純電動(dòng)汽車正面抗撞結(jié)構(gòu)耐撞性拓?fù)鋬?yōu)化方法

純電動(dòng)汽車正面抗撞結(jié)構(gòu)耐撞性拓?fù)鋬?yōu)化方法黃敏;雷正保;孫漢正;陳小勇【摘要】為了解決純電動(dòng)汽車正面碰撞安全性差的問(wèn)題,文章提出了一種綜合考慮5種典型碰撞工況下整車優(yōu)化區(qū)域以及動(dòng)力電池布置分析的多目標(biāo)耐撞性拓?fù)鋬?yōu)化方法基于混合元胞自動(dòng)機(jī)(hybridcellularau-tomata,HCA)算法，耐撞性拓?fù)鋬?yōu)化以單元相對(duì)密度為設(shè)計(jì)變量、結(jié)構(gòu)內(nèi)能密度分布統(tǒng)一為目標(biāo),運(yùn)用固體各向同性微結(jié)構(gòu)材料懲罰模型(solidisotropicmaterialwithpenalizationmodel,SIMP)下的變密度法進(jìn)行材料分布;迭代收斂后,最終得到了傳力路徑優(yōu)越、構(gòu)型明朗清晰的耐撞性車身結(jié)構(gòu),同時(shí)得到符合整車性能要求的吸能縱梁形狀.對(duì)優(yōu)化后的整車模型進(jìn)行的耐撞性驗(yàn)證表明,該優(yōu)化結(jié)構(gòu)讓碰撞加速度與結(jié)構(gòu)變形量同步最優(yōu)化,大大增加了純電動(dòng)汽車正面碰撞的安全性,優(yōu)化出的抗撞結(jié)構(gòu)為純電動(dòng)汽車正面耐撞性設(shè)計(jì)提供了一定的參考.期刊名稱】《合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)》年(卷),期】2019(042)001【總頁(yè)數(shù)】6頁(yè)(P7-12)【關(guān)鍵詞】拓?fù)鋬?yōu)化;純電動(dòng)汽車;耐撞性;傳力路徑;抗撞結(jié)構(gòu)【作者】黃敏;雷正保;孫漢正;陳小勇【作者單位】長(zhǎng)沙理工大學(xué)汽車與機(jī)械工程學(xué)院,湖南長(zhǎng)沙410114;長(zhǎng)沙理工大學(xué)汽車與機(jī)械工程學(xué)院,湖南長(zhǎng)沙410114;長(zhǎng)沙理工大學(xué)汽車與機(jī)械工程學(xué)院,湖南長(zhǎng)沙410114;長(zhǎng)沙理工大學(xué)汽車與機(jī)械工程學(xué)院,湖南長(zhǎng)沙410114【正文語(yǔ)種】中文【中圖分類】U469.722純電動(dòng)汽車在整車結(jié)構(gòu)布置、質(zhì)量分布、動(dòng)力儲(chǔ)能系統(tǒng)方面與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車有著很大差異,使得純電動(dòng)汽車碰撞的安全性設(shè)計(jì)成為一個(gè)難點(diǎn)［1-2］。吸能縱梁是汽車車身結(jié)構(gòu)的主要承載和碰撞安全防護(hù)部件,對(duì)縱梁形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)是改善正面碰撞結(jié)構(gòu)耐撞性、降低碰撞損傷的關(guān)鍵。因此,為提升純電動(dòng)汽車正面碰撞安全性,對(duì)純電動(dòng)汽車縱梁優(yōu)化顯得尤為重要?？v梁是車頭抗撞結(jié)構(gòu)的主要組成部件,以往的縱梁設(shè)計(jì)都是在結(jié)構(gòu)拓?fù)錁?gòu)型已知的基礎(chǔ)上進(jìn)行尺寸優(yōu)化［3-5］。雖然這類縱梁優(yōu)化方法能夠?qū)崿F(xiàn)性能的改善,但其設(shè)計(jì)思路不僅耗費(fèi)大量人力、物力,而且優(yōu)化的范圍也非常有限。耐撞性拓?fù)鋬?yōu)化是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中常見(jiàn)的一種優(yōu)化方法,被廣泛運(yùn)用于結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)階段，能夠在給定的設(shè)計(jì)區(qū)域獲得最佳的材料分布形式,同時(shí)材料利用率高效。