具有不同诱导槽结构的薄壁圆管抗撞性优化

在金属薄壁圆管（原模型）的基础上,分别引入不同形式的圆弧形诱导槽结构并以其为研究对象,建立以诱导槽半径、槽端距、槽间距为优化参数, 以比吸能和最大峰值碰撞力为评价指标的多目标优化模型。分析研究了诱导凹槽、凸槽及凸凹交替的诱导槽结构对薄壁构件吸能、最大峰值碰撞力的影响。采用有限元软件LS-DYNA得到不同几何参数模型的碰撞响应,结合径向基函数法构造近似函数,并采用理想点法进行优化设计,得出使结构最优时的不同形式的诱导槽半径、槽端距及槽间距,从而得到了不同形式的理想诱导槽优化结构。     

带有圆弧形凸槽金属薄壁圆管抗撞性优化设计

在金属薄壁圆管（原模型）上设置圆弧形凸槽诱导结构并以其为研究对象,建立以凸槽个数及其半径为设计变量, 以比吸能(SEA)最大化和最大峰值碰撞力( )最小化的多目标优化模型。在保证不影响薄壁构件吸能能力的情况下,通过对其结构的优化达到最大峰值碰撞力最小化的目的。采用有限元软件LS-DYNA得到不同几何参数模型的碰撞信息,结合径向基函数法构造近似函数,并采用理想点法求解多目标优化问题。分析了凸槽个数和半径对薄壁构件的比吸能和最大峰值碰撞力的影响,得到了理想的优化模型,为进一步研究实际吸能元件奠定基础。     

基于结构与材料参数的S形薄壁梁抗撞性与轻量化研究

以车身前部吸能部件前纵梁结构中常见方形截面S形薄壁梁为研究对象,探讨了如何通过合理引入诱导槽和加强筋设计提高其抗撞性,及基于材料属性实现轻量化设计。根据诱导槽位置分布、个数和加强筋分布的不同建立8种有限元模型,通过仿真优选了两种吸能特性较好的结构模型;在此基础上,以质量为约束,结构几何尺寸为设计变量,提高抗撞性为目标,对其中带有加强筋的S形薄壁梁进行多目标优化,并基于高精度代理模型快速获得了最优设计参数;对比碰撞力-位移仿真曲线与理论曲线,验证了优化模型的有效性;通过将加强筋板的材料改为镁铝合金,进一步实现了轻量化设计。研究成果为实现薄壁梁结构的抗撞性优化与轻量化提供新的解决方案。     

响应表面法在薄壁构件耐撞性优化设计中的应用研究

汽车结构的耐撞性及碰撞吸能优化是现代汽车工业重要的研究内容。耐撞性的优化涉及材料与结构的众多参数。传统的设计、碰撞仿真及试验往往只能在一定程度上改善结构的碰撞性能而无法达到限定条件下的最优状态。利用国际上近年来新发展起来的一种优化理论方法--响应表面法,结合传统的优化手段以及非线性有限元程序对薄壁构件的耐撞性问题进行了优化研究。耐撞性优化的结果表明,该方法具有较高的精确性和有效性。     

波纹管耐撞性的多目标优化

研究波纹管受轴向压缩时耐撞性的优化设计。首先,选择波纹管总吸能和最大冲击力为目标函数,其主要几何参数为设计变量;其次,通过试验设计获得试验方案,进而建立耐撞性分析的替代模型;最后采用多目标优化进化算法NSGA-Ⅱ(针对不同设计变量进行实数编码或二进制编码)进行计算,最终获得优化问题的Pareto前端,实现波纹管耐撞性的多目标优化设计。研究工作为波纹管耐撞性的优化设计提供了重要工程参考。     

