基于神经网络的变截面梁抗撞性分析及其优化设计.pdfVIP

振动与冲击 第29卷第10期 JOURNALOFVIBRA，ITIONANDSHOCK V01．29No．102010 基于神经网络的变截面梁抗撞性分析及优化设计 武和全1，辛勇2 (1．长沙理工大学汽车与机械工程学院，长沙410114；2．南昌大学机电工程学院，南昌330031) 摘 要：通过比较不同截面形状薄壁梁碰撞吸能特性曲线，提出了一种有效的变截面薄壁梁结构，并将该结构应 用于某车架前纵梁的碰撞模拟中，以提高其动态吸能能力。将人工神经网络引入抗撞性优化设计中，选取变截面梁的主 要设计参数作为研究对象，将有限元分析与试验设计、神经网络和遗传算法等结合起来，对变截面梁各结构尺寸进行了抗 撞性优化设计。建立了变截面梁结构的总吸能神经网络预测模型，并采用遗传算法进行了优化求解。最后将优化好的变 截面薄壁梁结构应用于整车40％偏置碰模拟中，结果表明A柱的加速度峰值显著降低，整车的被动安全性得到提高。 关键词：汽车工程；抗撞性；神经网络；变截面梁；优化设计 中图分类号：U461 文献标识码：A 金属薄壁梁是汽车车架结构的主要组成部件，其 1 薄壁直梁件与锥形梁和梯形梁吸能特性的 本身质量较小，而轴向强度较高，能够提供较为稳定的 比较 轴向压缩力，拥有良好的能量吸收特性。在车辆碰撞 过程中，这种金属薄壁梁结构对车辆的吸能能力起着 矩形直梁件、锥形梁和梯形梁是常见薄壁梁结构。 关键性的作用。因此研究薄壤梁在轴向冲击载荷作用 为比较它们之间的吸能特性，建立了四个长度为 300 下的动态吸能特性是车辆结构抗撞性领域的重要课 mm、宽度为55mm、壁厚为2．8mm的薄壁梁，其截 题。长期以来，国内外学者通过理论分析、数值模拟和 面形状如图1所示。在薄壁梁的自由端加500 kg的集 试验研究等技术手段，对轴向载荷作用下的典型薄壁 中质量，薄壁梁以13．889m／s(50km／h)的初速度垂直 梁的碰撞力学特性进行了广泛研究¨J。其中，薄壁梁 撞击刚性墙。非线性碰撞模拟采用显式有限元软件 的截面形状和变形模式是研究的重点。H。F．Mahmood X105 等人口1研究了薄壁管轴向压缩的特性，他们通过理论 碳钢材料，弹性模量为2．1 MPa，泊松比为0．3，密 X103 分析和试验相结合的方法，得出了方形结构薄壁梁的 度为7．8 kg·m一。薄壁梁模型的碰撞接触问题 with 轴向载荷和褶皱波长之间的关系式。N．Mohamed采用自接触“Serf—impactingedgetreatment”模型， Sheriff等人【31将响应面法和遗传算法引入圆锥形薄壁自接触厚度为0．7mm，摩擦系数为0．15。设置刚性墙 梁的优化设计中，他们通过实验和数值模拟的方法研 的摩擦系数为0．2，以减缓薄壁梁在碰撞过程中的滑移 究了不同底面半径、高度、锥形角等对薄壁锥形梁抗撞 o等人的研究指出吸能元件在前 现象。因Fang．H【9·10 20 性的影响。L．J．Sparke等人【41研究了不同横截面梁形