基于HyperStudy的汽车前保行人保护优化

徐德奎 马忠宇
延锋彼欧汽车外饰系统有限公司，上海 ，201805

摘要：本文首先建立了某乘用车保险杠总成的仿真模型，进行了行人保护仿真分析。结合Altair的HypersSudy优化软件对保险杠蒙皮、小腿防撞梁、大腿防撞梁三个重要的零件的壁厚进行了DOE分析和优化分析。首先通过DOE分析确定对行人小腿伤害值影响较为灵敏的壁厚参数，然后以这些参数为设计变量，运用优化模快进行优化分析，确定一组较优的设计参数，在降低产品质量的同时，能有效的降低加速伤害值，满足了客户的要求。
关键词：保险杠系统 行人保护 HypersSudy  DOE 优化分析

1. 引言

行人碰撞保护设计在汽车产品的开发中日益受到重视。保险杠系统作为车身最前端的部件，直接与行人腿部发生碰撞，它的设计是保护行人腿部的关键[1]。本文针对行业最为严格的Euro-NCAP行人保护小腿法规要求，和某主机厂进行同步开发某款汽车的保险杠总成，利用Altair的Hyperstudy优化软件与某碰撞分析软件联合对保险杠总成重要零件的壁厚进行了DOE分析和优化分析，以求在最短的时间内寻求较优的设计方案。

2.前保总成的设计目标

对该保险杠系统，设计的目标如下：

表1 行人小腿伤害值要求指标

3. 本文的研究思路

由于整车厂已经确定了前保险杠系统的布置方案，因而想通过改变保险杠系统各零件的空间布置来改善伤害值指标的方法已经无效。本文的研究思路是：首先是根据经验确定对行人保护小腿伤害值影响较大的自主设计的零件，然后研究零件厚度对行人保护伤害值的影响，针对重要的壁厚参数进行优化设计，以较小的设计代价获得较大的改进效果。

根据经验，在前保总系统中，对行人小腿伤害值影响较大的零件有：保险杠蒙皮、泡沫吸能块、小腿防撞梁、大腿防撞梁(如图1所示)。由于同时需要考虑低速碰撞法规[2]对汽车前部的影响，设计方案中不再对泡沫吸能块进行减弱。本文通过HyperStudy的DOE模块快速分析了保险杠蒙皮壁厚、小腿防撞梁、大腿防撞梁本体及其加强筋的壁厚对行人小腿伤害值的影响灵敏度，筛选出对结果影响较为敏感的壁厚参数，然后基于筛选后的参数，利用HyperStudy的优化模块进行优化分析，从众多壁厚组合方案中获取一种能够满足客户要求的方案。

图1  汽车前保系统Y=0截面图

4. 汽车前保系统行人保护仿真分析

4.1 汽车前保总成模型的建立

出于仿真效率与实际情况的考虑，仅对汽车前部进行了仿真建模，主要包括：保险杠总成、引擎盖总成、前端模块总成、车灯总成及部分车身的钣金零件等。保险杠总成后部的车身使用刚体单元替代，并在刚性单元上赋予相应的车身质量和必要的约束，如图2所示。建模中单位统一使用：mm,s,ton.

图2行人保护仿真模型

4.2 初始边界条件

对行人保护仿真模型而言，小腿冲击器的初速度为11111mm/s,沿X向。如图2所示，约束刚体单元六个方向的自由度。

4.3 接触定义

行人保护仿真模型的接触的定义主要包括：

1）前保总成零件的自接触：接触类型选择contact 36

2）小腿模型的自接触：contact 10

3）小腿模型与保险杠总成的接触：contact 33

摩擦系数：自接触模型系数定义为0.15，面面接触摩擦系数定义为0.2。

4.4碰撞点的确定

按照Euro-NCAP(Version-5.1)法规进行碰撞区域划分，定义汽车前保Y0、角点等位置共计四个点为碰撞点，为研究关键零部件对行人小腿伤害值影响的一般规律，本文只取Y0位置（见图1）的碰撞点进行研究，然后再推广到其余碰撞点位置。

4.5仿真结果

行人小腿与汽车前保系统碰撞后的伤害值曲线如下图所示。

图3行人保护伤害值曲线

从以上曲线可以看出，小腿的冲击加速度最大为137g,不满足客户规定的120g的要求;弯曲角度与韧带剪切位移的最大值均较大幅度的低于能满足客户规定的目标，这是因为在前保系统的概念设计阶段已考虑了结构设计对行人保护小腿伤害的影响。