基于概率-凸集混合模型的汽车正面碰撞结构可靠性优化设计

本文基于概率和凸集模型研究汽车正面碰撞可靠性优化设计问题。根据汽车吸能结构厚度、材料参数等不确定参数类型,分别采用概率和多椭球凸模型进行描述,以汽车正面碰撞安全性可靠性指标为约束,考虑汽车吸能结构质量为优化目标,建立了一种基于混合模型的可靠性优化设计模型。采用拉丁方试验设计构造了目标函数和约束函数的Kriging近似模型,利用功能度量法求解可靠度指标值,通过基于移动因子序列优化与可靠性评定将嵌套优化解耦为单层次优化。实际算例表明算法具有较高的计算效率及精度,对实际设计工作有一定参考价值。     

高速列车前端多胞吸能结构的耐撞性优化

为设计具有良好耐撞性能的高速列车前端多胞吸能结构,基于显式动力学有限元软件LS-DYNA,建立此吸能结构的有限元模型。通过台车碰撞试验验证了有限元模型的准确性,结合验证的有限元模型与全因子试验设计,构造了吸能结构的比吸能SEA和撞击平台力关于设计参数单元胞边长和壁厚的Kriging代理模型,并进行了误差分析,采用多目标粒子群优化算法,对多胞吸能结构的截面尺寸和厚度进行了优化设计。结果表明,壁厚比单元胞边长对多胞吸能结构耐撞性影响更显著,通过合理匹配壁厚和边长,能有效提高撞击平台力和比吸能。     

基于拓扑优化与诱导结构的抗撞结构优化设计EI北大核心CSCD

鉴于耐撞性拓扑方法在实际使用中只能获得抗撞结构的初级拓扑构型,导致抗撞结构的碰撞安全性仍有进一步提升空间的问题,以耐撞性拓扑优化为基础,获得了抗撞结构的初级拓扑构型,在初级拓扑构型的适当位置设置诱导结构,得到最终吸能单元构型,再利用稳健性设计方法获取最终构型的最优尺寸参数,较好地弥补了基于最大吸能原则的耐撞性拓扑方法的不足。算例表明,所提的优化设计方法灵活有效,基于该方法得到的抗撞结构可以更好地满足设计要求。     

汽车车身耐撞性设计参数的区间稳健性优化

基于区间分析,提出了一种考虑公差的汽车车身耐撞性稳健优化设计模型,可在有效降低耐撞性能对设计参数波动敏感性的同时实现公差范围的最大化。该模型首先利用对称公差来描述汽车碰撞模型中车身关键耐撞部件的主要尺寸、位置和形状等设计参数本身的不确定性,然后将参数设计和公差设计相结合,建立了以稳健性评价指标和公差评价指标为优化目标,设计变量名义值和公差同步优化的多目标优化模型。再次,利用区间可能度处理不确定约束,将该优化模型转换为确定性多目标优化模型。最后,将该模型应用于两个汽车耐撞性优化设计问题,并通过序列二次规划法和改进的非支配排序遗传算法进行求解,结果表明该方法及稳健优化设计模型可行且实用。     

超弹性可导向防撞垫设计

基于耐撞性拓扑优化方法以及稳健性设计方法,设计出了一种高等级超弹性可导向防撞垫,可在实现轻量化要求的同时实现可导向防撞垫整体质量最优。以实现能量吸收最大化为优化设计目标,对防撞垫的吸能单元进行耐撞性拓扑优化分析,确定吸能单元的最优传力路径,提取构型清晰的吸能单元;对建立的可导向防撞垫有限元模型进行了碰撞安全性验证。将试验车辆的角度、速度、质量的不确定性作为噪声因子,基于稳健性设计方法,确定了可导向防撞垫吸能单元的最优尺寸。结果表明:耐撞性拓扑优化方法和稳健性设计方法行之有效,TS级超弹性可导向防撞垫能够满足现行评价标准要求。     

Interval-Based Uncertain Multi-Objective Optimization Design of Vehicle Crashworthiness

In this paper, an uncertain multi-objective optimization method is suggested to deal with crashworthiness design problem of vehicle, in which the uncertainties of the parameters are described by intervals. Considering both lightweight and safety performance, structural weight and peak acceleration are selected as objectives. The occupant distance is treated as constraint. Based on interval number programming method, the uncertain optimization problem is transformed into a deterministic optimization problem. The approximation models are constructed for objective functions and constraint based on Latin Hypercube Design (LHD). Thus, the interval number programming method is combined with the approximation model to solve the uncertain optimization problem of vehicle crashworthiness efficiently. The present method is applied to two practical full frontal impact (FFI) problems.     

