吸能导向抗撞结构的主从关联耐撞性拓扑优化方法

发布时间：2020-07-24 15:37

【摘要】：以往的抗撞结构设计只需满足安全性指标,虽然它既要碰撞最大加速度小又要结构最大变形量小,但可行域有交集。随着安全法规的完善,新增了导向性指标,但导向性要求抗撞结构有极高刚度,使同时满足碰撞加速度小(吸能指标)与导向性能好(导向指标)的刚度可行域为空集,导致现有单层规划优化方法已经无法解决抗撞结构吸能与导向兼顾难题。本文研究抗撞结构吸能与导向之间存在的主从关联特性后,分别确定吸能与导向性的定量评价指标,对两者主从关系进行界定并建立了主从关联优化模型。针对吸能导向优化问题求解进行分析可知,从数值优化角度无法解决吸能与导向主从关联优化问题。基于此,本文结合耐撞性拓扑优化方法和抗撞结构主从关联优化模型,通过创新性地引入导向刚度补偿方法,提出了一种主从关联耐撞性拓扑优化方法,并作出详细的阐述。该方法解决了抗撞结构同时满足吸能与导向性要求的可行域为空集时的拓扑优化问题,将有效解决具有主从关联特性的吸能导向抗撞结构优化设计问题。为了验证方法的可行性,文章通过两个工程实际问题进行了方法的论述及验证:一方面,针对车辆在小偏置导向与正面碰撞吸能难以兼顾难题,以纯电动汽车为例,对车头抗撞结构开展主从关联耐撞性拓扑优化及有限元仿真分析来验证方法的适用性。通过仿真结果进行定性和定量分析,得出:车辆能够在25%小偏置碰撞中有优越的导向性且在100%正面碰撞中吸能效果良好,对提升汽车被动安全防护性能意义深远。另一方面,面对亟待解决的乘用车追尾碰撞安全性问题,在研究了乘用车-半挂车追尾碰撞相容性后,运用主从关联耐撞性拓扑优化方法对车尾后下部防护装置进行优化设计。仿真分析结果表明:优化后的结构能在正面追尾碰撞中防止乘用车下钻且吸能特性优越,具有良好的耐撞性能;此外,在小重叠率的追尾碰撞中能够使乘用车导向。优化结构有效解决不同重叠率的追尾碰撞安全性问题,保障了乘员生命安全。
【学位授予单位】：长沙理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U467.14
【图文】：

追尾碰撞,乘用车,结构耐撞性,碰撞损伤

外形：乘用车质量、刚度相比商用车太小，并且半挂车等底盘太高，几何外形也不相容。逡逑追尾碰撞中，轿车容易下钻且车头抗撞结构不能有效吸能，导致乘员舱挤压变形，乘员逡逑生命安全严重受威胁（如图１．１所示）。逡逑ａ）乘用车追尾货车邋ｂ）乘用车追尾商用车逡逑图１．１乘用车追尾碰撞逡逑针对追尾碰撞安全性，尽管许多学者在乘员碰撞损伤［６Ｓ—７火乘用车结构耐撞性［？７６］逡逑等方面进行了大量的研宄并取得了显著的成就，但是对车辆后下部防护装置（车尾抗撞逡逑结构）的研究也是一个不容忽视的重点。要改善追尾碰撞相容性，质量因素是难以改变逡逑的，而刚度、几何外形是相对容易改善的。半挂车等车辆的后下部防护装置是保护乘用逡逑车安全的结构设施，通过研宄后下部防护装置的结构外形及刚度特性，解决两车几何外逡逑形、刚度不相容难题，能够有效提高追尾碰撞的相容性。逡逑现阶段，包括货车、商用车、半挂车等在内的车辆后下部防护装置的安装主要存在逡逑一些问题［７７１：仍然有少数车辆并未执行标准规定去安装后下部防护装置；后下部防护装逡逑置刚度过低

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糟糕的追尾碰撞安全性需要改善。与此同时，更严重的是：在小重叠率追尾事故中逡逑造成的损伤往往更大。小重叠率下的追尾碰撞使得乘用车与下后部防护装置的接触面更逡逑小，碰撞力传递路径更少，造成的乘用车碰撞损伤严重（如图１．２所示）。逡逑由此可见，小重叠率下的追尾碰撞安全性问题亟待解决。逡逑１．３主要研究内容逡逑本论文的研究课题受到国家自然科学

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以往的抗撞结构设计只需满足安全性指标，虽然它既要求碰撞最大加速度小又要结逡逑构最大变形量小，但可行域有交集。抗撞结构在刚度设计中能够同时协调好碰撞加速度逡逑峰值最小化与结构侵入量最小化。如图２．１所示：要使碰撞最大加速度小，需要抗撞结逡逑构吸能量大，结构有足够小的刚度集弋；结构最大变形量小，要求抗撞结构需要有一定逡逑的刚度集＆。最大加速度小和结构最大变形量小两目标在结构的刚度设计上有交集，逡逑即当结构设计刚度集为（（＆0＆邋＝邋NB，时，能够同时满足两目标。具有优越吸逡逑能特性的抗撞结构要求碰撞加速度与结构变形量同步最优化，但要使碰撞加速度小和结逡逑构变形量小，两者的可行解为非空集，现有单层优化方法可以解决。逡逑图２．１刚度有交集示意图逡逑但满足碰撞加速度小需要结构具有较低的刚度集＆，该集合最大刚度为导逡逑向要求结构具有极高的刚度集尺３，该集合最小刚度为。如图２．２所示，碰撞加速逡逑度和导向在结构刚度设计域上是无交集的（／：

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