一种梯度力学性能零件过渡区优化设计方法

摘要

本发明公开了一种梯度力学性能零件过渡区优化设计方法，包括对零件力学性能过渡区的分布规律进行优化设计：以零件过渡区的大小作为设计变量、该零件的性能需求作为优化目标、该零件的最优性能需求作为约束条件，建立优化数学模型；确定试验组数，针对每组试验，在其中一个过渡区的取值范围内确定各个取值，基于等强度变化率的原则，即任意相邻力学性能区域的抗拉强度之差与位于该相邻力学性能区域之间的过渡区的大小之间的比值为一定值，从而确定其它过渡区对应的取值，对每组试验进行分析计算，即可得到零件最优的力学性能过渡区的大小。本发明可以使零件的不同力学性能区域之间的变化为平滑过渡，进而得到性能最优的梯度力学性能零件。

说明书

技术领域

本发明属于汽车轻量化及结构设计技术领域，具体涉及一种梯度力学性能零件过渡区优化设计方法。

背景技术

为了满足汽车轻量化重大需求，超高强度钢热冲压零件在汽车工业得到广泛的应用。然而人们逐渐意识到汽车车身安全结构件在强度提升的同时，还应满足碰撞吸能要求。具有梯度力学性能的汽车车身安全结构件实现了车身强度与碰撞安全性能的良好匹配。

梯度力学性能零件是指同一零件的不同区域有着不同力学性能需求的一种新型功能零件。以汽车B柱为例，上部区域需要有足够的强度与整车车身框架相连接，以保证车体的完整；下部区域则与底盘相连接需要有较好的延展性而吸收能量，以防止碰撞入侵。目前，部分学者研究了热冲压零件力学性能梯度分布规律，但是针对相邻不同力学性能区域之间的过渡区(大小及强度分布)如何设计鲜有报道。为了使不同力学性能区域之间的变化为平滑过渡，针对零件力学性能过渡区分布规律的研究显得非常重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种梯度力学性能零件过渡区优化设计方法，它可以使零件的不同力学性能区域之间的变化为平滑过渡，进而得到性能最优的梯度力学性能零件。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种梯度力学性能零件过渡区优化设计方法，包括对零件力学性能过渡区的分布规律进行优化设计：以零件过渡区的大小作为设计变量、该零件的性能需求作为优化目标、该零件的最优性能需求作为约束条件，建立优化数学模型；确定试验组数，针对每组试验，在其中一个过渡区的取值范围内确定各个取值，基于等强度变化率的原则，即任意相邻力学性能区域的抗拉强度之差与位于该相邻力学性能区域之间的过渡区的大小之间的比值为一定值，从而确定其它过渡区对应的取值，对每组试验进行分析计算，得到一组最优性能需求，即得到零件最优的力学性能过渡区的大小。

按上述技术方案，所述力学性能区域的抗拉强度为对零件的力学性能分布位置进行优化得到的优化的力学性能区域的抗拉强度：对零件所有力学性能区域的抗拉强度进行优化设计，以零件的设计抗拉强度作为设计变量、该零件的性能需求作为优化目标、该零件的设计性能需求作为约束条件，建立优化数学模型，设计并实施正交试验，得到第一组最优性能需求，即得到一组优化的力学性能区域的抗拉强度。

按上述技术方案，所述零件的最优性能需求为对该零件的力学性能区域大小进行优化得到的第二组最优性能需求：对零件所有力学性能区域的大小进行优化设计，以零件的设计力学性能区域大小作为设计变量、该零件的性能需求作为优化目标、第一组最优性能需求作为约束条件，建立优化数学模型，设计并实施正交试验，得到第二组最优性能需求，即得到一组优化的力学性能区域的大小。

按上述技术方案，采用遗传算法对每组试验进行分析计算。

按上述技术方案，所述梯度力学性能零件为B柱加强板，所述性能需求包括对应驾驶员胸部处的最大侵入量、对应驾驶员胸部处的最大侵入速度、对应驾驶员腹部处的最大侵入量以及对应驾驶员腹部处的最大侵入速度，所述设计性能需求包括优化前对应驾驶员胸部处的最大侵入量、优化前对应驾驶员胸部处的最大侵入速度以及优化前对应驾驶员腹部处的最大侵入速度。

本发明，具有以下有益效果：本发明以零件过渡区的分布规律为优化对象，采用等强度变化率的设计方案确定各组试验中过渡区大小的取值，可以使得不同力学性能之间的变化为平滑过渡，进而得到性能最优的梯度力学性能零件。这种方法原理简单、易于实现，能够有效地对零件力学性能过渡区分布规律进行优化设计，促进了梯度力学性能零件在汽车上的应用。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明实施例的流程图。