为快速有效的找到满足客户要求的方案，使用澳汰尔的HyperSutdy软件对前保系统进行DOE分析，找出对伤害值影响较为敏感的壁厚参数，然后进行系统的壁厚优化。

5. 前保系统DOE分析与尺寸优化

5.1试验设计

为减小计算量，将以上参数设计成一个7因素2水平的L16正交表，如下所示。

表2  L16正交表

设计参数名称及设计变量如下表所示：

表3  设计变量分布表

下面是每个因素不同指标的变化趋势图，从图中可以看出各因素对指标的影响及变化趋势:
从图4可以看出，对胫骨冲击加速度影响较为敏感的参数为中间五个参数变量，分别为T2、T3、T4、T5、T6，且加速度值随着参数壁厚值的增大而增大，这和理论与经验是一致的。因为随着各零件壁厚的增加，保险杠系统的刚度增加，从而降低保险杠对小腿冲击器的缓冲与吸能效果，因而加速度值是增大的；图5显示，对韧带剪切位移较为敏感的参数分别为T1、T6、T7,说明大腿防撞梁对韧带剪切位移的影响最为显著；从图6可以看出，对小腿弯曲角度影响显著地参数为T2、T5、T6，说明小腿防撞梁的设计对该参数有着非常重要的影响；并且从图5和图6还可以看出，无论何种试验方案，韧带剪切位移和小腿弯曲角度均能满足客户目标要求。因此，主要研究T2、T3、T4、T5、T6这五个参数变量的组合方案对胫骨冲击加速度值的影响

图4 加速度的主因图

图5 韧带剪切位移的主因图

图6 弯曲角度的主因图

5.2优化数学模型

利用Hyperstudy对汽车前保系统各主要零件进行尺寸优化，取T2、T4、T5、T6、T7这五个参数为设计变量，韧带剪切位移与小腿弯曲角度为约束条件，胫骨加速度为优化目标，优化的数学模型如下：

5.3优化结果

整个优化过程进行了30次迭代，即相当于软件自动对30中不同壁厚的组合方案进行了计算。目标函数和约束条件的变化分别如图7、图8与所示。从图7可以看出，当迭代进行到第13次的时候，小腿的胫骨加速度最小，非常接近目标值120g,而从图8可以看出，小腿弯曲角度与韧带剪切位移均在约束设定的范围之内。

图7 胫骨加速度与迭代过程的关系图

图8 剪切位移与弯曲角度与迭代过程的关系图

提取第13次迭代的有限元模型和计算结果，并和初始设计变量与计算结果比较如下：

由上表可知，优化后小腿弯曲角度与韧带剪切位移在数值上有微小的增长，而胫骨加速度降低了16.4%，为120.6g,根据经验，如果将保险系统装配在整个车辆上进行仿真计算，胫骨加速度会有所降低，能满足客户目标要求。

6. 结论

Altair的HyperStudy优化软件应用广泛、界面友好，且与市场上的主流CAE分析软件有较好的接口。本文就是基于Hyperstudy和有限元求解器进行联合的优化方法。通过HyperStudy的DOE模块进行分析可以快速找到对行人保护伤害值影响较灵敏的设计参数，并利用Hyperstudy的优化模块，以这些参数为设计变量，以胫骨加速值为设计目标，而设定韧带剪切位移与小腿弯曲角度为约束条件，对保险杠系统进行了优化，在有效的降低了零件质量的同时，使得胫骨加速度伤害值降低了17.4%，达到120.6g,基本满足客户的要求。

本文通过优化方法得出的保险杠系统的设计参数对行人小腿伤害值的影响规律与文献[3]是基本一致的，从另一个侧面证明优化分析的正确性。

7. 参考文献

[1]王元博,夏勇,景谊明等. 考虑行人腿部保护和低速碰撞特性的保险杠系统的概念设计[M ] . 2009中国汽车安全技术国际研讨会,2009 .
[2]GB17354-1999 低速碰撞法规.
[3]Susanne Dorr, Hartmut Chladek and Armin Hub, Crash simulation in pedestrian protection [ J ]. 4th European LS-DYNA Users conference, 2011.

The analysis and optimization of the pedestrian protection based on HyperStudy
Xu Dekui Ma zhongyu

Abstract：The CAE model of the front bumper assembly was established, then pedestrian protection numerical calculation was done. DOE and Optimization analysis are performed for pedestrian safety system of front bumper based on HyperStudy. Firstly, The design variables are chosen with DOE techniques: then the optimization model is built with tibia peak acceleration as objective function, the thickness as design variables, and the maximum knee bending and shearing deformation as state variables; lastly, the calculation is done to be sure of the best design, which not only lower the weight of the part, but also meet the regulation requirement of the customer.
Key words：Front bumper  Pedestrian protection  HypersSudy  DOE  Optimization