Fortschritte im Automobilbau
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Abstrakt

Eine effektive Methode zur Topologieoptimierung für die Crashsicherheit dünnwandiger Strukturen unter Verwendung der äquivalenten linearen statischen Lasten

Chun Ren, Haitao Min, Tianfei Ma1and Fangquan Wang

Die Methode der äquivalenten statischen Lasten für die nichtlineare dynamische Reaktionsstrukturoptimierung kann bei Crashbedingungen mit großen Verformungen versagen, da die äquivalenten statischen Lasten bei der Topologieoptimierung meist außerhalb des linearen Bereichs liegen und numerische Mängel wie eine hohe Nachgiebigkeit der Elemente verursachen. Um den oben genannten Nachteil zu überwinden, wird eine fortschrittliche Methode zur Optimierung der Strukturtopologie für die Crashsicherheit vorgeschlagen, die crashreduzierte große Verformungen und plastisches Beulen berücksichtigt und neu definierte äquivalente lineare statische Lasten verwendet. Die äquivalenten linearen statischen Lasten können adaptiv skaliert werden, um zu gewährleisten, dass die Topologieoptimierung innerhalb des linearen Bereichs durchgeführt wird. Bei jedem Zyklus wird die Crashsimulation durchgeführt und der nichtlineare Knotenverschiebungsvektor zum Zeitpunkt mit der maximalen Dehnungsenergie wird mit einem adaptiven Verschiebungsskalierungsfaktor skaliert. Die äquivalenten linearen statischen Lasten, die durch Multiplikation der linearen Steifigkeitsmatrix und des skalierten Knotenverschiebungsvektors erzeugt werden, werden in die Topologieoptimierung einbezogen, wodurch gewährleistet werden kann, dass die Topologieoptimierung im linearen Bereich bleibt und die numerischen Instabilitätsprobleme weiter gelöst werden. Der Prozess wird wiederholt, bis die Konvergenzkriterien erfüllt sind. Die Wirksamkeit der vorgeschlagenen Methode wird durch die Lösung einer Crashtopologieoptimierung einer Crashbox unter Berücksichtigung des durch einen Aufprall verursachten plastischen Beulens bewertet, um die Position und das Profil der Aufprallauslöser zu bestimmen. Die Ergebnisse zeigen, dass die vorgeschlagene Methode die Crashtopologieoptimierung für große Verformungen dünnwandiger Strukturen effektiv lösen kann und eine praktikable Strategie für die Konstruktion von Aufprallauslösern in Crashboxen bietet. Mit der kontinuierlichen Zunahme der Autobesitzer sind Energieeinsparung und Sicherheit zu den wichtigsten Herausforderungen bei der Fahrzeugentwicklung geworden. Leichtbautechnologie für Fahrzeuge und strukturelles Crashdesign sind zu wichtigen technischen Mitteln geworden, um diese Herausforderungen zu meistern. Aufgrund ihres geringen Gewichts, ihrer niedrigen Kosten und der Fähigkeit, bei einem Aufprall eine große Menge kinetischer Aufprallenergie effektiv abzuleiten, werden dünnwandige Strukturen häufig in der energieabsorbierenden Struktur von Automobilpuffersystemen verwendet, um Aufprallenergie zu absorbieren und die Fahrzeugsicherheit zu verbessern.1,2 Ein wichtiges Merkmal dieser Strukturen ist die Crashleistung, die Energie durch plastische Verformung bei einem Aufprall absorbiert.
Bedingungen.2,3 Neben der Crashsicherheit sind auch Wirtschaftlichkeit, Umweltfreundlichkeit und Wartungsfreundlichkeit von Bedeutung. Material, Größe und Querschnittsform der Struktur sind wichtige Faktoren, die die Crashsicherheit der Strukturen beeinflussen.4 Es werden die Auswirkungen von Füllmaterialien auf die Crashsicherheit verschiedener schaumgefüllter Rohre mit unterschiedlichen Querschnitten untersucht, wie z. B. Rundrohre,5,6 Vierkantrohre,7–10 ein- und zweirohrige polygonale Rohre,11 konische Rohre,12–14 mehrzellige Rohre,15 Wellrohre,16,17 Ellipsenrohre,18,19 Doppelhutrohre,20 Sternpolygonrohre21 usw. Um außerdem das Gewicht zu reduzieren und gleichzeitig die mechanischen Eigenschaften des Originalrohrs beizubehalten, werden gemusterte Fenster22–24 und kreisförmige Diskontinuitäten25,26 in die dünnwandigen Strukturen eingeführt. Vor kurzem wurde die Wirkung von Löchern als Knautschinitiatoren auf die Crashsicherheit von zweirohrigen Aluminiumprofilen untersucht.27 Außerdem wurden für die Konstruktion dünnwandiger Strukturen eine Reihe neuartiger Optimierungsalgorithmen vorgeschlagen, wie Größenoptimierung28,29 Formoptimierung30,31 Topologieoptimierung32,33 Mehrzieloptimierung18,19 Mehrzieloptimierung auf Zuverlässigkeitsbasis34,35 und Mehrzieloptimierung auf Robustheitsbasis14,36. Diese Methoden bieten eine Reihe leistungsstarker Tools für die Konstruktion komplexer technischer Strukturen, die verschiedenen Konstruktionsanforderungen gerecht werden. In der Praxis ist es jedoch sehr wichtig und schwierig, die Position und Form dieser Diskontinuitäten zu bestimmen.