[发明专利]车辆防翻滚系统优化设计方法

说明书

本发明公开了一种车辆防翻滚系统优化设计方法。该方法是基于结构优化设计算法，内嵌机器学习模型来快速预测结构设计与防翻滚吸能性能的关系，通过梁单元有限元分析模型计算快速生成机器学习训练所需大量数据，通过试验设计来进行取样，使得样本点在设计空间较为均匀分布，并减少样本量。通过上述方式，本发明的积极效果是解决防翻滚系统性能分析计算量大而难以优化设计的难题。本方法可以极大加速防翻滚系统的设计及给出优化后的设计，提高防翻滚安全性，降低系统重量，提高燃油经济性。

技术领域

本发明涉及汽车技术及特种作业车辆领域，特别是涉及一种车辆防翻滚系统结构性能快速评估及结构优化设计的一种方法。

背景技术

汽车翻滚是交通事故中一种非常危险的事故形式。汽车事故统计显示,汽车翻滚事故虽然仅占所有车辆事故的约3％，但是翻车事故中的死亡人数却占了全部交通事故死亡人数的20％-30％。在我国，汽车正面碰撞和侧面碰撞的法律法规日趋完善，而翻滚方面的法律法规仍然空缺。因此翻滚事故导致的人员死亡所占比例随着正面碰撞、侧面碰撞事故导致的人员所占比例的逐渐降低而呈现逐渐增多的趋势。因此，研究翻滚事故安全性、降低翻滚事故中的损伤具有重要的经济和社会意义。特种作业车辆例如工程机械及军事用途车辆由于作业环境复杂，容易产生翻滚。翻滚过程中对司乘人员的保护是一个至关重要的问题。车辆的翻滚过程非常复杂，因此对车辆防翻滚性能的评估也具有相当难度。如何设计在翻滚事故中对司乘人员具有足够保护能力而又轻量化的防翻滚系统更是一个极具挑战的问题。

汽车翻滚事故具有多样性，根据美国事故样本数据系统中结合事故外因而进行的定义，翻滚可分为绊翻、抛翻、坠翻等九种形式。绊翻、坠翻和抛翻这三者占到了翻滚事故的80％，并且都是汽车绕其纵轴旋转的翻滚。并且，对汽车翻滚相关的交通数据统计研究表明，大部分翻车事故只包含一辆汽车，翻滚事故中车辆翻滚圈数一般不超过两圈，这些特性都与工程机械的翻滚有类似之处。工程机械领域，整车翻滚测试为将一工程车辆从30°的斜坡上绕其纵轴翻滚下来的方法，这一方法与汽车的绕纵轴翻滚非常类似。然而，由于可重复性及成本过高等原因，现在工程机械领域普遍采用实验室测试来评价和认证工程车辆的防翻滚性能。

工程机械领域建立了一整套实验室准静态测试方法来评估车辆在防翻滚保护中司乘人员的能力。防翻滚性能指标包括侧向力，侧向能量吸收，竖向力，纵向力，纵向能量吸收及各个方向加载时的变形量。其中，力和能量参数需要大于等于给定的阈值，而变形量则需要小于等于规定的阈值。

鉴于工程机械防翻滚实验室测试方法的成功，并且其翻滚环境与工程车辆有较高的相似度，其基本方法可以有效移植到乘用车的防翻滚测试。由于乘用车的运行速度与工程机械有显著区别，因此，其各项力及能量吸收指标也需要额外标定，而不能直接借用工程机械。

在设计阶段对防翻滚结构的性能预测目前工业界普遍采用非线性有限元方法，经过标定的非线性有限元方法具有较高的精度，但是模型的处理和计算求解都非常费时而昂贵。由于防翻滚结构有限元分析是一个集几何大变形，材料弹塑性及接触非线性一体的高度非线性问题，因此，一个典型的工程机械车辆防翻滚非线性有限元分析包括前处理建模和求解及后处理需要数星期时间，分析求解需要在高性能计算集群上数百到上千计算机CPU核时。

复杂的模型处理及昂贵的计算费用限制了防翻滚系统的优化设计，工程实践中，设计非常依赖工程师的设计经验，通常只是在满足防翻滚性能指标前提下进行有限的局部改进。

快速的防翻滚系统性能评估是进行系统结构优化设计的基础和前提。对防翻滚结构快速进行防翻滚性能评估，通过结构优化算法获得结构的最优设计，对于提高车辆防翻滚性能，降低车辆的重量具有积极的意义。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种车辆防翻滚系统优化设计方法，能够根据系统相应质量及保护标准，直接输出防翻滚结构设计的功能，不依赖设计工程师的经验，设计的系统满足防翻滚要求，并且是一个优化解。