其優(yōu)化結(jié)構(gòu)在碰撞過(guò)程中具有最優(yōu)傳力路徑的分配,且吸能最大?，F(xiàn)代汽車工程師認(rèn)為,應(yīng)該在汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的初始階段引入拓?fù)鋬?yōu)化理論,而不是僅憑經(jīng)驗(yàn)來(lái)設(shè)計(jì)或改造結(jié)構(gòu)［6-8］。國(guó)外學(xué)者對(duì)于耐撞性拓?fù)鋬?yōu)化理論做了大量的研究。文獻(xiàn)［9］對(duì)變密度法材料插值模型進(jìn)行了深入研究,從理論上分析闡述了各種不同變密度法的材料插值模型;文獻(xiàn)［10］對(duì)固體各向同性微結(jié)構(gòu)材料懲罰模型(solidisotropicmaterialwithpenalizationmodel,SIMP)法的理論收斂性進(jìn)行了相關(guān)研究;文獻(xiàn)［11］運(yùn)用混合元胞自動(dòng)機(jī)(hybridcellularautomata,HCA)算法對(duì)抗撞結(jié)構(gòu)進(jìn)行了耐撞性拓?fù)鋬?yōu)化。近年來(lái),國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)耐撞性拓?fù)鋬?yōu)化的研究也已逐漸展開(kāi)［12-13］,并運(yùn)用在車身門檻［14］、純電動(dòng)汽車頭部［15］、吸能前縱梁［16-17］等車身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化上。以上拓?fù)鋬?yōu)化的運(yùn)用都得到了耐撞性能優(yōu)越的抗撞結(jié)構(gòu),但是都是對(duì)車身局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行單獨(dú)優(yōu)化,其研究出來(lái)的結(jié)構(gòu)沒(méi)有綜合整車碰撞實(shí)際的傳力路徑來(lái)具體分析考慮。局部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化構(gòu)型在整車碰撞中所體現(xiàn)出的耐撞性能未必在最優(yōu)解集內(nèi)。整車結(jié)構(gòu)的傳力會(huì)影響局部?jī)?yōu)化出的最優(yōu)結(jié)果,而對(duì)整車進(jìn)行整體耐撞性拓?fù)鋬?yōu)化則能避免這一缺陷。通過(guò)對(duì)純電動(dòng)汽車整車進(jìn)行耐撞性拓?fù)鋬?yōu)化,可以使純電動(dòng)汽車正面抗撞結(jié)構(gòu)在考慮整車傳力路徑的情況下進(jìn)行形狀優(yōu)化，以此得到的結(jié)合整車結(jié)構(gòu)碰撞的真實(shí)傳力路徑考慮的耐撞結(jié)構(gòu)形狀,將有效提高純電動(dòng)汽車的正面碰撞安全性。本文通過(guò)建立純電動(dòng)汽車拓?fù)錁?gòu)型,權(quán)衡多種碰撞工況開(kāi)展多目標(biāo)耐撞性拓?fù)鋬?yōu)化研究,分析結(jié)果可為純電動(dòng)汽車耐撞性設(shè)計(jì)提供一種新的思路。拓?fù)鋬?yōu)化理論基礎(chǔ)HCA算法本文研究的耐撞性拓?fù)鋬?yōu)化方法是基于一種自動(dòng)處理網(wǎng)格的HCA算法。通過(guò)引入相鄰單元計(jì)算網(wǎng)格信息，能夠有效地處理碰撞類非線性拓?fù)鋬?yōu)化問(wèn)題。HCA算法具有離散模型特性，其中,CA是由規(guī)則的元胞網(wǎng)格組成的離散計(jì)算模型。本文采用應(yīng)變能密度U(單位體積內(nèi)由于變形能所積蓄的應(yīng)變能)作為場(chǎng)變量。CA元胞單元的應(yīng)變能密度信息只由該單元和鄰近單元的狀態(tài)所決定,其利用相鄰的單元信息來(lái)實(shí)現(xiàn)自身信息的更新重組。