基于拓扑优化的车辆底部防护组件改进设计

毕政 周云波 吴凯 李明星 孙晓旺

毕政, 周云波, 吴凯, 李明星, 孙晓旺. 基于拓扑优化的车辆底部防护组件改进设计[J]. 爆炸与冲击, 2021, 41(4): 043901. doi: 10.11883/bzycj-2020-0141
引用本文: 毕政, 周云波, 吴凯, 李明星, 孙晓旺. 基于拓扑优化的车辆底部防护组件改进设计[J]. 爆炸与冲击, 2021, 41(4): 043901. doi: 10.11883/bzycj-2020-0141
BI Zheng, ZHOU Yunbo, WU Kai, LI Mingxing, SUN Xiaowang. Improved design of vehicle bottom protective components based on topology optimization[J]. Explosion And Shock Waves, 2021, 41(4): 043901. doi: 10.11883/bzycj-2020-0141
Citation: BI Zheng, ZHOU Yunbo, WU Kai, LI Mingxing, SUN Xiaowang. Improved design of vehicle bottom protective components based on topology optimization[J]. Explosion And Shock Waves, 2021, 41(4): 043901. doi: 10.11883/bzycj-2020-0141

基于拓扑优化的车辆底部防护组件改进设计

doi: 10.11883/bzycj-2020-0141
基金项目: 国家自然科学基金(51405232,11802140);中央高校基本科研业务费专项资金(30918011303);道路交通安全公安部重点实验室开放基金(2018ZDSYSKFKT09)
详细信息
    作者简介:

    毕 政(1997- ),男,硕士研究生,koery806@163.com

    通讯作者:

    周云波(1980- ),男,博士,副教授,yunbo31983@163.com

  • 中图分类号: O383; TJ81

Improved design of vehicle bottom protective components based on topology optimization

  • 摘要: 为提升车辆底部防护组件的抗爆性能,降低车身底板变形对车内乘员的威胁,基于混合自动元胞机法对防护组件中的加强梁进行拓扑优化设计,得到了加强梁的最佳材料分布形式,随后根据拓扑优化结果进行了工程诠释和重新设计。为了进一步提升防护组件的抗爆性能,采用多目标优化的方法对加强梁进行优化设计,以基板的挠度峰值、基板的最大动能和防护组件质量为优化目标,防护组件的质量为约束条件,以及梁的厚度、截面尺寸为设计变量,得出加强梁各参数组合的最优方案。结果表明,相比于初始设计,该方案在不增加结构质量的情况下,防护组件的抗爆性能得到显著提升,改进后基板的挠度峰值降低了5%,基板的最大动能降低了11.58%。
  • 图  1  爆炸冲击台架数值模型

    Figure  1.  Simulation model of explosive impact bench

    图  2  防护组件爆炸数值计算结果

    Figure  2.  Explosion simulation results of protective components

    图  3  台架爆炸试验结果与分析

    Figure  3.  Bench explosion test results and analysis

    图  4  台架模型简化及分析

    Figure  4.  Bench model simplification and analysis

    图  5  拓扑优化模型

    Figure  5.  Topology optimization model

    图  6  拓扑优化结果与工程解读

    Figure  6.  Topology optimization results and engineering interpretation

    图  7  设计变量位置图

    Figure  7.  Design variable position diagram

    图  8  帕累托解集

    Figure  8.  Pareto set

    图  9  改进后基板最大变形图

    Figure  9.  Maximum deflection of the test plate after optimization

    图  10  改进前后基板动能

    Figure  10.  Kinetic energy of test plate before and after optimization

    表  1  正交试验设计结果

    Table  1.   Results obtained by orthogonal test design

    试验T1/mmT2/mmT3/mmT4/mmT5/mmd/mmK/kJ
    17.25.43.63.60.288134.439.1
    27.25.43.64.40.352130.538.7
    37.26.64.43.60.288126.635.4
    47.26.64.44.40.352122.135.3
    58.85.44.43.60.352128.737.2
    68.85.44.44.40.288127.335.8
    78.86.63.63.60.352123.532.2
    88.86.63.64.40.288123.132.8
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    表  2  基板挠度峰值及最大动能影响因素显著性分析

    Table  2.   Notability analysis of peak deflection and maximum kinetic energy of test plate influence factors

    来源基板挠度峰值/mm 基板最大动能/kJ
    平方和均方F平方和均方F
    T115.12515.12588.971 13.78113.78126.956
    T281.92081.920481.882 28.50128.50155.748
    T3 5.780 5.78034.000 0.101 0.101 0.198
    T413.00513.00576.500 0.211 0.211 0.413
    T5 5.445 5.44532.029 0.011 0.011 0.022
    误差 0.340 0.340 1.022 1.022
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    表  3  设计变量取值范围

    Table  3.   Design variable value range

    设计变量变量描述初始值下限上限
    X1/mm边梁厚度446
    X2/mm原有纵梁厚度436
    X3/mm横梁厚度426
    X4/mm新增纵梁厚度213
    X5/mm原有纵梁宽度10080120
    X6/mm横梁宽度10080120
    X7/mm新增纵梁宽度604872
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    表  4  不同近似模型误差分析

    Table  4.   Error analysis of different approximate models

    性能指标样本相对误差/%
    RBF_MQkrigingSVR
    基板的挠度峰值/mm1−1.24 0.611.53
    24.611.314.26
    31.123.24−1.72
    41.23−1.27 2.36
    51.571.064.87
    61.432.111.65
    71.584.71−1.42
    82.02−1.21 2.31
    平均相对误差1.541.321.73
    最大相对误差4.614.714.87
    基板的最大动能/kJ10.550.501.08
    21.034.031.51
    31.32−1.52 2.65
    42.451.693.28
    52.602.37−1.38
    62.321.862.19
    7−2.36 1.172.52
    81.291.023.51
    平均相对误差1.151.391.92
    最大相对误差2.604.033.51
    防护组件质量/kg1−0.022 0.0190.31
    2 0.033−0.0240.61
    3 0.023 0.0220.87
    4 0.018 0.0350.98
    5 0.081 0.0860.16
    6 0.032 0.0570.52
    7 0.046 0.069−0.21
    8 0.021−0.0160.12
    平均相对误差 0.029 0.0310.42
    最大相对误差 0.081 0.0860.98
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    表  5  优化前后设计变量取值

    Table  5.   Design variable values before and after optimization

    设计变量初始值优化值
    X1/mm4 4.85
    X2/mm4 3.93
    X3/mm4 2.00
    X4/mm2 2.73
    X5/mm100108.20
    X6/mm100 80.00
    X7/mm60 62.52
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    表  6  优化解的预测值与计算值对比

    Table  6.   Comparison of the predicted and simulated values of the optimized solution

    优化目标预测值计算值相对误差/%
    基板的挠度峰值/mm111.36115.904.08
    基板的最大动能/kJ 27.03 27.100.26
    防护组件质量/kg353.71354.120.12
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    表  7  改进前后各性能指标对比

    Table  7.   Comparison of performance indexes before and after optimization

    优化目标改进前改进后变化量/%
    基板的挠度峰值/mm122115.90 −5.00
    基板的最大动能/kJ30.65 27.10−11.58
    防护组件质量/kg360354.12 −1.63
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-05-11
  • 修回日期:  2020-08-14
  • 网络出版日期:  2021-04-14
  • 刊出日期:  2021-04-14

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