一种基于碰撞安全性的商用车驾驶室轻量化优化设计方法与流程

1.本发明涉及商用车技术领域，特别是一种基于碰撞安全性的商用车驾驶室轻量化优化设计方法。


背景技术：

2.随着全球能源危机愈演愈烈和环境污染日益严重，商用车驾驶室节能减排越来越受到广泛关注，商用车结构较乘用车大，实现商用车的结构轻量化，是能够有效地减少汽车尾气排放和控制燃油消耗的关键举措。目前，商用车驾驶室轻量化措施主要是通过减小材料厚度实现减小驾驶室整车质量，但是不可避免牺牲驾驶室结构碰撞安全性。近年来，随着交通事故频发，伤亡人数高居不减，商用车驾驶室碰撞安全性引起人们高度重视，国家制定了相关法规，对商用车驾驶室的碰撞安全性提出更高要求。然而，现有的驾驶室轻量化优化设计仅仅考虑结构刚度等单一性能，并未综合考虑驾驶室碰撞安全性。因此，本发明针对现有商用车驾驶室轻量化优化设计目标单一的问题，提出了基于碰撞安全性的商用车驾驶室轻量化优化方法，有效解决现有商用车驾驶室轻量化优化设计过程中未考虑碰撞安全性的问题，实现商用车驾驶室质量和碰撞安全性性能双重提升。


技术实现要素：

3.本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本技术的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
4.鉴于上述和/或现有的基于碰撞安全性的商用车驾驶室轻量化优化设计方法中存在的问题，提出了本发明。
5.因此，本发明所要解决的问题在于如何提供一种基于碰撞安全性的商用车驾驶室轻量化优化设计方法。
6.为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种基于碰撞安全性的商用车驾驶室轻量化优化设计方法，其包括，建立驾驶室车身三维模型，并根据三维模型建立驾驶室车身系统有限元分析模型，分析驾驶室结构扭转刚度和弯曲刚度；建立商用车驾驶室碰撞安全性有限元分析系统，进行商用车驾驶室整车碰撞试验仿真分析，提取驾驶室碰撞安全性性能指标和最劣碰撞安全性指标；运用驾驶室优化设计变量筛选方法，综合考虑部件质量变化对驾驶室刚度性能影响程度的轻重排序，提取高敏感度值的板厚作为关键设计变量；通过近似模型构建方法，构建商用车驾驶室整车系统近似模型，替代原有商用车驾驶室复杂模型；建立驾驶室轻量化优化设计数学模型，运用多目标算法，将关键板厚设计变量代入数学模型并进行迭代计算，获取最佳商用车驾驶室质量和商用车驾驶室碰撞安全性性能指标。
7.作为本发明所述基于碰撞安全性的商用车驾驶室轻量化优化设计方法的一种优选方案，其中：所述驾驶室轻量化优化设计数学模型如下，
[0008][0009][0010]
x＝[x1,x2,
···
,xn]
t
[0011]
其中，其中，x为驾驶室零部件板厚关键设计变量；f(x)为目标变量；fk(x)为目标函数子函数，即是需要优化的多个目标；g
p
与hq均为约束条件；ω为可行域，x＝[x1,x2,
…
,xn]
t
为变量空间。
[0012]
作为本发明所述基于碰撞安全性的商用车驾驶室轻量化优化设计方法的一种优选方案，其中：在建立驾驶室轻量化优化设计数学模型建立时，将商用车驾驶室质量、最劣碰撞安全性能指标作为优化目标，将商用车驾驶室碰撞安全性能指标、商用车驾驶室扭转刚度和弯曲刚度作为约束。
[0013]
作为本发明所述基于碰撞安全性的商用车驾驶室轻量化优化设计方法的一种优选方案，其中：所述驾驶室碰撞安全性能指标是指商用车驾驶室碰撞试验仿真分析开始前，驾驶室与假人模型之间水平距离和垂直距离。
[0014]
作为本发明所述基于碰撞安全性的商用车驾驶室轻量化优化设计方法的一种优选方案，其中：所述最劣碰撞安全性能指标是指商用车驾驶室碰撞试验仿真分析开始前，驾驶室车体与假人模型之间的水平距离和垂直距离中最小距离。
[0015]
作为本发明所述基于碰撞安全性的商用车驾驶室轻量化优化设计方法的一种优选方案，其中：所述商用车驾驶室优化设计变量筛选方法包括灵敏分析、贡献度分析和随机森林法。
[0016]
作为本发明所述基于碰撞安全性的商用车驾驶室轻量化优化设计方法的一种优选方案，其中：所述近似模型构建方法包括响应面法、径向基函数法、支持向量机回归法、kriging法和基于并行加多点的kriging法。
[0017]
