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Research on Application of Electric Vehicle Collision Based on Reliability Optimization Design Method(基于可靠性优化设计方法的电动汽车碰撞应用研究)
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  • Research on Application of Electric Vehicle Collision Based on Reliability Optimization Design Method(基于可靠性优化设计方法的电动汽车碰撞应用研究)摘要:在提到多学科设计优化方法时,往往采用确定性优化设计来设置约束边界。此外,在设计、制造和运行过程中,只有少量的空间公差(或不确定度)可用。因此,缺乏不确定性的确定性优化设计不能满足可靠性设计优化的需要。本文将可靠性优化设计方法、有限元分析、最优拉丁超立方体试验设计和响应面近似模型相结合,对电动汽车侧面结构进行优化设计,提高其耐撞性。本文首先建立了电动汽车侧面碰撞有限元模型并进行了验证。然后,以车辆受力结构的尺寸和材料屈服强度为设计变量,并以实际碰撞中的碰撞速度为随机变量,采用95%可靠性优化方法对汽车侧面碰撞的耐撞性进行优化。结果表明,95%可靠性优化设计使车身侧部总能量吸收提高了9.45%,B柱和车门内板的侵入分别降低了10.42%和14.75%。B柱和车门内板的侵入速度分别降低了10.35%和17.78%。通过与传统确定性优化方法和可靠性优化方法的比较,后者能更好地满足碰撞安全目标,提高车身设计的可靠性。

    关键词:可靠性优化;电动汽车;试验设计;有限元仿真;安全性。

    1 介绍
    为了解决环境和能源问题,世界各国都在大力发展电动汽车产业。与传统燃料汽车相比,电动汽车在碰撞过程中具有特殊性。除了汽车碰撞结构变形造成的乘员伤害外,还必须考虑动力电池碰撞挤压引起的火灾爆炸危险。
    近年来,国内外学者在汽车碰撞安全领域开展了一系列可靠性研究。对于多目标优化问题,钱等人[2017]采用统一拉丁方试验设计方法,建立了精度高的近似模型,实现了车体的轻量化。youn和choi[2004]提出了一种高效稳定的可靠性优化设计混合平均法,发展了一种新的可靠性优化设计响应面方法,并将该方法应用于汽车侧面碰撞结构优化设计。它不仅提高了汽车侧面碰撞的耐撞性,而且实现了车身的轻量化。Lee等人[2008]提出了一种基于可靠性的稳健优化设计方法,并用单变量降维法、性能矩积分法和百分位差分法进行了精度和效率的比较。将其应用于汽车的耐撞性,得到了一种较好的耐撞性可靠性优化设计方法(RODM)。marklund和nilsson[2001]在线性和二次响应曲面的基础上,采用全局逼近的方法对车身进行优化。潘等人[2010]采用实验设计和向量迭代法对B柱结构点焊进行优化。
    这些优化设计方法为提高车身碰撞安全性提供了有益的探索,但这些研究仅仅是基于侧面碰撞法规。由于侧面碰撞规则中的碰撞速度是固定的,没有考虑实际交通条件下碰撞速度的随机性,安全性不一定满足最优可靠性要求。其次,RODM不涉及电动汽车的安全研究领域,以提高车身的安全性。
    由于传统优化设计的不确定性,导致优化后的车身刚度和强度均不满足可靠性要求。针对实际工况下碰撞速度的随机性,进行了基于RODM的车身结构应用研究。
    2 可靠性优化设计理论
    2.1 最优拉丁超立方体实验设计
    拉丁超立方体实验设计将各个因素的设计区域平均分割,并随机组合各个层次。因此,在对高维设计空间进行采样时,采样点可能分布不均。因此,最优拉丁超立方体实验设计方法正是基于拉丁超立方体方法的理论,优化算法将采样点均匀分布在设计空间中。通用优化准则[Klepaczko(2005)]:假设响应的数学模型是,其中q(x)是平均值为零的高斯分布函数。l维参数(S和T)的协方差函数为q(x)性能由参数q和θ决定,因此,最终的优化准则等于-log丨R丨的最小值。
    2.2 可靠性优化设计理论介绍
    产品制造过程中存在一定的偏差。这样的偏差可以在预期产品的平均值附近波动;因此,实际情况中的变量是不确定的。传统的确定性优化设计结果往往收敛于边界约束,给设计、制造和运行过程留下很小的允许误差[Hai等人(2009年)]。但由于确定性优化不考虑不确定性因素,这类结果往往导致不可靠的结果。因此,有必要基于可靠性理论对产品进行优化设计。可靠性优化设计是将设计变量按一定概率随机分布,最终使产品的失效概率在一定范围内。因此,它是一种能够定量评价产品可靠性并获得产品性能最优解的优化方法。
    采用概率统计、可靠性分析和优化设计相结合的方法,对机械结构进行设计和优化,确保结构的安全可靠。因此,基于概率统计和随机过程理论,RODM的发展迅速,应用广泛。可靠性优化是将设计变量按一定的概率随机分布,最终使产品失效概率在一定的期望范围内的方法。因此,可靠性优化方法是一种能定量评价产品可靠性,同时使产品性能达到最优解的方法。在可靠性优化中,将可靠性要求输入到目标函数或约束条件中。利用该优化方法,可以得到产品设计的最优解,达到预定的最佳目标[张等人(2007)]。可靠性优化方法由可靠性分析和可靠性优化两部分组成。可靠性分析是可靠性优化的基础。可靠性的主要任务是确定系统或结构部件的失效率。失效率是违反约束界的概率,通常由输入变量的某些偏差引起。结构或系统的可靠性定义为满足问题约束条件[乔等人(2009)]的概率。...
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