陳榮章，楊 波

(同濟(jì)大學(xué) 汽車學(xué)院，上海 201804)

曲柄滑塊防護(hù)裝置的參數(shù)優(yōu)化*

陳榮章，楊 波

(同濟(jì)大學(xué) 汽車學(xué)院，上海 201804)

以滿足后下部防護(hù)裝置的法規(guī)要求為目標(biāo)，對設(shè)計出的一種曲柄滑塊式CST貨車后下部防護(hù)裝置的吸能螺紋進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。首先通過VPG進(jìn)行了有限元模型的建立，并結(jié)合正交優(yōu)化方法對吸能螺紋的參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，最后在LS-DYNA中以高于法規(guī)要求碰撞速度的50 km/h對裝置進(jìn)行了碰撞過程的數(shù)值仿真計算，最后得到了一組優(yōu)化后的吸能螺紋參數(shù)，算例表明，裝置的各項(xiàng)指標(biāo)都滿足法規(guī)要求，達(dá)到了優(yōu)化目的。

曲柄滑塊；相容性；正交優(yōu)化設(shè)計

0 引 言

隨著對相容性問題的不斷認(rèn)識[1-2]，人們對貨車后下部防護(hù)裝置的研究也不斷深入，對于轎車追尾貨車這種典型的追尾碰撞事故，往往造成轎車車毀人亡的嚴(yán)重后果。為解決轎車追尾貨車的碰撞不相容問題，設(shè)計出了一種曲柄滑塊式CST[3-4]貨車后下部防護(hù)裝置，該裝置利用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)來消除轎車與貨車間的幾何不相容問題，并將碰撞力傳遞至吸能螺紋，碰撞過程中利用剪切滑塊剪切螺紋來吸收碰撞能量。通過對吸能螺紋的優(yōu)化即可實(shí)現(xiàn)對碰撞過程的控制，為相容性問題的解決提供了一種新的解決途徑。筆者在該裝置的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)從VPG軟件的建模、LS-DYNA軟件的數(shù)值仿真和正交優(yōu)化設(shè)計的螺紋參數(shù)優(yōu)化三個方面進(jìn)行了研究，最后得到了一組優(yōu)化解，并能很好地滿足法規(guī)的要求，證明了裝置的有效性。

1 移動壁障-防護(hù)裝置的有限元模型

為進(jìn)一步對裝置的吸能螺紋進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，建立了符合后下部防護(hù)法規(guī)要求的防護(hù)裝置和臺車的有限元模型進(jìn)行仿真研究。

法規(guī)中要求將后下部防護(hù)裝置固定于剛性實(shí)驗(yàn)臺上，再連接于固定壁障上，然后用移動壁障進(jìn)行100%全寬碰撞。

建模時進(jìn)行適當(dāng)簡化，忽略防護(hù)裝置中的波形板的變形和吸能影響，而固定壁障、移動壁障的車架、剛性面和貨車車架等基本不變形體用剛體材料模型，臺車的輪胎用VPG中自帶的輪胎模型，剛性面前的優(yōu)質(zhì)膠合板用*MAT_WOOD_PINE材料模型模擬，螺紋材料為Q235，曲柄滑塊的桿件材料為45鋼，均用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC材料模型模擬[5]，屈服極限分別為235 MPa和355 MPa，彈性模量E=2.1×105MPa。有限元模型中的連接方式主要涉及到裝置與車架之間的連接和裝置各構(gòu)件之間的連接。其中裝置與車架的連接用焊接的方式，而裝置的各構(gòu)件之間是由轉(zhuǎn)動副連接的，各部件間需要用VPG中的Joint單元連接。

為使充分體現(xiàn)螺紋吸能裝置的吸能特性，在仿真研究時，移動壁障的速度用高于法規(guī)推薦的碰撞速度50 km/h，進(jìn)行碰撞仿真分析。

接觸定義和其它控制參數(shù)已有較多研究和介紹進(jìn)行設(shè)定，最后得到整體的有限元模型和曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的有限元模型如圖1、圖2所示。