图2为本发明实施例中整车侧面碰撞有限元模型图。

图3a为本发明实施例中B柱加强板梯度力学性能分布位置优化设计变量图。

图3b为本发明实施例中B柱加强板梯度力学性能区域大小优化设计变量图。

图4a为本发明实施例中B柱加强板梯度力学性能过渡区的优化设计变量图。

图4b为本发明实施例中B柱加强板梯度力学性能过渡区的力学性能变化规律图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明的较佳实施例中，一种梯度力学性能零件过渡区优化设计方法，包括对零件力学性能过渡区的分布规律进行优化设计：以零件过渡区的大小作为设计变量、该零件的性能需求作为优化目标、该零件的最优性能需求作为约束条件，建立优化数学模型；确定试验组数，针对每组试验，在其中一个过渡区的取值范围内确定各个取值，基于等强度变化率的原则，即任意相邻力学性能区域的抗拉强度之差与位于该相邻力学性能区域之间的过渡区的大小之间的比值为一定值，从而确定其它过渡区对应的取值，对每组试验进行分析计算，得到一组最优性能需求，即得到零件最优的力学性能过渡区的大小。

在本发明的优选实施例中，为了进一步加强优化效果，力学性能区域的抗拉强度为对零件的力学性能分布位置进行优化得到的优化的力学性能区域的抗拉强度：对零件所有力学性能区域的抗拉强度进行优化设计，以零件的设计抗拉强度作为设计变量、该零件的性能需求作为优化目标、该零件的设计性能需求作为约束条件，建立优化数学模型，设计并实施正交试验，得到第一组最优性能需求，即得到一组优化的力学性能区域的抗拉强度。

在本发明的优选实施例中，为了进一步加强优化效果，零件的最优性能需求为对该零件的力学性能区域大小进行优化得到的第二组最优性能需求：对零件所有力学性能区域的大小进行优化设计，以零件的设计力学性能区域大小作为设计变量、该零件的性能需求作为优化目标、第一组最优性能需求作为约束条件，建立优化数学模型，设计并实施正交试验，得到第二组最优性能需求，即得到一组优化的力学性能区域的大小。

在本发明的优选实施例中，为了进一步加强优化效果，采用遗传算法对每组试验进行分析计算。

在本发明的优选实施例中，当梯度力学性能零件为B柱加强板时，性能需求包括对应驾驶员胸部处的最大侵入量、对应驾驶员胸部处的最大侵入速度、对应驾驶员腹部处的最大侵入量以及对应驾驶员腹部处的最大侵入速度，设计性能需求包括优化前对应驾驶员胸部处的最大侵入量、优化前对应驾驶员胸部处的最大侵入速度以及优化前对应驾驶员腹部处的最大侵入速度。

本发明在具体应用时，包括以下步骤：

S1、建立梯度力学性能零件的有限元模型，该零件具有N个力学性能区域以及N-1个过渡区，每个力学性能区域的抗拉强度用σ_i表示，每个力学性能区域的大小用H_i表示，每个过渡区的大小用h_j表示，i＝1、2、3、…、N，j＝1、2、3、…、N-1；

S2、采用分级优化方法对零件力学性能的梯度分布进行优化设计，首先针对零件的力学性能分布位置进行优化设计，在此基础上，对零件的力学性能区域大小进行优化设计，两步均采用正交试验设计方法对零件力学性能梯度分布进行优化设计：

S201、先对零件的力学性能分布位置进行优化设计，即对零件所有力学性能区域的抗拉强度σ_i进行优化设计，以σ_i作为设计变量、该零件的性能需求Y作为优化目标、该零件的设计性能需求X作为约束条件，建立优化数学模型，设计并实施正交试验，得到第一组最优性能需求Y_b1，即得到一组优化的力学性能区域的抗拉强度；

S202、再对该零件的力学性能区域大小进行优化设计，即对零件N-1个力学性能区域的大小H_i进行优化设计，以H_i作为设计变量、该零件的性能需求Y作为优化目标、步骤S201中得到的Y_b1作为约束条件，建立优化数学模型，设计并实施正交试验，得到第二组最优性能需求Y_b2，即得到一组优化的力学性能区域的大小；

S3、基于等强度变化率优化方案，采用遗传算法对零件力学性能过渡区的分布规律进行优化设计：以零件N-1个过渡区的大小h_j作为设计变量、该零件的性能需求Y作为优化目标、步骤S202中得到的Y_b2作为约束条件，建立优化数学模型，在其中一个过渡区的取值范围内确定各个取值，并以步骤S201中得到的优化的力学性能区域的抗拉强度结合等强度变化率优化设计，确定其它过渡区对应的取值，即(σ_i+1-σ_i)/h_j＝(σ_i+2-σ_i+1)/h_j+1，采用遗传算法得到一组最优性能需求Y_b3，即得到零件最优的力学性能过渡区的大小，验证优化结果的合理性。

本发明采用分级优化，先后对强度分布和强度区域大小进行优化设计，以使设计变量单一，简化变强度设计的优化过程，再将零件各个力学性能过渡区的分布规律设为等强度变化率，结合遗传算法对零件力学性能过渡区的分布规律进行优化设计，使得不同力学性能之间的变化为平滑过渡，进而得到性能最优的梯度力学性能零件。这种方法原理简单、易于实现，能够有效地对零件力学性能过渡区分布规律进行优化设计，促进了梯度力学性能零件在汽车上的应用。

