汽车结构安全设计的研究

在汽车的安全性研究和现有汽车安全技术中，汽车的安全性分为被动安全性和主动安全性。从交通事故原因的调查分析结果表明，汽车预防事故的主动安全性，只能避免5%的事故，因此提高汽车在发生事故时保护乘员、行人，减轻和避免伤亡的被动安全性越来越受到人们的重视。对一辆车的安全来说，主动安全和被动安全都必须放到同等重要的位置，而被动安全性能则和一款车型的车身设计有着密不可分的关系，一个坚固的车身能大大降低碰撞对车内乘员所带来的伤害，而先进的设计理念和合理的用料则决定着车身是否能在关键时刻力挽狂澜，本文从多个方面总结了汽车结构安全设计。

1 太阳能汽车悬架设计[1]

1.1 主要目的和主要原理

De Camargo对太阳能汽车的悬架系统进行了深入的研究，特别是对直接负责承受轮毂力的结构部件进行设计，这对车辆的稳定性起到关键作用。通过静态和模态有限元分析，对碳纤维增强塑料制成的三种不同形状进行了分析和比较：两个前叉与一个横臂连接，一个轮毂与一个新的滑动轮毂系统相连。悬架系统无疑是汽车正常运转的最重要的系统之一。它不仅负责为乘客提供舒适的外部振动，而且还负责减震软化，保护所有机械部件，同时保持整车重量，保持轮胎与路面增强的推进力和安全性的牢固接触。

1.2 结论及存在的问题

针对新设计的非叉臂式车轮支撑悬架De Camargo提出了一种新布置，由轮毂连接到一个滑动轮毂，它直接连接到弹簧，旨在减少能源消耗的摩擦。众所周知，单球接头需要比滑动轮毂更少的摩擦力，但是十字臂的整体关节的设计使得单个滑动面的选择变得更加合理。此外，通过碳纤维改进这种设计使其更紧凑，需要较少的零件数量，也大大减轻了所需的重量。模态分析允许根据固有频率和振型来确定结构的振动响应。使用有限元的方法进行优化设计是一个基本步骤，通常用作详细的动态分析（如谐波、动态和刚体运动）的起点。我们知道每一个结构都可以受到不同外力的影响，如果它们在共振条件下可能会导致其机械部件的磨损和耐久性问题。因此，模态分析可以研究振动引起的结构的动态特性，旨在通过改进给定的机械设计来确定共振频率，从而预测和避免共振现象。

2 多功能增材制造的设计框架嵌入式结构的耦合优化策略[2]

2.1 主要目的和主要原理

Panesar A对汽车结构的安全性设计进行了优化设计。提出了一种基于耦合系统和结构设计来优化多功能部件的方法。这是通过在一个结构拓扑优化过程中，将一个由若干连接的功能部件组成的系统结合在结构响应中的一部分来实现的。通过对具有集成元件和电路的悬臂板进行耦合优化，证明了该方法的可行性。结果表明，该方法能够设计出既考虑结构要求又考虑系统要求的多功能零件。

2.2 结论及存在的问题

Panesar A设计了一个体素建模环境，以实现系统设计、数值分析和制造之间的无缝过渡，它们都依赖于离散的体积空间。具体而言，用于系统设计的体素，用于FEA的六面体单元和用于喷射的bmp文件格式的具有相关层厚度的2D像素。同时，Panesar A提出了一个耦合优化公式，该公式可以确定最佳的材料和系统布局，因为它解决了覆盖在结构设计问题上的系统设计问题。尽管这种发展的直接应用是能够使得设计具有嵌入式功能系统的增材制造（喷射）复合材料部件。例如具有电气部件和导电轨道的结构部件。但是，Panesar A提出的策略应该被考虑用于解决更一般的工程问题。Panesar A的主要贡献是改进的启发式定义，允许一个更合适的耦合策略，其中的系统设计是同时进行的结构优化。仿真结果表明，所提出的耦合方法具有很强的适用性，其中系统灵敏度，特别是路由灵敏度，结合多个设计问题的结构敏感性。

3 客车用散热器冷却风扇的设计优化[3]