作为本发明所述基于碰撞安全性的商用车驾驶室轻量化优化设计方法的一种优选方案，其中：所述商用车驾驶室碰撞试验包括正面碰撞试验、双a柱碰撞试验、顶压试验和后围强度试验。
[0018]
作为本发明所述基于碰撞安全性的商用车驾驶室轻量化优化设计方法的一种优选方案，其中：在建立商用车驾驶室车身系统有限元分析模型时，将商用车驾驶室结构件划分成二维或者三维单元，将焊点、螺栓、缝焊和胶粘等连接使用一维单元进行简化。
[0019]
作为本发明所述基于碰撞安全性的商用车驾驶室轻量化优化设计方法的一种优选方案，其中：所述多目标算法包括pesa，spea2和nsga
‑ⅱ
。
[0020]
本发明有益效果为：改变了传统单一目标的轻量化，实现了车身轻量化与安全性水平双重提升；运用代理模型的高效精确建模方法，有效解决驾驶室复杂模型计算时间成本高的问题，大幅度提高驾驶室复杂模型轻量化优化效率；运用基于碰撞安全性轻量化优化的灵敏度分析方法，实现驾驶室碰撞安全性关键变量高效筛选。
附图说明
[0021]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
[0022]
图1为实施例1中基于碰撞安全性的商用车驾驶室轻量化优化设计方法的流程图。
[0023]
图2为实施例1中基于碰撞安全性的商用车驾驶室轻量化优化设计方法的正面碰撞安全性有限元分析系统示意图。
[0024]
图3为实施例1中基于碰撞安全性的商用车驾驶室轻量化优化设计方法的正面碰撞试验仿真分析碰撞安全性指标示意图。
[0025]
图4为实施例2中基于碰撞安全性的商用车驾驶室轻量化优化设计方法的双a柱碰撞试验有限元分析系统示意图。
[0026]
图5为实施例2中基于碰撞安全性的商用车驾驶室轻量化优化设计方法的双a柱碰撞试验仿真分析碰撞安全性指标示意图。
具体实施方式
[0027]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
[0028]
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
[0029]
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
[0030]
实施例1
[0031]
参照图1～图3，为本发明第一个实施例，该实施例提供了一种基于碰撞安全性的商用车驾驶室轻量化优化设计方法，基于碰撞安全性的商用车驾驶室轻量化优化设计方法包括入选步骤：
[0032]
s1：根据待优化的商用车驾驶室实体建立驾驶室车身三维模型，并根据三维模型建立驾驶室车身系统有限元分析模型，分析驾驶室结构扭转刚度和弯曲刚度；
[0033]
s2：建立商用车驾驶室碰撞安全性有限元分析系统，进行商用车驾驶室整车碰撞试验仿真分析，提取驾驶室碰撞安全性性能指标和最劣碰撞安全性指标；
[0034]
s3：运用驾驶室优化设计变量筛选方法，综合考虑部件质量变化对驾驶室刚度性能影响程度的轻重排序，提取高敏感度值的板厚作为关键设计变量；
[0035]
s4：通过近似模型构建方法，构建商用车驾驶室整车系统近似模型，替代原有商用车驾驶室复杂模型；
[0036]
s5：建立驾驶室轻量化优化设计数学模型，运用多目标算法，将关键板厚设计变量代入数学模型并进行迭代计算，获取最佳商用车驾驶室质量和商用车驾驶室碰撞安全性性能指标。
[0037]
优选的，在建立商用车驾驶室车身系统有限元分析模型时，将商用车驾驶室结构件划分成二维或者三维单元，将焊点、螺栓、缝焊和胶粘等连接使用一维单元进行简化。
[0038]
需要说明的是，所述商用车驾驶室碰撞试验包括正面碰撞试验、双a柱碰撞试验、顶压试验和后围强度试验中一个，或者其中两个，或者其中三个，或者全部四个，在本实施例中，商用车驾驶室碰撞试验选取正面碰撞试验。
[0039]
并且，在建立商用车驾驶室碰撞安全性有限元分析系统时，正面碰撞试验仿真分析的撞击块大小、撞击能量、驾驶室约束方式和假人模型按照《商用车驾驶室乘员保护》国家法规标准的要求进行输入。
[0040]
商用车驾驶室正面碰撞安全性有限元分析系统示意图如图2所示，图2中，1为驾驶室，2为前碰撞击块，3为假人模型。
[0041]
需要指出的是，在建立驾驶室轻量化优化设计数学模型建立时，将商用车驾驶室质量、最劣碰撞安全性能指标作为优化目标，将商用车驾驶室碰撞安全性能指标、商用车驾驶室扭转刚度和弯曲刚度作为约束。
[0042]