上述步骤S3具体包括以下步骤：

S301、确定优化设计目标、约束，并根据等强度变化率优化方案，确定设计变量及各设计变量的取值空间，优化设计数学模型为

式中，Y表示设计目标函数，s.t表示约束条件，X_i为X的第i个约束函数，X_imin为约束函数X_i的下限，X_imax为约束函数X_i的上限；

S302、对每组设计方案进行仿真计算，得到相应的仿真值；

S303、采用遗传算法得到最优的设计结果，即最优的力学性能过渡区分布规律；

S304、验证优化后结果的合理性。

本发明中均采用Ls-dyna有限元软件对设计方案进行仿真计算。

下面以汽车B柱加强板的力学性能过渡区优化设计为例，对本发明作进一步详细说明。如图1所示，本发明包括以下步骤：

S1、采用Hypermesh有限元软件建立如图2所示的整车侧面碰撞有限元模型，移动变形壁障的速度为50km/h，碰撞时间为120ms；

S2、采用分级优化方法对零件力学性能的梯度分布进行优化设计：

S201、首先针对零件的力学性能分布位置进行优化设计，图3a为B柱加强板梯度力学性能区域位置优化设计变量，根据需求确定设计变量的备选数值及水平，得到如表1所示的因素-水平表，以6个区域的抗拉强度为设计变量，对应驾驶员胸部及腹部处的最大侵入量和最大侵入速度为优化目标，根据优化前B柱加强板对应驾驶员胸部处的最大侵入量和最大侵入速度以及腹部处的最大侵入速度为约束条件，可定义优化数学模型如下

式中，D_Amax、D_Bmax分别表示B柱加强板对应驾驶员胸部和腹部处的最大侵入量，V_Amax、V_Bmax分别表示B柱加强板对应驾驶员胸部和腹部处的最大侵入速度；

采用自适应响应面优化方法，得到了合理的梯度力学性能区域位置分布，如表2所示，优化设计目标及约束条件对比结果如表3所示；

表1

表2

区域IIIIIIIVVVI强度(MPa)800600100010001000600

表3

优化前157.1295.298199.5666.301力学性能分布位置优化后143.5194.871185.9505.865

S202、在此基础上，对零件的力学性能区域大小进行优化设计，图3b为B柱加强板梯度力学性能区域大小优化设计变量，根据需求确定设计变量的备选数值及水平，得到如表4所示的因素-水平表，以5个区域大小为设计变量，对应驾驶员胸部及腹部的最大侵入量和最大侵入速度为优化目标，根据力学性能分布位置优化后B柱加强板对应驾驶员胸部处的最大侵入量和最大侵入速度以及腹部处的最大侵入速度为约束条件，可定义优化数学模型如下

式中，D_Amax、D_Bmax分别表示B柱加强板对应驾驶员胸部和腹部处的最大侵入量；V_Amax、V_Bmax分别表示B柱加强板对应驾驶员胸部和腹部处的最大侵入速度；

采用与上述相同的优化方法，得到了合理的梯度力学性能区域大小分布，如表5所示，优化设计目标及约束条件对比结果如表6所示；

表4

表5

区域高度(mm)160240240220200

表6

力学性能分布位置优化后143.5194.871185.9505.865力学性能区域大小优化后141.4144.432183.3425.428

S3、基于等强度变化率优化方案，结合遗传算法对零件力学性能过渡区的分布规律进行优化设计：

S301、如图4a、图4b所示，本发明采用的是等强度变化率优化方案，所以可以简化为单变量优化问题，选取过渡区①为设计变量，备选区域大小为20mm、30mm、40mm、50mm，结合表2的区域强度大小可以确定过渡区②和过渡区③的备选区域大小，力学性能过渡区优化设计的试验方案如表7所示；

表7

试验号过渡区①/mm过渡区②/mm过渡区③/mm120404023060603408080450100100

S302、采用Ls-dyna有限元软件对每组设计方案进行仿真计算，得到相应的B柱加强板碰撞性能，然后以过渡区①的大小为设计变量，对应驾驶员胸部及腹部的最大侵入量和最大侵入速度为优化目标，根据上述优化后的梯度力学性能B柱加强板对应驾驶员胸部处的最大侵入量和最大侵入速度以及腹部处的最大侵入速度为约束条件，可定义优化数学模型如下

式中，D_Amax、D_Bmax分别表示B柱加强板对应驾驶员胸部和腹部处的最大侵入量，V_Amax、V_Bmax分别表示B柱加强板对应驾驶员胸部和腹部处的最大侵入速度；

S303、采用遗传算法，得到了此方案下的最优过渡区分布，其中三个过渡区域的强度变化率相同，如表8所示，

表8

S304、为了验证优化后结果的合理性，将优化设计目标及约束条件进行对比，如表9所示，可以看出，采用本发明所述的力学性能过渡区优化方法，使得汽车B柱加强板的碰撞性能得到显著提升。

表9

力学性能梯度分布优化后141.4144.432183.3425.428力学性能过渡区优化后138.0994.319181.9795.254

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。