呂立人

（上海交通大學，上海 200240）

氣囊誤作用擺錘試驗臺結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

呂立人

（上海交通大學，上海 200240）

簡要介紹了氣囊誤作用擺錘試驗臺的初始設(shè)計，將試驗臺的框架結(jié)構(gòu)作為研究對象，運用Pam-Crash軟件進行工況仿真，找出薄弱環(huán)節(jié)，對試驗臺框架結(jié)構(gòu)進行拓撲優(yōu)化，并且再次仿真，得到的優(yōu)化結(jié)果符合企業(yè)內(nèi)部對試驗臺抗沖擊性的要求，而且試驗驗證了仿真計算的準確性。試驗結(jié)果表明，對試驗臺的結(jié)構(gòu)改進是有效的。

氣囊誤作用；擺錘試驗；有限元仿真；拓撲優(yōu)化

自氣囊面世60多年來，在車輛碰撞事故中挽救了千千萬萬人的生命。但是，近年來，關(guān)于汽車氣囊在非事故性碰撞中誤點爆而傷害乘員的事件屢屢發(fā)生，即氣囊本身存在安全不確定性。

在某些日常行駛條件下，氣囊傳感器可能受到某些非事故性撞擊信號的干擾，或者車輛整車剛度比較小，經(jīng)過非事故性碰撞或者顛簸，會引起車身在氣囊傳感器位置的共振，從而誤將氣囊點爆，我們將其稱之為“氣囊誤作用”。這種“誤作用”不僅會使乘員受到傷害，而且也是一種浪費，會增加維修費用。因此，氣囊誤作用試驗成為了國內(nèi)外氣囊供應(yīng)商和汽車制造企業(yè)的重點研究內(nèi)容。目前，綜合考慮到我國駕駛習慣和道路情況的氣囊誤作用試驗法規(guī)可能會在2017年年中以推薦性國家標準的形式面世。

在氣囊誤作用系列試驗中，擺錘打擊試驗?zāi)M了日常生活中飛行的足球和滿載的購物車撞擊車身的情況，國內(nèi)針對這個試驗的非標設(shè)備尚屬少數(shù)。本文研究的是一臺具有通用特性的擺錘試驗臺。在研究初期，依照工程經(jīng)驗得到了試驗臺的初始設(shè)計方案，并以此作為起點，通過有限元模擬試驗工況，找到了試驗臺的薄弱環(huán)節(jié)，采用軟件拓撲優(yōu)化的方法再設(shè)計試驗臺框架結(jié)構(gòu)；之后再一次進行仿真，確定其滿足要求；最后通過試驗的方法驗證了仿真計算的準確性。

1 試驗臺初始方案

1.1 設(shè)計準則

擺錘打擊試驗臺屬于撞擊類試驗臺，如果試驗臺在試驗時存在因設(shè)計不佳而導致的機械振動，就會影響試驗精度。周而復始、長此以往的振動，勢必會縮短試驗臺的使用壽命。無論從試驗角度看，還是從企業(yè)成本角度看，這種結(jié)構(gòu)缺陷都是不能被允許的。筆者所在企業(yè)對這類試驗臺的要求是：①撞擊對試驗臺產(chǎn)生的振動加速度在±10 g區(qū)間內(nèi)；②撞擊對試驗臺產(chǎn)生的最大振動位移量不超過5 mm。

1.2 試驗臺的功能

此次設(shè)計的是一臺通用型氣囊誤作用擺錘試驗臺，它具有以下功能：①可完成足球撞擊等輕質(zhì)碰撞沖擊器的試驗；②可以完成購物車撞擊等重質(zhì)碰撞沖擊器的試驗；③重質(zhì)碰撞沖擊器和輕質(zhì)碰撞沖擊器的最高打擊速度不小于6.8 m/s。

1.3 試驗臺框架結(jié)構(gòu)

參考工程設(shè)計經(jīng)驗，試驗臺的核心部件，比如擺臂、擺臂提升機構(gòu)、擺臂移動機構(gòu)等通過連接板用螺栓緊固在龍門形框架上。龍門形框架分為上、中、下3個部分。整個框架結(jié)構(gòu)均是由標準方管焊接而成的。

龍門形框架上部分是由2個相同的矩形框上下拼接而成的頂框架，每個矩形框的內(nèi)部由長短不一的方管支撐矩形框的長短兩邊，在矩形框的四角焊接4塊三角形加強筋，以提高其結(jié)構(gòu)強度。龍門形框架下部分是左右兩邊站立著的支撐框架，將上、中2個部分支撐起來。每個支撐框架下部通過連接板用20個M16的螺栓與預(yù)埋的地基連接。