所述驾驶室碰撞安全性能指标是指商用车驾驶室碰撞试验仿真分析开始前，驾驶室与假人模型之间水平距离和垂直距离。商用车驾驶室正面碰撞试验仿真分析碰撞安全性指标示意图如图3所示，图3中，4为驾驶室方向盘与假人模型垂直距离，5为驾驶室方向盘与假人模型水平距离。所述最劣碰撞安全性能指标是指商用车驾驶室正面碰撞试验仿真分析开始前，驾驶室车体与假人模型水平距离d
zb
和垂直距离d
zc
中最小距离。通过实际测量，选取驾驶室车体与假人模型之间的最小垂直距离d
zb
作为最劣碰撞安全性能指标。
[0043]
较佳的，所述商用车驾驶室优化设计变量筛选方法，包括灵敏分析、贡献度分析和随机森林法。由于所研究的优化问题复杂程度高，而不同变量对驾驶室产生不同程度的影响。在可用信息有限的情况下，难以有效选择出对响应值有决定性的设计变量。若将所有设计变量带入优化模型中，必然会消耗大量计算成本。因此，需要根据实际情况选择不同优化设计变量筛选方法，对大量驾驶室零部件板厚设计变量进行筛选，准确地对设计变量进行排序，确定6个关键设计变量。
[0044]
需要指出的是，近似模型构建方法包括响应面法、径向基函数法、支持向量机回归法、kriging法和基于并行加多点的kriging法。能够缩减整个优化进程中调用复杂模型的次数，提高优化过程效率。
[0045]
由于本实施例为了寻求最小的质量和最大的碰撞安全性指标，目标函数变为minf(x(m(x),-d
zb
(x))，碰撞安全性指标d
zc
大于初始值20，约束函数g
p
(x)变为d
zc
≥20，商用车驾驶室扭转刚度q1、商用车驾驶室弯曲刚度q2设置范围为不大于初始值的10％，约束函数hq(x)变为由和组成。为了寻找最优的x变量，满足约束条件d
zc
≥20、和实现最优目标函数minf(x(m(x),-d
zb
(x))，因此，驾驶室轻量化优化设计数学模型如下：
[0046]
find x＝(x1,x2,
…
,x6)
[0047][0048]
其中，x为驾驶室零部件板厚关键设计变量；f(x)为目标变量；m(χ)、d
zb
(χ)为目标函数子函数，即是需要优化的多个目标；d
zc
、q1、q2均为约束条件。
[0049]
在驾驶室轻量化优化设计数学模型建立时，将商用车驾驶室质量、m商用车驾驶室车体与假人模型之间的垂直距离d
zc
作为优化目标，将商用车驾驶室车体与假人模型之间的水平距离d
zb
、商用车驾驶室扭转刚度q1、商用车驾驶室弯曲刚度q2作为约束。
[0050]
优选的，所述多目标算法包括pesa，spea2和nsga
‑ⅱ
。结合多目标优化方法，种群数量120，迭代次数为800，得到的最优解，见表1。
[0051]
表1轻量化优化前后参数对比
[0052][0053]
驾驶室轻量化优化前后性能指标对比，见表2。
[0054]
表2驾驶室轻量化优化前后性能指标对比
[0055]
驾驶室性能初始值优化值优化前后对比m/kg252.6229.23-9.25％q1/mm0.931.1826.9％q2/mm1.041.1510.58％d
zb
/mm9.7215.3457.8％d
zc
/mm14.2115.9111.96％
[0056]
从表2中可以明显得到，质量m减少，但是安全性能指标d提升了。
[0057]
实施例2
[0058]
参照图4和图5，为本发明第二个实施例，该实施例提供了一种基于碰撞安全性的商用车驾驶室轻量化优化设计方法，基于碰撞安全性的商用车驾驶室轻量化优化设计方法包括入选步骤：
[0059]
s1：根据待优化的商用车驾驶室实体建立驾驶室车身三维模型，并根据三维模型建立驾驶室车身系统有限元分析模型，分析驾驶室结构扭转刚度和弯曲刚度；
[0060]
s2：建立商用车驾驶室碰撞安全性有限元分析系统，进行商用车驾驶室正面碰撞试验、双a柱碰撞试验仿真分析，提取驾驶室碰撞安全性性能指标和最劣碰撞安全性指标；
[0061]
s3：运用驾驶室优化设计变量筛选方法，综合考虑部件质量变化对驾驶室刚度性能影响程度的轻重排序，提取高敏感度值的板厚作为关键设计变量；
[0062]
s4：通过近似模型构建方法，构建商用车驾驶室整车系统近似模型，替代原有商用车驾驶室复杂模型；
[0063]
s5：建立驾驶室轻量化优化设计数学模型，运用多目标算法进行，将关键板厚设计变量代入数学模型并进行迭代计算，获取最佳商用车驾驶室质量和商用车驾驶室碰撞安全性性能指标。
[0064]