CA元胞單元的應(yīng)變能密度結(jié)果是所有周圍單元的平均值,即(1)HCA算法在優(yōu)化計(jì)算過(guò)程中不需要梯度信息，而通過(guò)建立內(nèi)能與相對(duì)密度之間的聯(lián)系將設(shè)計(jì)變量與優(yōu)化目標(biāo)聯(lián)系在一起，并通過(guò)整個(gè)結(jié)構(gòu)內(nèi)能密度的均勻化保證在碰撞過(guò)程中能夠吸收更多的能量。1.2變密度理論的SIMP模型本文研究的耐撞性拓?fù)鋬?yōu)化方法的材料參數(shù)化是通過(guò)變密度法實(shí)現(xiàn)的。變密度法中,一個(gè)設(shè)計(jì)變量直接關(guān)聯(lián)單獨(dú)的材料單元且各自變量都有自己的材料模型［18］。材料屬性相對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)變量值使用一個(gè)適當(dāng)?shù)牟逯的Ｐ??；谧兠芏壤碚摰牟牧喜逯的Ｐ停ㄟ^(guò)引入假定材料的相對(duì)密度，可以在0~1之間變化的中間密度單元中將離散型優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)換為連續(xù)型優(yōu)化問(wèn)題。實(shí)際上，中間密度單元是無(wú)法存在和制造的,因此要盡量避免中間密度單元的產(chǎn)生,減少中間密度單元的數(shù)目,這時(shí)就需要對(duì)設(shè)計(jì)變量中出現(xiàn)的中間密度值進(jìn)行懲罰。引用SIMP模型,通過(guò)指定懲罰因子的大小來(lái)對(duì)中間密度單元進(jìn)行懲罰,使得單元密度值更多趨向于0或1,從而可以將離散型優(yōu)化模型轉(zhuǎn)化為連續(xù)型優(yōu)化模型。根據(jù)SIMP材料插值理論,材料的屬性可定義為:(2)其中,P為材料密度;E為彈性模量;。為屈月服應(yīng)力;Eh為應(yīng)變硬化模量;x為設(shè)計(jì)變量，即相對(duì)密度，值在0~1間變化,x=0表示無(wú)材料即孔洞,x=1表示滿材料;p、q為懲罰因子;下標(biāo)“0”表示初始材料屬性。耐撞性拓?fù)鋬?yōu)化方法為解決純電動(dòng)汽車正面碰撞安全性,設(shè)計(jì)耐撞性能好的純電動(dòng)汽車車身正向耐撞性結(jié)構(gòu)是關(guān)鍵。結(jié)構(gòu)既要求在碰撞過(guò)程中車身結(jié)構(gòu)擁有優(yōu)越的傳力路徑分散碰撞能量，同時(shí)又能夠承受較大的沖擊載荷并吸收較多的能量。作為抗撞結(jié)構(gòu),能夠抵抗碰撞沖擊力并保證乘員艙侵入量在法規(guī)規(guī)定值以下、沖擊加速度在乘員生理接受的范圍之內(nèi)。此外,純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的碰撞安全性也是考慮的重點(diǎn)。因此,本文提出了一種綜合多工況整車優(yōu)化的多目標(biāo)耐撞性拓?fù)鋬?yōu)化方法,能夠使優(yōu)化出來(lái)的車身傳力路徑最優(yōu);同時(shí)得到符合整車性能要求的吸能縱梁形狀,讓碰撞加速度與結(jié)構(gòu)變形量同步最優(yōu)化。整車優(yōu)化策略整車模型處理以新西蘭某款純電動(dòng)車為原型,主要尺寸參數(shù)見(jiàn)表1所列。整車模型以優(yōu)化為最終目的,因此整車在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行了大量的簡(jiǎn)化,只保留了幾何外形空間。此外,在整車所占據(jù)的三維幾何體積中扣除乘員艙、行李艙、風(fēng)窗玻璃、車輪轉(zhuǎn)向空間等部件預(yù)留電池箱安置空間,以便進(jìn)行車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化。本文研究的純電動(dòng)汽車采用的是轉(zhuǎn)向靈活的四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng),因此預(yù)留足夠的車輪轉(zhuǎn)向空間。研究的側(cè)重點(diǎn)在于優(yōu)化車身結(jié)構(gòu),因此對(duì)懸掛系統(tǒng)采取簡(jiǎn)化原則,減少有限元建模的復(fù)雜性及計(jì)算過(guò)程中的時(shí)間。