龍門形框架中間部分通過兩邊側(cè)框?qū)⑸舷聝刹糠诌B接起來。在頂框架與支撐框架、頂框架與側(cè)框之間增加斜向支撐來增加上、中、下3部分之間的連接強度。在“四邊形”結(jié)構(gòu)中增加更多的“三角形”，這是增強框架結(jié)構(gòu)的慣用做法。試驗臺初始設(shè)計如圖1所示。

2 基于Pam-Crash的有限元仿真

2.1 有限元模型建立

我們可以將CAD的模型格式直接導入到Hypermesh中，并且將一些對仿真沒有影響的零件簡化成具有相同外形、相同質(zhì)心位置的“塊”，比如電機、減速器、擺臂釋放機構(gòu)和不計算工況的輕質(zhì)擺臂等，這樣可以節(jié)約計算資源。仿真工況中的試驗車輛的有限元模型采用筆者所在單位現(xiàn)有的車輛有限元模型。

試驗臺框架結(jié)構(gòu)是用標準方管搭建而成的，單根方管的長度遠大于厚度，因此，采用殼（shell）單元。重質(zhì)擺臂的材料為304不銹鋼，厚度為5 mm。由于擺臂臂長為3.5 m，所以，重質(zhì)擺臂同樣采用殼（shell）單元。這2種材料的材料機械性能如表1所示。

試驗臺的網(wǎng)格劃分經(jīng)過Hypermesh處理后如圖2所示。

圖1 試驗臺初始設(shè)計

表1 材料機械性能表

圖2 試驗臺網(wǎng)格模型

2.2 邊界條件與載荷

按照初始設(shè)計方案，在試驗臺兩側(cè)的支撐框架底部設(shè)置位移約束，即使試驗臺牢固固定在試驗地面上。

試驗臺最大打擊能力為購物車碰撞沖擊器安裝在最低位置、重質(zhì)擺臂在90°擺角位置釋放所獲得的速度。根據(jù)理論計算，這個速度可以達到7.2 m/s。在考慮了一定安全裕度的條件下，設(shè)置打擊速度為7.5 m/s，設(shè)置速度載荷為7.5 m/s。

2.3 結(jié)果分析

采用PAM-CRASH求解器進行仿真計算，經(jīng)過處理，把結(jié)果輸出成如圖3和圖4的應(yīng)力云圖和位移云圖。在試驗臺頂框架中間布置虛擬加速度傳感器，以監(jiān)測加速度信號。

圖3 試驗臺應(yīng)力云圖

圖4 試驗臺位移云圖

至此可得出以下結(jié)論：①試驗臺框架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力從上至下減小，可見打擊后應(yīng)力的方向是從上至下傳遞的；②應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在上頂框架的上方框，靠近中間位置；③在頂框架中，Y向方管所受的應(yīng)力大于X向方管所受應(yīng)力；④試驗臺框架結(jié)構(gòu)的振動位移量從上至下逐漸減?。虎菰囼炁_的振動位移主要集中在試驗臺頂框架；⑥位移最大值出現(xiàn)在頂框架中間部位，位移量為8.03 mm，即“向后倒”，不滿足企業(yè)內(nèi)部對其5 mm的要求；⑦加速度信號最大值為5.83 g，滿足企業(yè)內(nèi)部要求。

綜上所述，需要采取相關(guān)措施來分散上頂框的應(yīng)力，并且減小其在碰撞中的振動；增加Y向的支撐，減少“向后倒”的幅度。

3 試驗臺結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 拓撲模型建立

由拓撲優(yōu)化理論可知，試驗臺拓撲優(yōu)化的結(jié)果是包含在初始拓撲結(jié)構(gòu)中的，不需要對具體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行建模。因此，我們將“長方體塊”作為初始模型，即優(yōu)化區(qū)域。試驗臺框架結(jié)構(gòu)的拓撲優(yōu)化分成2塊進行——支撐框架和Y向加強支撐。對這2個優(yōu)化區(qū)域劃分網(wǎng)格、施加邊界條件和載荷，具體如圖5所示。

圖5 框形支撐（左）與Y向加強支撐（右）初始拓撲模型

圖6 框形支撐（左）與Y向加強支撐（右）拓撲優(yōu)化結(jié)果

3.2 拓撲優(yōu)化參數(shù)設(shè)定

3．2．1 目標函數(shù)

從成本和項目進度的角度考慮，優(yōu)化結(jié)果在滿足約束條件的情況下，應(yīng)該盡可能結(jié)構(gòu)簡單、用材最省，所以，在選取目標函數(shù)時，確定以最小體積為優(yōu)化目標。

3．2．2 優(yōu)化變量

本文要得到的優(yōu)化結(jié)果是支撐框架和Y向加強支撐的最佳結(jié)構(gòu)，顯然優(yōu)化變量便是完整的“長方體塊”和“開洞”的“長方體塊”。

