摘 要： 为归纳探究车门组织刚度、振动性情和侧面柱碰撞平和职能，对电动汽车车门举行基于近似模子的众方针众学科优化打算(MDO)。以全新打算的单排两座小型电动

为归纳探究车门组织刚度、振动性情和侧面柱碰撞平和职能，对电动汽车车门举行基于近似模子的众方针众学科优化打算(MDO)。以全新打算的单排两座小型电动汽车(EV)为方针车型，兴办了与实行对标的整车及车门有限元模子。基于欧洲侧面柱碰实行法式，愚弄Hammersley实行打算(DOE)格式，集合主效应领会，确定9个车门闭头零件的尺寸为打算变量；集合径向基函数(RBF)近似格式，举行全体优化。结果声明：正在包管车门振动性情的同时，众学科优化格式有用抬高车门刚度及侧面柱碰归纳目标，并告竣车门减质地7.5%。

汽车侧面碰撞事项中12%～16%是由车体侧面与柱状物撞击酿成的[1]。因为侧面柱碰的碰撞接触面尤其召集，碰撞捣鬼性亦更强。欧美车辆已将侧面柱碰职能行为车辆碰撞职能的评判项目。

车门行为侧面柱碰中爱戴乘员的厉重构成部件，除包管本体组织的根基职能外，还需具有优良的振动性情，避免正在驾驶进程中振动异响；行为侧面柱碰撞进程中闭键的吸能部件，柱碰对其平和职能提出尤其厉苛的打算哀求。车门打算时，归纳探究众项组织职能，举行众学科的并行优化企图，可避免串行优化中差别砚科打算方针对统一打算变量出现相悖哀求惹起的再三调度与验证。协同探究车门刚度、噪声、振动和声振毛糙度（noise, vibration, harshness，NVH）职能及侧面柱碰性情时，涉及到振动及碰撞非线性等差别砚科的耦合，悉数优化进程企图量宏伟。此中，碰撞性情参数与打算变量之间的非线性函数相干难以确定表达，构制精度牢靠的近似模子替代碰撞反应与打算变量的相干，可极大的减小优化企图本钱。

正在车门柱碰及众学科优化打算（multidisciplinary design optimization, MDO)范畴中，国表里学者仍旧睁开酌量[2-4]。Mark.H兴办了众个对应车门的差别地点、差别直径碰撞柱的柱碰仿真模子，领会车门正在碰撞进程中的吸能境况[5]。徐中明等人对整车侧面转移变形壁障（moving deformable barrier, MDB）碰撞及侧面刚性柱碰举行比拟酌量，得出侧面柱碰蹂躏更首要的结论[6]。曹诚探究某汽车车门的笔直刚度、自正在模态及侧面MDB侧碰职能，举行了众方针优化打算，优化后车门吸能总量扩充了12.3%，闭头点的峰值加快率低落了15.4%[7]。

因为国内侧面柱碰还未酿成法例，酌量更众闭心于汽车侧面MDB碰撞。而电动汽车(EV)因为电池箱的存正在，其侧碰职能与守旧车存正在较大差别。

本酌量针对行使新质料、新组织的小型纯电动汽车，对标车门下重、弯曲、挽回刚度实行及整车侧碰实行，确定车门静态仿真模子及整车碰撞仿真模子的有用性。进而，基于近似模子的优化格式，对车门组织刚度、NVH性情及侧面柱碰性情举行众学科协同寻优，高效地告终车门轻量化打算。

某两座小型纯电动车，整车质地为922 kg，总质地为217 kg的磷酸锂铁电池置于座椅下方，电机后置后驱。前轴轴荷413 kg，后轴轴荷509 kg。车身骨架闭键采用60系列轻质铝合金挤压成型。车门质地18.89 kg，闭键由表里板、防撞梁、门锁加紧板等11个部件构成，有限元模子爆炸视图如图1所示。

图1 车门有限元模子图1.2 车门职能实行与仿真举行车门下重、挽回、弯曲刚度的实行测试，此中弯曲与挽回实行如图2所示。下重刚度固定车门接连端搭钮，束缚门锁端绕接连端的转动，正在门锁处加载1.1 kN，侦察门锁处和车门下底边处的铅垂位移，后期优化取下底边铅垂位移为下重刚度评判参考值。