車門與A柱下方前圍支柱通過(guò)轉(zhuǎn)鉸鏈模擬；車門與B柱用焊接代替門鎖，以便真實(shí)模擬出實(shí)際車輛車門的位置、狀態(tài)?？紤]動(dòng)力電池的影響,在優(yōu)化前將電池箱布置在乘員艙底板中部，防止在拓?fù)鋬?yōu)化得到了拓?fù)錁?gòu)型后,無(wú)法得到可靠的電池箱安放空間；或因改變?cè)型負(fù)錁?gòu)型安放電池箱,導(dǎo)致其碰撞安全性難以得到保證。更重要的是,動(dòng)力電池中置于乘員艙底板時(shí),車輛重心低且處在中部位置,提高了純電動(dòng)汽車的行駛穩(wěn)定性。電池處于中部位置,不會(huì)直接受到撞擊或擠壓；高強(qiáng)度的乘員艙結(jié)構(gòu)也會(huì)對(duì)電池起到保護(hù)作用,有利于純電動(dòng)汽車碰撞安全性的提高。表1整車重要參數(shù)參數(shù)數(shù)值參數(shù)數(shù)值整車長(zhǎng)/mm3790輪距前后/mm1375整車寬/mm1560輪胎規(guī)格155/65R15整車高/mm1530整車整備質(zhì)量/kg1050軸距/mm2730多工況分區(qū)域整車優(yōu)化車身在每種碰撞工況的受力方式都不同,但都對(duì)應(yīng)一個(gè)最佳傳力路徑的結(jié)構(gòu)拓?fù)?。通過(guò)單一工況得到的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)往往有較大的區(qū)別。僅從單一工況出發(fā),整體耐撞性拓?fù)鋬?yōu)化不能得到合理的傳力路徑,難以保證整車的耐撞性能。因此,這屬于一個(gè)多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題，對(duì)整車綜合多種碰撞工況進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化能夠避免這一缺陷。為了使在滿足多種碰撞工況的情況下車身傳力路徑更加明顯，從而得到性能優(yōu)越的耐撞性車身構(gòu)型,本文綜合了5種典型試驗(yàn)工況作為模型分析載荷工況,分別為56km/h正面相容性碰撞、50km/h可變形壁障側(cè)面碰撞、29km/h剛性柱側(cè)面碰撞、50km/h移動(dòng)剛性墻后碰、車頂蓋準(zhǔn)靜態(tài)壓潰試驗(yàn)。對(duì)整車有限元模型進(jìn)行多工況、分區(qū)域耐撞性整體拓?fù)鋬?yōu)化。為避免整車優(yōu)化過(guò)程中材料分配不均衡，將整車優(yōu)化區(qū)域分為車頭h區(qū)、乘員艙b區(qū)、車尾r區(qū)、車門d區(qū)4個(gè)優(yōu)化區(qū)域，并同時(shí)進(jìn)行優(yōu)化?？紤]電池箱、車輪、懸掛系統(tǒng)等在內(nèi)的非優(yōu)化區(qū)域,建立拓?fù)鋬?yōu)化一體化整車模型。整車有限元模型如圖1所示。圖1整車有限元模型耐撞性拓?fù)鋬?yōu)化數(shù)學(xué)模型多工況耐撞性拓?fù)鋬?yōu)化的目標(biāo)是得到內(nèi)能密度分布統(tǒng)一的結(jié)構(gòu),保證在碰撞過(guò)程中能夠吸收更多能量。5種工況優(yōu)化目標(biāo)數(shù)學(xué)模型可表述為:(3)其中，模型中優(yōu)化單元總數(shù)量N=138718;U為第i個(gè)單元的內(nèi)能密度；U*為標(biāo)定單元的內(nèi)能密度;wj為第j個(gè)工況對(duì)應(yīng)的權(quán)重。由于不同碰撞工況的碰撞力相差較大,對(duì)整車拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)的傳力貢獻(xiàn)是不同的,為達(dá)到在同一個(gè)數(shù)量級(jí)上傳力優(yōu)化,可以給各個(gè)工況設(shè)定相應(yīng)權(quán)重。對(duì)比5種工況的重要影響程度,正面相容性碰撞、側(cè)面碰撞、側(cè)面柱碰、追尾碰撞、頂壓工況的權(quán)重分別設(shè)定為0.3、0.1、0.1、0.2、0.3。