3．2．3 約束函數(shù)

為了減少試驗臺的振動位移量，使其能滿足企業(yè)內(nèi)部要求，約束函數(shù)設(shè)置為位移約束，位移的上限設(shè)置為2 mm。

3.3 優(yōu)化結(jié)果與分析

拓撲優(yōu)化結(jié)果如圖6所示，顏色越亮麗的地方就是越需要布置材料的地方，相反，顏色越深暗的地方表示該處材料布置的必要性不大。根據(jù)工程經(jīng)驗，可將這2個拓撲優(yōu)化結(jié)果重新建立成實用的工程結(jié)構(gòu)，具體如圖6所示。

3.4 優(yōu)化效果

為了驗證優(yōu)化的有效性，將優(yōu)化后的方案再一次進行工況仿真。同樣，把結(jié)果輸出成應(yīng)力云圖和位移云圖，如圖7和圖8所示。

與優(yōu)化前的結(jié)果作對比，可以得出以下幾個結(jié)論：①總體來看，優(yōu)化后的試驗臺框架所受應(yīng)力比試驗前減小。由此可知，Y向加強支撐的確分擔了一部分應(yīng)力。②頂框架的應(yīng)力減小最為顯著，所以，增強后部支撐使根基更穩(wěn)定的做法會使頂部應(yīng)力減小。③優(yōu)化后的試驗臺框架的振動位移量比試驗前減小。由此可見，Y向加強支撐穩(wěn)定了試驗臺的振動。④位移最大值出現(xiàn)在頂框架中間部位，位移量4.31 mm，滿足企業(yè)內(nèi)部對其提出的5 mm要求。⑤加速度信號最大值為9.13 g，滿足企業(yè)內(nèi)部要求。優(yōu)化后的支撐框架和Y向加強支撐如圖9所示。

綜上所述，這2個優(yōu)化結(jié)果是有效的。

圖7 優(yōu)化后試驗臺應(yīng)力云圖

4 仿真工況驗證試驗

4.1 試驗方法

驗證試驗在平整的試驗場地上進行，試驗條件要與仿真工況盡可能保持一致。打擊點選擇在試驗車輛車身剛度相對最大的位置，即B柱下門檻位置，與仿真工況保持一致。將購物車碰撞沖擊器的中心與試驗車輛B柱下門檻的中心位置對齊，將重質(zhì)擺臂提升至90°角位置后釋放，打擊試驗車輛，速度測量單元記錄下實際打擊速度。試驗后，通過布置在試驗臺頂框架的加速度傳感器來分析試驗臺在受到?jīng)_擊時的穩(wěn)定性。為了保證試驗的有效性，試驗重復3次進行，每一次的打擊試驗條件一致，共使用2部同款試驗車。

圖9 優(yōu)化后的支撐框架（左）和Y向加強支撐（右）

圖10 仿真與試驗加速度信號

4.2 試驗結(jié)果與仿真對比

在試驗臺頂部與仿真工況相同位置布置了加速度傳感器，3次試驗的加速度值非常接近，取其平均值，并將數(shù)據(jù)積2次分可以得到位移的信號。相關(guān)人員將試驗與優(yōu)化后的仿真結(jié)果作對比，如圖10、圖11所示。至此，可以得出以下幾個結(jié)論：①試驗臺的振動趨勢相近；②仿真中，試驗臺各部件間采用剛性連接，使得振動加速度信號在整體上更大一些；③試驗臺最大加速度為5.5 g；④試驗臺最大振動位移為3.27 mm。

綜上所述，仿真與驗證試驗結(jié)果相近，仿真可信；試驗臺最大振動加速度和最大振動位移均滿足企業(yè)內(nèi)部要求，優(yōu)化有效。

圖11 仿真與試驗位移信號

5 結(jié)束語

采用有限元仿真加拓撲優(yōu)化的方法，讓一個零件或者一個產(chǎn)品在生產(chǎn)制造前達到所期望的性能是現(xiàn)在越來越多企業(yè)的選擇。這樣做，不僅開發(fā)周期短，而且投入成本比較少。本文所用的試驗臺設(shè)計方法、拓撲優(yōu)化方法可以為類似試驗臺的設(shè)計、建造提供參考。

［1］唐波.中國汽車安全氣囊標準制訂的探討［J］.汽車與配件，2012（32）：13-15.

［2］鄭祖丹，俞晶鑫.乘用車安全氣囊匹配中誤作用試驗研究［J］.質(zhì)量與標準化，2011（10）：37-41.

〔編輯：白潔〕

U491.6+1

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.13.023

2095-6835（2017）13-0023-04

呂立人（1988—），上海人，上海交通大學在職碩士研究生，現(xiàn)主要從事汽車零部件安全試驗工作。