图2 车门刚度职能实行车门挽回刚度实行束缚车门接连搭钮，正在车门门锁处加载挽回力偶至50 Nm，丈量车门2条非束缚边均布的6个测点的铅垂变形量，后期优化取点1、点6两点（睹图2b）铅垂位移数据为挽回刚度的评判参考值[8]。车门弯曲刚度实行采用单载荷众测点格式，正在车门外围选用24个测点，顺序施加铅垂载荷100 N，丈量各测点的铅垂位移，后期优化取扫数加载工况中变形最大的点为弯曲刚度的评判点[8]。凭据实行前提兴办仿真企图的范围前提，下重及挽回工况的仿线加载时的各测点铅垂位移的弯曲工况的实行及仿线可知：下重实行与仿线的实行数据，企图车门挽回刚度为7.18 Nm/(°)，仿线 Nm/(°)，偏差为0.4 %。图4各点弯曲刚度仿真与实测数据吻合，测点铅垂位移量的均匀偏差小于3 %。车门下重、挽回、弯曲的仿真数据与对应的实行值均吻合优良，车门静态有限元模子有用。表1 下重刚度实行及仿线 车门模态频率仿真车门仿真中未加车窗玻璃，一阶振型表示为窗框一阶弯曲，频率为18.6 Hz；二阶频率为34.4 Hz，表示为车门完全一阶挽回；振型如图5所示（灰色为原平均地点）。

图5 车门前两阶振型图该车搭载电机额定转速为2 850 r/min，激振界限正在0～47.5 Hz，平常电机自平均较好。车辆寻常行驶时途面饱动时时为1～3 Hz，该纯电动全铝车身的最低固有频率为42.49 Hz，车轮挽回不屈均惹起的激振频率平常低于11 Hz。完全不易出现共振。

2 整车柱碰为验证整车侧碰模子的有用性，告终了整车转移变形壁障MDB侧碰实行与仿线]，正在该碰撞模子的根基前进行整车柱碰仿真。遵照Euro-NCAP兴办整车柱碰模子，如图6所示，合计426 291个单位，39个搭钮，阻尼单位及弹簧单位各4个。固定刚性柱，车辆以初始速率为29 km/h，沿y轴负向撞向刚性柱，碰撞仿线 ms。选用车门内板对应人体胸部、盆骨及下肢三处闭头节点的入侵量行为对应的评判目标，采用非碰撞侧B柱底端与门槛梁的交壤处的整车碰撞加快率行为侦察乘员非接触毁伤的特质参数。悉数碰撞进程，因为位于座椅下方动力电池组占整车质地的20%以上，使该车质心相对守旧燃油汽车质心偏下，导致了整车正在侧面柱碰进程中更易向碰撞侧侧倾。11 ms时车体展示绕x轴的侧倾，侧倾进程中车门中部及上半个别相较于车门底端受到尤其首要的挤压，胸部节点侵入量赶疾增大。38 ms后车辆回弹，整车绕x轴的侧倾角减小为0°，绕z轴的横摆角略有扩充，如图7所示。胸部、骨盆、下肢3个闭头节点的侵入量及整车加快率，如图8所示。

图8 整车柱状闭头节点入侵量及车辆加快率由图8可知：当防撞梁应力抵达最大时，加快率展示第一次波峰34.9 g；随后车辆绕侧倾，侧围上端挤压变形扩充，21 ms时抵达峰值39.4 g。胸部节点的最大入侵量为100.8 mm，盆骨处为124.1 mm，腿部为78.0 mm。车门上端有两层加紧板，正在中上部起到必然的防护吸能效率；该车车门防撞梁安顿斜角较大，正在柱撞时车门中下部没有防撞梁的爱戴，整车侧使得倾胸部侵入量前期扩充较疾；后期整车发作横摆后，盆骨处侵入量上升大于胸部侵入量。下肢地点处有刚度较大的电池箱和门槛梁出席能量摄取，使得该处相对盆骨及胸部处的y向侵入变形较小。