3.1 主要目的和主要原理

汽车散热器冷却风扇已被视为是一个重要的噪声源，在车辆和日益增加的噪音环境下，对于汽车散热器冷却风扇的优化设计是十分重要的。虽然现有的一些经验预测技术已经很多，但是它们仍不够准确，不能详细描述整个噪声谱和各种容易出现噪声的区域。因此，对于高精度的计算流体动力学（CFD）的研究是必不可少的。CFD中的大涡模拟技术是用来解决流体的微小尺度运动的，因为与系统级压力相比，模拟的声压非常小，而且要求非常精确。详细的网格依赖性是为了实现更高的精度以及将网格要求保持在计算可行的区域内。通过比较频域中的A加权声压级（SPL）谱，证实了CFD研究得到的数值结果与测试结果的对比。

3.2 结论及存在的问题

这项工作分为两大部分，第一部分是风扇噪声的CFD分析和通用工艺布局的建立。第二部分的工作重点是对整体噪声和噪声频谱进行几何修改的研究。该实验在半消声室中进行验证。只是简单地应用实验程序以获得用于建立计算模拟的模型。这里采用一个6叶片冷却散热器风扇模块用于验证和确认风扇噪音数据。散热器在实验过程中不会使用，实验的目的是模拟无散热器的独立风扇模块的噪声谱。风扇的CFD分析必须在截断域中进行。选择该域是为了尽量减少计算需求，并尽量减少通道对计算的影响。该域与四个不同的表面网格以及体积网格进行网格化，以研究网格灵敏度的影响以及获得不敏感的网格。使用任何湍流模型的一个重要考虑因素是无量纲参数y+，它是粘性效应渗透的距离的定量度量。需要系统地对各种几何变化做进一步研究，以建立一个标准来优化风扇的噪声特性。

4 汽车结构的多学科设计优化方法[4]

4.1 主要目的和主要原理

多学科设计优化（MDO）可以作为改进汽车结构设计的有效方法。大规模MDO问题通常涉及多学科，他们必须同时并自主地工作才能高效地解决方案。比较现有的MDO方法，并根据汽车结构应用的特性评估其适用性是目前汽车结构的多学科优化方法的主要研究方向。同时，多层次和单层次的优化方法都要进行考虑。在优化汽车结构时，通常需要元模型来减轻详细仿真模型的计算负荷。元模型可以在优化过程之前由各个团队创建，从而提供分配工作的方式。因此，结合模型的单级方法是实施MDO为汽车结构发展的最直接的途径。如果多级优化方法在特殊情况下的优点被认为是弥补了其缺点，那么分析目标群相对于协作优化具有许多优点，但是这两种方法都是可能的选择。然而，似乎没有任何适用于汽车应用的MDO方法的研究。此外，在汽车开发中使用的许多模拟模型，必须包含元模型。

4.2 结论及存在的问题

汽车各子系统的分析内容成相互交错的网络结构，要改变传统整体优化方式，采用分布式网络优化，就要在总统系统分析的基础上进行系统分解，将耦合的设计系统分解组织成一些比较简单的子问题。采用各学科比较成熟完善的分析工具来分析，然后对相对独立的子问题进行协调、优化。我们应用车辆一体化设计分析系统（IVDA）来分析设计。在IVDA系统中，结构分析和设计采用弹性梁模型处理，利用NASTRAN软件程序计算响应和敏感性，并在车体强度、车身长度、弯扭频率等约束限制下优化车体重量。空气动力学气动阻力分析采用神经网络方法，对实验数据进行拟合计算。这样各学科子任务可以实现并行设计，在优化程序运行过程中，充分利用了各学科局部的分析优化能力，控制学科间的耦合设计变量，并且在结构学科优化过程中，同时进行多学科的敏感性分析计算。

[1]De Camargo F V,Fragassa C,Pavlovic A,et al.Analysis of the suspension design evolution in solar cars[J].FMETransactions,2017,45(3)：394-404.

[2]Panesar A,Brackett D,Ashcroft I,et al.Design framework for multifunctional additive manufacturing：Placement and routing of three-dimensional printed circuit volumes[J].Journal of Mechanical Design,2015,137(11)：111414.

[3]Tare K,Mukherjee U,Vaidya R J.Design Optimization of Automotive Radiator Cooling Module Fan of Passenger Vehicle for Effective Noise Management Using CFD Technique[R].SAETechnical Paper,2017.

[4]Domeij Bäckryd R,Ryberg A B,Nilsson L.Multidisciplinary design optimisation methods for automotive structures[J].International Journal of Automotive and Mechanical Engineering,2017,14(1)：4050-4067.