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汽车用铝合金吸能盒结构优化设计摘要：提出将近似模型技术和数值优化方法引入到汽车用吸能盒的耐撞性优化设计中成功设计了一款铝合金吸能盒在确保碰撞性能的同时尽可能地减轻了重量。对某乘用车钢制吸能盒进行了碰撞仿真分析确定评价吸能盒碰撞性能的关键参数。以钢制吸能盒为基础进行铝合金材料替换对比分析多个截面形状的铝合金管件得到符合要求的铝合金吸能盒截面形状。采用近似模型优化方法以铝合金吸能盒边长、厚度和材料屈服强度为设计变量进行优化设计。根据优化结果试制铝合金吸能盒通过静压试验验证了铝合金吸能盒在实现减重58%的同时进一步提高了强度性能。关键词：吸能盒；碰撞性能；铝合金；近似模型优化中图分类号：U463文献标文献标识码：A文献标DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2013.01.03汽车轻量化是解决汽车油耗和排放问题的有效手段。开发铝质汽车零部件是汽车轻量化的重要途径之一。研究表明典型的铝质零部件一次减重效果可达30%～40%二次减重则可提高到50%[1]汽车每减重10%可实现节油3%～6%。吸能盒是影响汽车低速碰撞安全性能的关键部件通过优化设计使其在实现减重的同时仍满足碰撞要求具有重要的工程实用价值。近年来借助有限元工具对汽车结构进行碰撞分析已日趋深入但传统的仿真方法直接运用于碰撞优化仍有较大难度。为寻求更高效可行的优化方法许多学者做了大量研究。文献[2]采用ABAQUS对一种薄壁结构的轴向冲击过程进行仿真并结合径向基函数根据耐撞性指标优化了这种吸能结构的截面得到了较为理想的结构形式。文献[3]以吸能盒为研究对象运用二次回归正交组合试验设计方法布点并结合最小二乘法构造耐撞性指标的响应面模型考虑车身板件厚度和轻量化要求采用自适应响应面法对其进行优化设计结果表明优化方法具有较高的精确性。本文在传统优化理论和仿真分析的基础上以某钢制吸能盒的碰撞性能为基准指标应用响应面优化方法对铝合金吸能盒的截面尺寸和材料参数进行了优化设计得到了较为理想的结果。1响应表面优化法响应表面法是一种将试验设计与数理统计相结合来建立经验模型的优化方法[4]采用响应表面法构造近似模型首先需确定近似模型的形式然后运用试验设计和仿真分析采集足够多样本的性能参数最后运用最小二乘法建立各响应量的近似模型。举一响应量y取决于变量x的情况其确切的函数表达式为y=f（x）用近似模型可将该确切表达式表示为式中：η（x）为f（x）的近似模型；δ为误差项；L为基函数的数目；ai为多项式系数。实际应用过程中多构造二阶多项式响应面模型其具体函数表达式为式中：j为设计变量的个数；a0aiaii和ail为待定系数常采用最小二乘法计算响应表面的系数矩阵。最后通过方差分析中的决定系数R2来验证响应表面对响应量的拟合程度。决定系数R2定义如式（3）。式中：P为设计点的个数；yi分别为响应量的实测值、响应量的预测值以及响应量实测值的平均值。R2越接近于1近似模型的拟合效果越好。运用建立的响应面选用合适的优化算法构造数学优化模型并进行寻优计算最后通过误差检验来判断最终得到的优化结果若满足精度要求则得到最优解否则返回到初始更新设计空间重新构造响应表面。2钢制吸能盒碰撞分析本文为某乘用车设计制造新的铝合金盒首先需通过碰撞仿真分析对钢制吸能盒的碰撞性能做深入研究。在HYPERMESH中建立有限元模型钢材的密度为7.8×103kg/m3弹性模量为2.1×105MPa泊松比为0.3屈服强度为344MPa以工程推荐的C、P值模拟应变速率对材料力学性能的影响。根据RCAR法规中规定的保险杠低速碰撞条件对分析工况进行等效处理[5]仿真时将配重0.5t的刚性压头加速到16km/h撞击吸能盒[6]。建立的钢制吸能盒碰撞仿真模型如图1（a）所示计算得到吸能盒的变形情况如图1（b）所示。图2所示为碰撞仿真分析得到的吸能盒碰撞力―位移曲线对曲线进行统计可知钢制吸能盒的碰撞力峰值为78.6kN最大变形量为102.7mm总吸能量为4297.5J平均碰撞力为41.8kN。碰撞力峰值Fmax表征吸能盒开始溃缩的难易程度其值越小对提高碰撞安全性能越有利；最大变形量Smax表征吸能潜力变形越小则吸能潜力越好；平均碰撞力Fave和总吸能量E表征吸能能力其值越大则吸能盒的吸能性能越好。将上述4个参数作为评价吸能盒碰撞性能的主要参数后续设计新的铝合金吸能盒时将这4个参数作为设计的基准指标。3铝合金吸能盒截面形状确定铝合金吸能盒通过挤压制造考虑其可制造性同时结合文献[7]～[8]的研究成果选