地铁列车双锥内嵌隔板矩形管的耐撞性优化

为设计具有良好耐撞性能的地铁列车吸能结构,将矩形吸能管的一组对称面引入锥度,并在内部嵌入多个隔板。建立该双锥内嵌隔板矩形管和传统矩形管的有限元模型,对两者耐撞性进行对比,通过准静态轴向压缩试验验证有限元分析的准确性。以双锥内嵌隔板矩形管三个部分的厚度为设计变量,进行试验设计并建立代理模型,为最大化比吸能和最小化峰值力,对双锥内嵌隔板矩形管进行多目标优化。结果表明,双锥内嵌隔板矩形管在准静态压缩下呈现稳定而规律的变形,耐撞性能优于传统矩形管;两个优化目标具有一定的互斥性,根据实际工程对各优化目标进行权重分配,能够于帕累托前沿中应用权函数实现最优设计方案的选择。     

基于Ansys Workbench的快装箱多目标优化设计

目的研究快装箱在压力作用下的静态特性,并对其结构进行多目标优化设计。方法通过Ansys Workbench建立快装箱的几何模型和有限元模型,对快装箱进行静态分析。以快装箱的各箱板厚度和各钢边厚度为设计变量,以快装箱的质量、最大变形量和最大等效应力为目标函数建立多目标优化的数学模型,对快装箱进行多目标优化设计,并且分析对比优化前后的结果。结果通过分析获得的优化前后快装箱的箱板厚度和钢边厚度都有所减小,在保证强度和刚度的条件下,使得总质量减少了9.018%。结论经分析快装箱的多目标优化设计是合理的,在满足使用要求的前提下,减少了总质量,节约了材料,降低了成本。     

Al/CFRP混合薄壁结构耐撞性能可靠性优化设计

轻量化是实现汽车产业向安全、节能、环保发展的一个重要途径。Al/CFRP（carbon fiber reinforced plastic，碳纤维增强复合材料）混合材料能够在提升轻量化效果的同时兼顾材料成本和结构耐撞性能。为探索方形截面Al/CFRP混合薄壁结构的最佳组合方式，首先，制备了Al方管、CFRP方管和Al/CFRP混合方管，并开展准静态压溃实验。然后，建立能够精确模拟Al/CFRP混合方管压溃响应的有限元模型。最后，将试验设计方法、代理模型技术、多目标优化算法和蒙特卡罗模拟技术相结合，对Al/CFRP混合方管分别进行多目标确定性与可靠性优化设计，并对效果较好的可靠性优化解进行仿真验证。准静态压溃实验结果表明，Al/CFRP混合方管具有优异的耐撞性能；优化结果表明，可靠性优化解的约束可靠度相比于确定性优化解提高了10.96%，大大降低了失效概率，具有更强的实用性。研究结果有望对Al/CFRP混合薄壁吸能构件的优化设计提供参考。     

Topology optimization for crashworthiness of thin-walled structures under axial crash considering nonlinear plastic buckling and locations of plastic hinges

Although topology optimization is established for linear static problems, more effort is required for solving nonlinear plastic problems. A new topology optimization approach with equivalent static loads (ESLs) is suggested to find the optimum topologies and locations of plastic hinges of thin-walled crash boxes by considering crash-induced deformation, the main crash energy-absorbing mechanism. Together with finite element method crashworthiness analyses, considering all nonlinearities with rate-dependent plasticity, the method was developed using an appropriate time-incremental scheme of ESLs without removing any high values of loads. Analyses show that the crash boxes with optimum topologies have energy-absorbing capabilities equivalent to the original structure. The proposed method is evaluated for two crashes: a crash box at low speed and a double cell subjected to high-speed collision. The results indicate that this method captures nonlinear crushing behaviours and accurate locations of plastic hinges where, if proper reinforcements are made, energy absorption can be enhanced.     

