车 身 的 耐
撞性能,而且白车 身 不 同 子 空 间 结 构 对 车 身 耐 撞
性能的影响也不相同.
元模型如图 １ 所示.按照文献[
１２]对白车身的约
束与加载方式设 置 所 建 有 限 元 模 型 的 边 界 条 件.
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１ 白车身基本静 动态性能
使用尺寸为 ８ mm×８ mm 的 壳 单 元 对 白 车
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图 ３ 车辆侧碰变形
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性能及车身 正 碰 安 全 性 能 约 束,采 用 Kr
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个),因此,如何系统客观 地 挖 掘 Pa
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曲线,如图 ４ 所示,可以看出,动能曲线平滑降低,
车辆 侧 围 结 构 变 形 吸 能,内 能 增 加,总 能 量 守 恒,
身零件料厚使用序列线性规划方法进行非线性优
化.上述研究仅考虑了白车身轻量化对其弯扭刚
度 及 一 弯 一 扭 模 态 频 率 等 基 本 静Ｇ动 态 性 能 的 影
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中国机械工程 第 ３２ 卷 第 １３ 期 ２０２１ 年 ７ 月上半月
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求,这表明仿真分析结果稳定可靠.
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o 最 优 解. 通 过 多 目 标 优 化 和 基
于熵权灰色关联 分 析 的 多 目 标 决 策 两 步 策 略,最
终确定了白车身侧碰安全件的最佳料厚匹配.
１ 车身性能有限元分析及侧碰试验验证
件,其中 B 柱 A 、
B、
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D 点分别对应驾驶员的
头、胸、腹、盆骨,因此,将 B 柱 四 点 处 的 最 大 侵 入
量(
DA 、
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(
a)实车试验
指标.车辆侧碰仿真分析后提取侧碰安全性能指
标值,并设为初始值.
(
b)仿真分析
图 ７ 侧围结构变形模式
车身轻量化的三种途径
.由于成本限制,尤其
[
１
Ｇ
３]
是对于经济性车 辆,轻 质 材 料 及 先 进 制 造 工 艺 目
前难以得到广泛应用,因此,结构优化仍是实现车
身轻量化的最常用技术
.
[
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５]
基金项目:国家自然科学基金(
５１９７５２４４)
１５８４
件料厚进行了多 目 标 优 化,取 得 了 较 好 的 轻 量 化
中图分类号:
U４６３．
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为提高轻量化效率同时考虑轻量化对车身耐
撞性的影响,WANG 等 提出了车身模块化轻量
化设计思路,利用 SFEＧCONCEPT 软件建立白车
[
９]
ft、一阶 弯 曲 频 率 fb、扭 转 刚 度kt 及 弯 曲 刚 度kb
四项基本静Ｇ动态性能参数,并设为初始值.
身耦合模型,对白 车 身 前 端 结 构 进 行 了 耐 撞 性 及
陈鑫等 [１１]使用径向 基 函 数 神 经 网 络 (
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rks,RBFNN)近 似 模 型 联
合混合多目标优化算法对白车身前端结构进行了
多目标优化,在满 足 正 碰 安 全 性 能 的 要 求 下 实 现
了结构轻量 化.近 几 年,考 虑 正 碰 安 全 性 能 的 白
中 国 机 械 工 程
第 ３２ 卷 第 １３ 期
２０２１ 年 ７ 月