采用分區(qū)域質(zhì)量約束方法來(lái)解決優(yōu)化結(jié)果材料刪減不平衡的問(wèn)題,得到材料分布均勻的目標(biāo)拓?fù)錁?gòu)型。約束條件為:其中,mi為i區(qū)域優(yōu)化后質(zhì)量;為i區(qū)域初始質(zhì)量;a為優(yōu)化質(zhì)量分?jǐn)?shù)，分別設(shè)置為0.10、0.22、0.20、0.18。此外,考慮到一些工況局部受力且為了得到更清晰的拓?fù)錁?gòu)型,可以對(duì)模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行左右對(duì)稱約束處理。優(yōu)化結(jié)果分析3.1獲取拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果運(yùn)用LS-DYNA求解器為計(jì)算工具，有限元模型的單元在每次迭代中的增加和刪減是通過(guò)改變對(duì)應(yīng)的材料模型來(lái)完成的?；贖CA算法，所有單元對(duì)應(yīng)的場(chǎng)變量(內(nèi)能密度)從完全定義每個(gè)變量的狀態(tài)輸出中獲得。在第t次迭代過(guò)程中，第i個(gè)單元的材料分布是依據(jù)內(nèi)能密度U與設(shè)計(jì)目標(biāo)U*之間的比例誤差來(lái)決定的，其數(shù)學(xué)模型可以表示為:0.1}(5)其中,Kp為比例因子。為確保拓?fù)涞M(jìn)程中計(jì)算的穩(wěn)定性,相對(duì)密度允許的最大改變量為0.1。由于運(yùn)用動(dòng)態(tài)的加載方式,在迭代過(guò)程中,材料的分布過(guò)程可能會(huì)產(chǎn)生一定的震蕩現(xiàn)象。為解決迭代過(guò)程中的震蕩問(wèn)題,在每次迭代過(guò)程中,都會(huì)有響應(yīng)的次回路來(lái)保留該次迭代的前t次的迭代信息，以保證每次迭代過(guò)程中的每個(gè)單元都擁有一定的記憶功能來(lái)保證材料分布的穩(wěn)定性。為避免計(jì)算過(guò)程過(guò)于復(fù)雜，保證場(chǎng)變量Ui能夠獲得前3次迭代過(guò)程中的信息，定義第i個(gè)單元在第t個(gè)迭代的內(nèi)能密度數(shù)值為本次迭代的內(nèi)能密度與前3個(gè)迭代的內(nèi)能密度的加權(quán)和。其數(shù)學(xué)模型可以表示為:HCA算法中，對(duì)于質(zhì)量控制的拓?fù)鋬?yōu)化過(guò)程，以質(zhì)量為約束條件，第t次迭代過(guò)程中的質(zhì)量改變量可以表示為:(7)在優(yōu)化過(guò)程中承力小的材料部分將被逐漸刪除,當(dāng)質(zhì)量沒(méi)有進(jìn)一步變化的可能時(shí),優(yōu)化的過(guò)程就收斂,這個(gè)狀態(tài)可以表示為:△m(t)二m(t)-m(t-1)“(8)為了防止過(guò)早地匯集,收斂準(zhǔn)則通過(guò)使用連續(xù)2次迭代的平均變化來(lái)確定,即(9)其中疋為質(zhì)量收斂誤差因子，這里定義￡=O.OO1xmO,mO為優(yōu)化結(jié)構(gòu)的初始質(zhì)量。經(jīng)過(guò)29次循環(huán)迭代,模型趨于收斂,如圖2所示,并得到最終的拓?fù)鋬?yōu)化模型。拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果如圖3所示。圖2拓?fù)鋬?yōu)化收斂情況圖3整體拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果優(yōu)化結(jié)構(gòu)分析純電動(dòng)汽車相比于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車,動(dòng)力源由重心較高的發(fā)動(dòng)機(jī)變?yōu)閯?dòng)力電池,因此在重心方面會(huì)有極大改變。上文在電池箱布置方式上綜合了碰撞安全性及行駛穩(wěn)定性的考慮,將電池箱布置在乘員艙底板。