2 防護(hù)裝置吸能螺紋參數(shù)的正交優(yōu)化

2.1 評價指標(biāo)及因素水平的選取

根據(jù)法規(guī)中的要求，移動壁障在碰撞過程中，最大減速度不超過40 g，最大反彈速度不大于2 m/s，最大鉆入量不超過400 mm，這三個指標(biāo)缺一不可，能綜合反映出碰撞相容性，所以選取最大減速度a(g)、最大前移量X(mm)和最在反彈速度v(m/s)作為正交優(yōu)化時的三項(xiàng)評價指標(biāo)。

圖1 整體有限元模型 圖2 防撞裝置的有限元模型

裝置中的吸能螺紋采用雙線螺紋，主要影響因素有螺紋高、剪切高、螺紋寬和螺紋的導(dǎo)程4個因素[6-8]，由于螺紋在仿真過程中變形較大且有較大的螺旋角度，其網(wǎng)格必須細(xì)化，導(dǎo)致其有限元模型很大，仿真計算時間長[9]。為選用較少的實(shí)驗(yàn)次數(shù)的正交表，應(yīng)盡量減少因素數(shù)，在本文研究中使剪切套筒的直徑與螺桿的直徑相同，則螺紋高即為剪切高，從而得到三個設(shè)計變量，即螺紋高(A)、螺紋寬(B)和導(dǎo)程(P)，如圖3所示。

由圖3得知：

P=2(B+C)

為使因素間的交互作用[1]盡可能減小，最終選取可吸能螺紋的螺紋高(A)、螺紋寬(B)和螺紋槽(C)為三個因素作為設(shè)計變量，每個因素選取4個水平進(jìn)行研究，因素水平表見表1，根據(jù)因素水平選用L16(45)的正交表。

圖3 螺紋因素示意圖

水平因素A/mmB/mmC/mm1115222433334442

2.2 正交試驗(yàn)表及其數(shù)據(jù)分析

根據(jù)正交試驗(yàn)表，按前述的有建模方式僅改變吸以螺紋的參數(shù)，建立16組數(shù)據(jù)的有限元模型并在LS-DYNA中進(jìn)行仿真分析，最后得到正交試驗(yàn)的數(shù)據(jù)見表2。

對正交試驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析時可以采用SPSS軟件在顯著性水平α=0.05的顯著度下對數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，得因素水平均值和因素顯著性分析分別見表3、表4所列。

表2 正交試驗(yàn)表及仿真數(shù)據(jù)

表3 因素水平均值

表4 因素顯著性分析表

由表3和表4的數(shù)據(jù)可知，對于最大減速度a這一評價指標(biāo)的影響，只有A因素顯著，B因素和C因素都不顯著，三因素的影響程度為A>B>C，又因最大減速度在碰撞過程中越小對人體和車輛造成的傷害就越小，屬于望小指標(biāo)，結(jié)合表3數(shù)據(jù)可知，A1B1C4為這一評價指標(biāo)的最優(yōu)組合。

同理，最大前鉆量X這一評價指標(biāo)也屬于望小評價指標(biāo)，分析表3數(shù)據(jù)，得A2B4C4這一評價指標(biāo)的最佳組合。最大反彈速度v的最佳組合為A13B1。

而三個評價指標(biāo)中，應(yīng)對減速度指標(biāo)應(yīng)該重點(diǎn)考慮，而其它兩個評價指標(biāo)，都尚未超過法規(guī)限值，其影響程度可適當(dāng)弱化。A因素對于減速度這一評價指標(biāo)的影響高度顯著，對于最大前鉆量的影響也高度顯著，所以最終選取有利于降低減速度值的A1作為最終的因素水平。B因素僅對最大前鉆量指標(biāo)有顯著影響，所以選擇有利于降低最大前鉆量指標(biāo)X而的B4作為最終的因素水平。C因素僅對反彈速度v這一評價指標(biāo)有影響作用顯著，根據(jù)反彈速度取C3作為最終的因素水平，得到的最佳組合為A1B4C3，即螺紋高為1 mm，螺紋寬為4 mm，螺紋槽為3 mm。

由于A1B4C3沒有安排在正交表中，而經(jīng)過仿真后發(fā)現(xiàn)該組合并非最佳，其最大減速度值42.3 g，前鉆量235.4 mm，反彈速度為0.71 m/s，因其最大減速度值超出了法規(guī)允許值，所以按正交設(shè)計的一般原則[11]，選取已做仿真中最佳的第4組仿真算例組合，即A1B4C4作為最優(yōu)螺紋參數(shù)。該組算例的減速度、前鉆量、反彈速度和尾部橫杠高度變化的時間歷程曲線如圖4～7所示。