灰色关联及熵权法对碳纤维增强树脂复合材料防撞梁的耐撞性优化设计

为改善和提升汽车的轻量化和耐撞性,针对碳纤维增强树脂基复合材料特性提出一种基于灰色关联分析与熵权法结合的复合材料防撞梁结构的设计策略。建立了考虑整车实际工况的数值简化模型,并通过碳纤维增强树脂复合材料力学性能试验确定了T300碳纤维/5113环氧树脂复合材料的材料力学性能,为碰撞工况下碳纤维增强树脂保险杠防撞梁模型计算提供真实准确的材料参数。基于正面碰撞仿真模型,采用哈默斯雷试验设计方法确立60组样本点建立了设计变量与响应之间的关系,采用熵权法求出各响应指标的权重值,结合灰色关联分析对碳纤维增强树脂复合材料防撞梁的耐撞性和轻量化进行优化设计,获取防撞梁结构的最优尺寸参数组合,确定优化方案。研究结果显示,与初始防撞梁相比,优化方案吸能量峰值提高了11.4%,峰值力降低了48%,质量减少了56.5%。该方法在满足安全性指标的前提下实现了汽车轻量化优化设计。      

Crashworthiness design optimization using successive response surface approximations

 Finite Element (FE) method is among the most powerful tools for crash analysis and simulation. Crashworthiness design of structural members requires repetitive and iterative application of FE simulation. This paper presents a crashworthiness design optimization methodology based on efficient and effective integration of optimization methods, FE simulations, and approximation methods. Optimization methods, although effective in general in solving structural design problems, loose their power in crashworthiness design. Objective and constraint functions in crashworthiness optimization problems are often non-smooth and highly non-linear in terms of design variables and follow from a computationally costly (FE) simulation. In this paper, a sequential approximate optimization method is utilized to deal with both the high computational cost and the non-smooth character. Crashworthiness optimization problem is divided into a series of simpler sub-problems, which are generated using approximations of objective and constraint functions. Approximations are constructed by using statistical model building technique, Response Surface Methodology (RSM) and a Genetic algorithm. The approximate optimization method is applied to solve crashworthiness design problems. These include a cylinder, a simplified vehicle and New Jersey concrete barrier optimization. The results demonstrate that the method is efficient and effective in solving crashworthiness design optimization problems. Received: 30 January 2002 / Accepted: 12 July 2002 Sponsorship for this research by the Federal Highway Administration of US Department of Transportation is gratefully acknowledged. Dr. Nielen Stander at Livermore Software Technology Corporation is also gratefully acknowledged for providing subroutines to create D-optimal experimental designs and the simplified vehicle model.     

Probability-based least square support vector regression metamodeling technique for crashworthiness optimization problems

This paper presents a crashworthiness design optimization method based on a metamodeling technique. The crashworthiness optimization is a highly nonlinear and large scale problem, which is composed various nonlinearities, such as geometry, material and contact and needs a large number expensive evaluations. In order to obtain a robust approximation efficiently, a probability-based least square support vector regression is suggested to construct metamodels by considering structure risk minimization. Further, to save the computational cost, an intelligent sampling strategy is applied to generate sample points at the stage of design of experiment (DOE). In this paper, a cylinder, a full vehicle frontal collision is involved. The results demonstrate that the proposed metamodel-based optimization is efficient and effective in solving crashworthiness, design optimization problems.