動(dòng)力電池一般占車重的20%~30%,本文研究設(shè)置的電池箱重250kg,占整車質(zhì)量的23.8%,電池箱的布置形式大大降低了整車質(zhì)心高度,提升了行駛穩(wěn)定性。結(jié)構(gòu)拓?fù)滠嚿淼妆P如圖4所示,從優(yōu)化結(jié)果可以看出,2根縱梁骨架貫穿車身前后,乘員艙地板加強(qiáng)結(jié)構(gòu)支撐,增大了乘員艙剛度；電池箱夾在2根縱梁間被乘員艙底板牢固支撐結(jié)構(gòu)包圍,有利于提高電池的碰撞安全性能。此外,觀察車身乘員艙部分,除了滿應(yīng)力單元材料的加強(qiáng)支撐結(jié)構(gòu)外,還有一層極薄未刪除的材料單元當(dāng)作乘員艙底板。圖4結(jié)構(gòu)拓?fù)滠嚿淼妆P通過(guò)對(duì)輪廓清晰的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果進(jìn)行傳力路徑分析可知,當(dāng)汽車正碰時(shí),一方面撞力通過(guò)2根縱梁吸能并往后分散傳遞給門檻梁及車身后部;另一方面,碰撞力通過(guò)斜八字梁往側(cè)邊副梁、A柱以及車門防撞梁分散到整車。正碰時(shí)傳力路徑如圖5所示,該結(jié)構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)明朗、傳力路徑豐富,碰撞時(shí)能起到逐級(jí)吸能、分散能量的目的。圖5正碰傳力路徑耐撞性驗(yàn)證對(duì)優(yōu)化后的拓?fù)錁?gòu)型進(jìn)行結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化與抽象,將得到的最終提取模型進(jìn)行有限元處理,得到整車有限元模型，如圖6所示。參照國(guó)內(nèi)外現(xiàn)行的NCAP標(biāo)準(zhǔn)，分別進(jìn)行時(shí)速為50km/h的100%正面剛性壁障碰撞試驗(yàn)和時(shí)速為64km/h的40%偏置可變形壁障碰撞試驗(yàn)。圖6車身優(yōu)化后的整車有限元模型2種碰撞試驗(yàn)的質(zhì)心加速度結(jié)果對(duì)比如圖7所示。由圖7可以看出，40%偏置碰撞最大質(zhì)心加速度為25.2g,100%正面碰撞最大質(zhì)心加速度為32.5g,皆小于法規(guī)規(guī)定的40g。圖72種碰撞試驗(yàn)質(zhì)心加速度曲線由圖7可知,100%重疊率碰撞中,加速度出現(xiàn)2個(gè)波峰,峰值層次遞增。這是由于車頭正面抗撞結(jié)構(gòu)前端（縱梁為主要吸能構(gòu)件）剛度較低,結(jié)構(gòu)充分吸能,使得碰撞加速度峰值較低；同時(shí),為了使得結(jié)構(gòu)侵入量最小化,抗撞結(jié)構(gòu)后端剛度較高,因此出現(xiàn)加速度波峰。在車身正面抗撞結(jié)構(gòu)擁有優(yōu)越傳力路徑下,結(jié)構(gòu)能夠逐級(jí)壓潰吸能,同時(shí)結(jié)構(gòu)不失穩(wěn),保證乘員艙的完整性。40%重疊率碰撞中,主要吸能縱梁只有一邊起到作用；但正面抗撞結(jié)構(gòu)在擁有優(yōu)越傳力路徑下,很好地分散了碰撞能,同時(shí)結(jié)構(gòu)充分吸能。優(yōu)化結(jié)果使得碰撞加速度峰值小、波動(dòng)小,結(jié)構(gòu)吸能時(shí)間長(zhǎng)。試驗(yàn)限制本文試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)只考慮了車身骨架的吸能效果,實(shí)際上車輛碰撞加速度還會(huì)受其他附屬部件吸能的影響,因此與實(shí)車碰撞試驗(yàn)的真實(shí)數(shù)據(jù)相比會(huì)有少許波動(dòng)。本文試驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)只是在概念設(shè)計(jì)初級(jí)階段優(yōu)化模型得出的結(jié)果,在此基礎(chǔ)上可以通過(guò)對(duì)縱梁結(jié)構(gòu)做進(jìn)一步的尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì),提高整車耐撞性。純電動(dòng)汽車的碰撞安全性要求動(dòng)力電池也要有良好的安全性能。