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2004 年 MSC.Software 中国用户论文集 基于耐撞性的汽车车身结构优化设计研究 王海亮 林忠钦 泛亚汽车技术中心有限公司 上海交通大学机械与动力工程学院 1 2004 年 MSC.Software 中国用户论文集 基于耐撞性的汽车车身结构优化设计研究 王海亮 林忠钦 （泛亚汽车技术中心有限公司） （上海交通大学机械与动力工程学院） 摘 要:本文建立了汽车车身薄壁构件的结构耐撞性优化模型，通过试验设计获得优化目标的响应特 性，建立响应面模型，并应用Pareto 遗传算法进行结构耐撞性的优化设计。通过优化设计，研究了结 构参数及焊点布置对耐撞性的影响 关键词：车身；耐撞性；优化设计 1 前言 提高汽车的安全性成为目前国际汽车业的主要研究课题之一。车身在汽车被动安全性上发挥了重 大作用。经由点焊连接而成的薄壁构件是汽车车身的主要承载和吸能结构。在汽车发生碰撞时，绝大 多数碰撞能量被车身薄壁结构通过压溃变形所吸收。通过碰撞试验和计算机数值仿真对于提高车身耐 撞性有着积极作用。近年来对车身耐撞性的优化设计成为研究热点。 由于数值碰撞分析的本质，碰撞结构的优化设计是一个非常困难的问题。碰撞分析的不稳定性和 不确定性使得仿真过程须经过几次反复才能获得一个满意的结果，阻碍了优化程序与分析过程的集成。 此外，由于摩擦和接触的存在使得响应函数的导数绝大多数是非常不连续的，响应以及灵敏度会变得 高度非线性，以至于梯度无法反映总体情况。因此，借助于全局近似方法——响应面法对设计响应进 行平顺不失为一种理想的解决方法。 本文通过建立典型薄壁构件的优化模型，以 HyperMesh 作为前后处理工具，LS-DYNA 作为计算 核心，对其耐撞性能进行仿真分析。运用中心组合设计技术，通过在设计空间内仔细选择少量的样本 得到设计的响应特性，建立设计目标的响应面模型，然后利用 Pareto 遗传算法对响应面模型方程进行 多目标优化求解。 文中以耐撞指数即单位质量结构吸收的碰撞能量、最大碰撞力、平均碰撞力等作为耐撞性优化设 计评价的基本指标，通过对薄壁构件的优化设计，研究了结构参数和焊点布置对耐撞性的影响。 2 碰撞分析模型的建立 2 2004 年 MSC.Software 中国用户论文集 2.1 有限元模型 焊点 图1 闭口帽型结构的几何模型 图2 闭口帽型结构的有限元模型 如图1 所示为考虑焊点的闭口帽型结构的几何模型，其长度为300mm，梁板和腹板通过均布的焊 点连接，梁板在弯折处存在圆角。图2 为闭口帽型结构的有限元模型。材料为普通低碳钢，约束底面 节点的所有平动自由度和转动自由度。单元采用Belytschko-Tsay 薄壳单元，该单元采用面内单点积分， 计算速度快，但存在沙漏变形，由于焊点约束作为节点力施加，使得焊点附近的单元沙漏变形更为明 显，因此必须进行沙漏控制。 对于采用单点积分的单元，沙漏控制可通过增加结构体积粘性阻尼和增大弹性刚度来实施。由于 在碰撞过程中，单元变形很大，但变形速率较低，采用粘性阻尼控制不能很好的解决沙漏问题，而采 用弹性刚度控制则能较好地控制沙漏模态，但应注意弹性刚度系数不能超过0.15 。 沙漏的出现会导致结果无效，应尽量避免和减小。如果总的沙漏能大于模型内能的 10％，这个分 析就有可能是失败的。 闭口帽型结构在碰撞过程中涉及到三个接触－碰撞界面：刚性墙与闭口帽型结构的接触；梁板与 腹板间的接触；梁板与腹板的压溃变形达到一定程度时，各自发生的自接触。以上接触均采用自动单 面接触来处理。 2.2 焊点的模拟