在建立商用车驾驶室车身系统有限元分析模型时，将商用车驾驶室结构件中壳体零件划分成二维，将实体零件划分为三维单元，将焊点、螺栓、缝焊和胶粘等连接使用一维单元进行简化，将小型安装件简化为质点添加至安装位置。
[0065]
根据驾驶室实际碰撞安全性能要求，所述商用车驾驶室碰撞试验仿真分析选取正面碰撞试验和双a柱碰撞试验。
[0066]
在建立商用车驾驶室碰撞安全性有限元分析系统时，正面碰撞试验和双a柱碰撞试验仿真分析的撞击块大小、撞击能量、驾驶室约束方式和假人模型按照《商用车驾驶室乘员保护》国家法规标准的要求进行输入。
[0067]
商用车驾驶室双a柱碰撞试验有限元分析系统示意图如图4所示，图4中，1为驾驶室，6为a柱撞击块，3为假人模型。
[0068]
优选的，所述驾驶室碰撞安全性能指标指根据选取的商用车驾驶室正面碰撞时方向盘与假人水平距离d
zb
和垂直距离d
zc
、双a柱碰撞时方向盘与假人水平距离d
ab
和垂直距离d
ac
。
[0069]
商用车驾驶室双a柱碰撞试验仿真分析碰撞安全性指标示意图如图5所示，图5中，7为驾驶室方向盘与假人模型垂直距离，8为驾驶室方向盘与假人模型水平距离。
[0070]
进一步的，所述最劣碰撞安全性能指标是指商用车驾驶室正面碰撞试验和双a柱碰撞试验仿真分析开始前驾驶室车体与假人模型水平距离和垂直距离中最小距离。通过实际测量，选取正面碰撞试验中驾驶室车体与假人模型之间的垂直距离d
zc
作为最劣碰撞安全性能指标。
[0071]
商用车驾驶室优化设计变量筛选方法，包括灵敏分析、贡献度分析和随机森林法。根据实际情况选择不同优化设计变量筛选方法，对大量驾驶室零部件板厚设计变量进行筛选，准确地对设计变量进行排序，确定9个关键设计变量。
[0072]
优选的，所述近似模型构建方法包括响应面法、径向基函数法、支持向量机回归法、kriging法和基于并行加多点的kriging法。能够缩减整个优化进程中调用复杂模型的次数，提高优化过程效率。
[0073]
优选的，由于本实施例为了寻求最小的质量和最大的碰撞安全性指标，目标函数变为minf(x(m(x),-d
zb
(x))，碰撞安全性指标d
zc
大于初始值20，d
aa
大于初始值30，d
ac
大于20，约束函数g
p
(x)由d
zc
≥20d
aa
≥30和d
ac
≥20组成，商用车驾驶室扭转刚度q1、商用车驾驶室弯曲刚度q2设置范围为不大于初始值的10％，约束函数hq(x)变为由和组成组成。为了寻找最优的x变量，满足约束条件d
zc
≥20、d
aa
≥30、d
ac
≥20、和实现最优目标函数minf(x(m(x),-d
zb
(x))，因此，驾驶室轻量化优化设计数学模型如下：
[0074]
find x＝(x1,x2,...,x9)
[0075][0076]
其中，其中，x为驾驶室零部件板厚关键设计变量；f(x)为目标变量；m(χ)、d
zb
(χ)为目标函数子函数，即是需要优化的多个目标；d
zc
、d
aa
、d
ac
、q1、q2均为约束条件。
[0077]
在驾驶室轻量化优化设计数学模型建立时，将商用车驾驶室质量m、商用车驾驶室正面碰撞时方向盘与假人模型之间的垂直距离d
zc
作为优化目标，将商用车驾驶室正面碰撞时方向盘与假人水平距离d
zb
、双a柱碰撞时方向盘与假人垂直距离d
ac
、双a柱碰撞时方向盘与假人水平距离d
ab
、商用车驾驶室扭转刚度q1、商用车驾驶室弯曲刚度q2作为约束。
[0078]
优选的，所述多目标算法包括pesa，spea2和nsga
‑ⅱ
。结合多目标优化方法。种群数量200，迭代次数为1500，得到的最优解，见表3。
[0079]
表3优化前后参数对比
[0080][0081]
驾驶室轻量化优化前后性能指标对比，见表4。
[0082]
表4驾驶室优化前后性能指标对比
[0083]
驾驶室性能初始值优化值优化前后对比m/kg252.6235.34-6.83％q1/mm0.931.0613.98％q2/mm1.041.127.69％d
zb
/mm9.7214.0944.96％d
zc
/mm14.2114.894.79％d
aa
/mm31.6530.99-2.15％d
ac
/mm22.4421.69-3.33％
[0084]
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。