本文分析的動(dòng)力電池模型主要從耐撞性及安裝位置考慮,因此模型未精確考慮電池組內(nèi)部結(jié)構(gòu)布置及電池的散熱安全等特性，僅以屈服極限為345MPa的分段線性塑性材料作為動(dòng)力電池箱材料。本文的優(yōu)化模型是基于碰撞安全性得到的車身結(jié)構(gòu),從耐撞性方面考慮得出的結(jié)果。因此,在整車設(shè)計(jì)上還需要進(jìn)一步權(quán)衡其他因素的影響。4結(jié)論本文基于拓?fù)鋬?yōu)化方法,綜合5種碰撞工況對(duì)純電動(dòng)汽車整車模型進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化,得到了傳力路徑清晰、材料分布均勻的耐撞性車身結(jié)構(gòu)拓?fù)?。分析結(jié)果表明,優(yōu)化后的整車結(jié)構(gòu)能夠使車輛在正面碰撞中,車身結(jié)構(gòu)傳力路徑豐富縱梁能夠以褶皺變形模式最大化逐級(jí)吸能；性能上,碰撞加速度與結(jié)構(gòu)變形量能夠同步最優(yōu)化,有效地提升了車身正面碰撞結(jié)構(gòu)的耐撞性,保障了純電動(dòng)汽車的碰撞安全性。該方法可為純電動(dòng)車身正面碰撞結(jié)構(gòu)耐撞性設(shè)計(jì)提供一定的參考。［參考文獻(xiàn)］相關(guān)文獻(xiàn)】趙韓,姜建滿?國(guó)內(nèi)外電動(dòng)汽車標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀與發(fā)展[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2011,34(7):961-965.趙韓，程飛?基于人機(jī)工程學(xué)的轎車車身總布置設(shè)計(jì)[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2014,37(11):1281-1284.周熙盛?轎車偏置碰撞安全性及前縱梁耐撞性優(yōu)化研究[D]?長(zhǎng)沙：湖南大學(xué),2011.FAUSTMAND,HAUPTFELDV,LACYP,etal.Amulti-objectivesurrogate-basedoptimizationofthecrashworthinessofahybridimpactabsorber[J].InternationalJournalofMechanicalSciences,2014,88(13):46-54.KOHARCP,ZHUMAGULOVA,BRAHMEA,etal.Developmentofhighcrushefficient,extrudablealuminiumfrontrailsforvehiclelightweighting[J].InternationalJournalofImpactEngineering,2016,95:17-34.高云凱，張玉婷,方劍光?基于混合元胞自動(dòng)機(jī)的鋁合金保險(xiǎn)杠橫梁設(shè)計(jì)[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2015,43(3):456-461.焦洪宇，周奇才,吳青龍，等?橋式起重機(jī)箱型主梁周期性拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2014,50(23):134-139.DUYSINXP,BENDSOEMP.Topologyoptimizationofcontinuumstructureswithlocalstressconstraints[J].InternationalJournalforNumericalMethodsinEngineering,2015,43(8):1453-1478.SIGMUNDO,BENDSOEMP.Materialinterpolationsintopologyoptimization[J].ArchiveofAppliedMechanics,1999,69:635-654.MARTINEZJM.Anoteonthetheoreticalconvergenceproperti