基于可靠性的车辆防护组件优化

吴凯 王显会 周云波 毕政 李明星

吴凯, 王显会, 周云波, 毕政, 李明星. 基于可靠性的车辆防护组件优化[J]. 爆炸与冲击, 2021, 41(3): 035101. doi: 10.11883/bzycj-2020-0126
引用本文: 吴凯, 王显会, 周云波, 毕政, 李明星. 基于可靠性的车辆防护组件优化[J]. 爆炸与冲击, 2021, 41(3): 035101. doi: 10.11883/bzycj-2020-0126
WU Kai, WANG Xianhui, ZHOU Yunbo, BI Zheng, LI Mingxing. Optimization of vehicle protection components based on reliability[J]. Explosion And Shock Waves, 2021, 41(3): 035101. doi: 10.11883/bzycj-2020-0126
Citation: WU Kai, WANG Xianhui, ZHOU Yunbo, BI Zheng, LI Mingxing. Optimization of vehicle protection components based on reliability[J]. Explosion And Shock Waves, 2021, 41(3): 035101. doi: 10.11883/bzycj-2020-0126

基于可靠性的车辆防护组件优化

doi: 10.11883/bzycj-2020-0126
基金项目: 国家自然科学基金(11802140,51405232);中央高校基本科研业务费专项(30918011303);道路交通安全公安部重点实验室开放课题(2018ZDSYSKFKT09)
详细信息
    作者简介:

    吴 凯(1995- ),男,硕士研究生,bonfirewk@163.com

    通讯作者:

    王显会(1968- ),男,教授,13770669850@139.com

  • 中图分类号: O385

Optimization of vehicle protection components based on reliability

  • 摘要: 在传统的优化流程中,不考虑设计变量的不确定性将引起设计目标的性能波动,甚至设计失败。为提高军用车辆底部防护能力,针对一种车辆防护组件进行了可靠性优化。在爆炸防护优化中引入多目标可靠性优化,通过实验设计和灵敏度分析筛选设计变量,再构建并选择准确度最高的代理模型,运用多目标遗传算法完成防护组件的可靠性优化。实验和数值模拟结果表明,优化后的防护组件满足防护性和轻量化的要求,且设计的可靠性得到了提升,可为后续防护组件设计生产提供参考。
  • 图  1  可靠性设计的偏移

    Figure  1.  Reliability design offsets

    图  2  可靠性优化流程

    Figure  2.  Reliability optimization flowchart

    图  3  台架爆炸实验

    Figure  3.  Platform explosion experiment

    图  4  台架的有限元模型

    Figure  4.  Finite element model of platform

    图  5  基板变形对比

    Figure  5.  Comparison of substrate deformations

    图  6  基板最大位移

    Figure  6.  Maximum displacement of substrate

    图  7  设计变量位置

    Figure  7.  Positions of design variables

    图  8  梁组合类型

    Figure  8.  Beam combination types

    图  9  设计变量的贡献

    Figure  9.  Contributions of design variables

    图  10  Pareto前沿对比

    Figure  10.  Pareto front comparison

    图  11  优化后基板变形实验结果

    Figure  11.  Experiment result of substrate deformation after optimization

    表  1  设计目标和初始值

    Table  1.   Design goals and initial values

    项目MD
    设计目标
    函数fM(x)fD(x)
    初始值430 kg185.9 mm
    目标值最小最小
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    表  2  设计变量的初始值和概率分布

    Table  2.   Initial values and probability distributions of design variables

    设计变量参数定义概率分布初始值相关系数σ/μ离散取值
    x1面板厚度正态分布9.00 mm0.1
    x2背板厚度正态分布8.00 mm0.1
    x3横梁厚度正态分布8.00 mm0.1
    x4纵梁厚度正态分布8.00 mm0.1
    x5蜂窝胞元厚度正态分布0.35 mm0.1
    x6纵梁数离散分布11,2
    x7横梁数离散分布21,2,3
    x8横纵梁材料离散分布64,5,6,7,8,9,10,11,16,17,18,19
    x9背板材料离散分布71,2,3,4,7,8,9,10,11,12,13,14,5,18,19
    x10面板材料离散分布71,2,3,4,7,10,11,12,13,14,15
    x11蜂窝材料离散分布81,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,17,18,19,20
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    表  3  材料参数

    Table  3.   Material parameters

    序号材料密度/(kg·m−3)弹性模量/MPa泊松比屈服强度/MPa切线模量/MPa断后延伸率/%
    1NP-5007 800210 0000.291 3823 306.312
    2NP-5507 800210 0000.291 5404 391.6339.5
    3Q11007 800210 0000.291 1451 95113
    4Q8907 800210 0000.2995522317.5
    5Q6907 800210 0000.29718294.77819
    6700E7 800210 0000.297001 68314
    7960E7 800210 0000.299601 99110
    87A522 60068 0000.343451 0017
    97B522 60068 0000.344701 1117
    10Ti-6Al-4V4 460113 8000.301 10030011
    11Tii-6Cr-5Mo-5V-4Al4 430113 8000.301 2502 5645
    126851 4463330.038 80.3280.131.29
    13FD531 3502030.070 10.2820.1119.94
    1462521 889438.30.045 060.394 890.320 942.520 56
    15LH1 1003220.101 30.35870.27.2
    16Q62062052411.10.540.592.12
    17H141884260.0150.340.130.13
    187524404100.016 60.4930.0760.10
    1976257522600.3620.0460.87
    20Q2357 800210 0000.292355800.24
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    表  4  优化拉丁超立方采样样本

    Table  4.   Optimization of Latin hypercube samples

    样本x1/mmx2/mmx3/mmx4/mmx5/mmx6x7x8x9x10x11
    1 9.630 3 7.226 99.848 7 8.369 70.452 923183109
    5510.789 910.722 78.638 7 7.428 60.347 92319233
    56 7.815 1 6.151 36.890 8 9.647 10.394 123791120
    119 8.420 2 6.285 79.983 2 7.697 50.263 912481411
    12010.487 4 7.294 16.218 512.000 00.595 8131111517
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    表  5  代理模型精度比较

    Table  5.   Accuracy comparisons of different surrogate models

    代理模型R2ErmsR2Erms
    fD(x)fM(x)
    RSM0.958 160.073 560.756 990.186 21
    RBF0.998 270.015 080.978 260.088 46
    KRG0.999 260.007 450.983 480.036 04
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    表  6  模拟优化结果对比

    Table  6.   Comparison of simulation optimization results

    优化目标优化结果可靠度/%优化结果可靠度/%
    确定性优化可靠性优化
    fD(x)99.26 mm67.399.22 mm99.7
    fM(x)290.8 kg315.4 kg
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    表  7  最优设计参数

    Table  7.   Optimal design parameters

    部件厚度/mm材料
    面板7.1960E
    背板4.2Q890
    横梁2根8.0700E
    纵梁1根8.0700E
    蜂窝胞元0.67A52
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    表  8  实验与模拟结果比较

    Table  8.   Comparison of experimentand simulation results

    组件结构结果fD(x)/mmfM(x)/kg
    初始结构模拟185.9430
    实验190.0430
    优化结构模拟97.9320
    实验96.0320
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-04-30
  • 修回日期:  2020-07-16
  • 网络出版日期:  2021-03-05
  • 刊出日期:  2021-03-10

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