從圖中可以看出，減速度值整體過程較為平穩(wěn)，最大減速度值小于40 g，前鉆量也小于法規(guī)規(guī)定值，反彈速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于法規(guī)中的2 m/s，碰撞過程中最大降低高度為79 mm，約為其離地間隙的1/5。綜上知，該裝置實(shí)現(xiàn)了預(yù)定的功能，可以很好地滿足法規(guī)的要求。

圖4 減速度曲線 圖5 前鉆量曲線

圖6 速度曲線 圖7 降低高度曲線

3 結(jié) 論

(1) 通過仿真和正交優(yōu)化的方法得到了裝置吸能螺紋的優(yōu)化解，使得本防護(hù)裝置能夠很好地滿足法規(guī)的各項(xiàng)要求，并且在碰撞過程中尾部橫杠可以有效降低從而防止鉆撞，證明了裝置的可行性。

(2) 防護(hù)裝置的仿真研究表明，螺紋的參數(shù)直接影響裝置的吸能過程，通過對吸能螺紋參數(shù)的優(yōu)化即可實(shí)現(xiàn)對碰撞吸能過程的控制，證明了CST的應(yīng)用可以在碰撞相容性問題中的發(fā)揮重要的作用。

[1] 朱西產(chǎn).汽車正面碰撞試驗(yàn)法規(guī)及其發(fā)展趨勢的分析[J]. 汽車工程，2002，24(1)：1-5,14.

[2] 潘 婷,王宏雁.在我國推進(jìn)載貨汽車后下部防護(hù)裝置法規(guī)的必要性[C].2008中國汽車安全技術(shù)國際研討會,上海, 2008(6):407-411.

[3] 雷正保.螺紋剪切式汽車碰撞吸能裝置[Z].ZL03124568. 4，2005.

[4] 雷正保，王素娟.汽車碰撞的安全與吸能[M].長沙：國防科技大學(xué)出版社，2008.

[5] Livermore Software Technology Corporation. LS-DYNA keyword user’s manual[M].California: Livermore Software Technology Corporation, 2010.

[6] Zhengbao Lei, Shubin Wei,Qingyun Du.Explicit Optimization Method for Cutting-screw-thread on the Basis of dual-RSM[J]. Frontiers of Mechanical Engineering in China，2010，5(4)：423-430.

[7] 付江華，雷正保，羅憲華.基于正交試驗(yàn)的螺紋剪切系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計[J]. 交通科學(xué)與工程，2010，26(3)：77-81.

[8] 徐見秋，雷正保，羅憲華.螺紋剪切式碰撞吸能裝置最優(yōu)螺紋參數(shù)設(shè)計[J]. 交通科學(xué)與工程，2010，26(1)：90-96.

[9] 魏書彬，雷正保，杜青云.汽車碰撞時吸能螺紋剪切分析的網(wǎng)格優(yōu)化[J]. 機(jī)械強(qiáng)度，2010，32(5)：859-864.

[10] 方開泰，馬長興. 正交與均勻試驗(yàn)設(shè)計[M]. 北京:科學(xué)出版社,2001.

[11] 雷正保，侯石靜. 定敦長間斷式直道混凝土護(hù)欄的結(jié)構(gòu)參數(shù)[J]. 交通運(yùn)輸工程學(xué)報，2008，8(4)：110-115.

Parameters Optimization for the Thread of Crank-slider Protective Device

CHENG Rong-zhang, YANG Bo

(AutomotiveCollege,TongjiUniversity,Shanghai201804，China)

In order to make the crank slider protective devices to meet the requirements of regulation, optimization is carried out to the absorbing thread of the crank-slider-CST protective device. Based on the finite element model in VPG and simulation in LS-DYNA, with the orthogonal optimization design, the parameters of the absorbing thread are obtained. The crash speed in these simulations is 50km/h, which is higher than the regulatory speed. The simulation shows that all indexes could meet the regulation very well, and the effectiveness of the device is demonstrated.

crank-slider; crash compatibility; orthogonal design

2014-03-31

陳榮章(1956-)，男，中國臺灣人，副教授，碩士，研究方向：汽車后市場。

TH133.5

A

1007-4414(2014)03-0087-03