3 车门众学科众方针优化探究众学科优化时整车柱碰的企图本钱过高，采用独立车门组织举行侧面柱碰与车门振动性情及刚度职能的众学科并行优化。车门边框保存沿y偏向的平动和绕柱的挽回自正在度，正在整车质心地点处附加一个质地902 kg的刚性单位与车门接触[10]。仿真结果显示，车门单体的侧面柱碰仿真展示与整车柱碰相仿的侧倾角及横摆角。因为整车柱碰中体系的动能仅有30.1 %由车门摄取，使得两种碰撞结果有所差别。单车门侧面柱碰展示侧倾角大于整车柱碰，使得胸部节点侵入量偏大，而盆骨侵入量偏小，同时下肢展示反向位移，仿线所示。愚弄Hamersley实行打算格式，以车门11个闭键构件厚度为打算要素，对应车门侧面柱碰、车门下重、弯曲、挽回及车门振动工况，各天生200组样本点，以车门柱碰内板的3个闭头节点侵入量、车门质地、车门静态职能和振动频率为反应对举行各个反应的主效应领会。筛选出B柱外盖板（T1）、车门内加紧板（T2）、窗框加紧板（T3）、防撞梁（T4）、外板（T5）、内板（T6）、窗框（T7）、B柱内盖板（T8）及车门外加紧板（T9）厚度9个与职能反应闭系度较高的打算变量。

图9 单车门柱碰闭头节点侵入量图10仅列出此中的胸部侵入量、弯曲刚度测点铅垂位移及振动性情3个反应与打算要素的主效应图。图10中，胸部节点侵入量与外板、内板和外加紧板厚度的闭系度高。而防撞梁因为其装置地点，正在对盆骨侵入量影响较大，下肢次之，胸部侵入量影响较小；从完全一阶挽回频率主效应图上能够看出，防撞梁及内板对频率影响较量明明，但从弯曲主效应图及其他2个闭系刚度主效应图上看，防撞梁对车门的三个刚度职能影响较弱。闭键的大尺寸部件表里板、外板加紧板对刚度影响相对杰出。这些打算要素的取值必要正在众学科优化中协同探究。愚弄径向基（radial basis functions, RBF）神经搜集模子近似模子身手，构修出基于9个打算变量对优化方针的反应面，个别如图11所示。结果声明：该格式不妨较好的拟合出非线性模子，具有疾捷收敛的性情。闭头节点侵入量、车门静态刚度及模态频率与打算变量之间非线以胸部入侵量、弯曲刚度、挽回刚度和一阶挽回频率为例，列出反应面精度评判目标。表征全体偏差评估目标断定系数R2切近1，相对均方根偏差RMSE切近0；表征部分偏差评估目标的最大绝对偏差MAE、均方根偏差RMSE越切近0，则近似模子的拟合精度越高。仿真中兴办的近似模子反应面模子精度较高，表2中4组近似模子的R2均为1。

以车门内板的3个节点入侵量最小、车门质地最小、弯曲刚度最大、下重刚度最大为优化方针，以车门一阶挽回频率正在32～37 Hz之间，挽回刚度大于实行值的90%行为束缚目标，取得众方针优化的Pareto解集散点图，个别如图12所示。

图12 众学科众方针优化解集图12a中，挽回刚度测点位移与一阶频率涌现较为明明的反向相干；图12b中，从下重刚度测点位移量D2与下肢侵入量D1的相干看，仅把握下重刚度无法把握下肢的侵入量；但跟着下重刚度低落，抵达某一临界值，下肢侵入量有不妨快速扩充。确定最终计划及优化结果睹表3。正在振动性情稳定，车门减重7.5 %的同时，静态刚度职能获取了抬高，此中下重刚度提拔12.4 %，弯曲刚度提拔15.5 %，挽回刚度提拔12.1 %。零部件厚度转变闭键展现为内板及加紧板厚度的扩充，该车的防撞梁打算有斜置角渡过大，防柱碰后果不佳，创议改换打算地点。将优化数据带入整车侧面柱碰模子中，车门内板上对应假人胸部、盆骨和下肢3个闭头节点的侵入量弧线及座椅下端加快率弧线。优化前后碰撞职能比拟睹表4。通过低落防撞梁和外板的厚度，扩充车门内加紧板及车门内板的厚度，优化后的盆骨及胸部侵入量分歧降落10.5 %和18.3 %。下肢节点侵入量扩充了14.9 %，探究下肢实质可转移空间较大及毁伤的首要水准，该计划能够继承。侧面柱碰的整车加快率同时降落5.9 %。包管了正在减小侧碰压缩空间的根基上，低落碰撞力对乘员的蹂躏。表3 优化结果