关于汽车用铝合金吸能盒结构优化设计分析

2022.11.15

朱震南　曾东建

摘要：汽车重量是汽车消耗能源的重要因素，为了减小汽车的耗能对其进行减重成为重要的研究课题。铝合金是汽车材料的重要组成部分，对其减重性能分析具有重要意义。基于近似模型计算和数值优化方法，对其进行碰撞仿真分析，进而确定其相关的参数，在此基础上进行不同截面形状的对比分析研究得到最优的截面形状。最后通过实验，验证了其方法的有效性、科学性，能够为进一步进行铝合金吸能盒的减重研究提供参考。

关键词：铝合金吸能盒；近似模型计算；数值优化方法；碰撞仿真分析；截面面积

随着全球化石燃料的日益消耗，能源成为21世纪极为重要的资源。汽车是目前消耗化石能源的重要源泉之一。根据相关的研究发现，当汽车减重10%时能够节约油的用量大约为3%到6%。因此，如何实现汽车的减重成为减少汽车汽油消耗的重要途径。根据汽车工业的相关研究发现，当汽车采用典型的铝质零部件时，能够将其重量减轻大约30%到40%，如果进行二次减重甚至可以达到大约50%。因此，通过进一步的研究铝质材料，能够进一步的减轻其重量。近年来通过对铝质材料的研究日益深入，对一些薄质铝质材料进行分析，并对其性能进行冲击检验，发现其具有较好的结构形式。如果将这些薄质材料应用于汽车工业中，能够极大的减轻汽车的重量。本文基于传统的优化理论思想并在仿真分析的基础上，采用某铝质材料通过大量的仿真分析和实验，建立以碰撞性能为基准指标，并应用响面优化的方法对其参数和尺寸进行优化分析，通过分析和研究能够得出较为满意的结果。

1响应表面优化法

所谓响应表面优化法是一种通过将实验设计，并采用数理统计进行结合来建立相应的经验模型的优化方法。采用此方法，通常需要建立以下几个步骤：一是通过对实际模型进行简化分析，进而确定近似模型的形式；二是通过实验设计和仿真分析的方法采集足够的性能参数，方便后续研究；三是通过应用最小二乘法并应用步骤二中基础数据建立各个响应的近似数学模型。在实际应用过程中，首先需要应用合适的数学构造方法进行建模并进行寻优计算，最后为了检测其性能采用误差来进行检测，如果能够满足实际工程误差，则得到最优的解，若不能满足则需要重新构造或者进行优化。

2钢制吸能盒碰撞分析

为了能够有效对其思想进行说明，采用某一种乘用车设计制造新的铝合金盒进行说明。其具体步骤为：第一步，通过大量的碰撞仿真分析，采用在HYPERM ESH中建立仿真模型，并根据仿真模型对其性能进行分析研究；第二步，在第一步的基础上，依据RCAR法规中规定的保险杠低速碰撞条件对其工况进行详细分析，并建立钢制吸盒碰撞的仿真模型以及对其仿真分析得到的变形情况。依据上述步骤进行仿真分析得到，该钢制吸盒的屈服强度为344MPa，碰撞力峰值大约为78.6KN，最大变形量大约为102.7mm，平均的碰撞力为41.8kN。通过这些数据进行仿真分析发现：钢制吸盒的变形大小反映其吸能性能的好坏，其值越大说明其性能越优越。

3铝合金吸能盒截面形状的确定与参数优化

通过对铝合金的吸能进行分析评估得到其最优的截面形状，通过分析评估发现，正八边形虽然其吸能性能较为突出，但是其碰撞峰值过大，而不宜采用；如果采用正六边形的铝管材料，能够使各个参数都更加均衡。因此，通过这些分析研究，最终确定将铝合金吸盒的截面确定为正六边形。确定好其形状后，通过采用Is IGHT数学优化软件进行模拟分析进而确定其结构参数和参数。具体思路为：一是确定优化的目标，本文以吸能盒的平均碰撞力和总能量作为优化目标；二是确定约束条件，即为碰撞力峰值、最大变形量、吸能盒质量以及结构和材料的参数；三是碰撞仿真分析方法的确定，本文以拉丁立方实验方法进行空间的选取，并在此基础上各个响应曲面的系数矩阵；四是对模型进行仿真分析评估，最后得出响应的结论。本文通过采用上述思想和步骤，通过对某一实际的模型进行仿真分析得到，数学优化和仿真分析的参数不一样，比如在力峰值方面，采用数学优化法时，其值为77.6kN，而采用仿真分析方法时其值为76.7kN，误差大约为-1.2%，说明存在一定的误差。但同时对最大变形量、总吸能量和力均值进行分析研究发现，这些参数的误差范围都在5%范围内，符合工程的实际需求。通过仿真得出，本文采用的方法具有科学性和可行性，能够有效的指导工程的实际建设。

4实验验证

通过上文从理论上进行分析，可以大致确定模型的相关参数，进而可以进行制造加工。但工艺具有一定的误差，因此需要对实际进行实验验证，以确保质量的性能。其具体步骤：一是实验室材料的准备，主要是器材的准备；二是实验时需要设置相关的实验参数，比如实验时的加载速度和加载距离；三是根据实验数据对其进行分析，根据相关的参数确定其是否满足要求。

5结语

本文通过对钢制吸能盒的碰撞进行相关的研究，制定相应的评估参数指标，然后对比分析不同截面下的碰撞性能确定最终的截面形状。在此基础上通过近似的响应模型的优化设计对其参数和结构进行优化设计，最终确定最优的方案。为了能够检验设备的质量，通过采用静态压缩试验对比的方法验证其强度性能。最终发现，铝合金通过工业的提高在减重时也能保障其强度性能。