【摘要】：作為一個在汽車領(lǐng)域的“發(fā)展中國家”，我國許多整車廠家很大程度上缺乏完全自主研發(fā)的能力。但隨著自主知識產(chǎn)權(quán)意識的不斷加強，廣大車企對自主研發(fā)的需求逐步增加。對于這一現(xiàn)狀，政府出臺了一系列針對汽車產(chǎn)業(yè)的調(diào)整規(guī)劃，特別是對自主品牌、自主創(chuàng)新的支持力度非常巨大，這也激發(fā)了民族汽車產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展。國家“十二五”發(fā)展規(guī)劃中提出了“建設(shè)原理創(chuàng)新、產(chǎn)品創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)化創(chuàng)新體系。推廣結(jié)構(gòu)輕量化、整車優(yōu)化、推動汽車產(chǎn)品節(jié)能”的汽車產(chǎn)業(yè)的重點發(fā)展方向�！捌嚳煽磕途�、安全、節(jié)能減排關(guān)鍵技術(shù)”與“汽車輕量化技術(shù)與工藝材料應(yīng)用開發(fā)”等汽車關(guān)鍵核心技術(shù)也被作為重大專項進行科技攻關(guān)。 基于以上原因，要想真正發(fā)展我國自己的汽車工業(yè)品牌，提高國際競爭力，整車的安全性是急需提高的一項內(nèi)容，而抗撞性又是車輛安全中的關(guān)鍵一環(huán)。傳統(tǒng)的車身設(shè)計流程由于存在耗費周期長，CAE分析不能有效地為前期設(shè)計進行指導等問題。因此，在進行設(shè)計及試驗之前，提供一個比較完整充分的碰撞仿真分析作為參考是十分有必要的。然而針對車輛碰撞這類非線性程度較高、結(jié)構(gòu)自由度巨大的問題，反復的計算和修改將耗費大量的財力和人力。因此對于這類問題，通過試驗設(shè)計構(gòu)建代理模型的方法可有效地減少計算時間，進一步的方便抗撞性優(yōu)化設(shè)計，有效地提高車身設(shè)計的效率，并滿足整車的安全性需求。另外針對詳細有限元模型構(gòu)建等效的簡化模型也是有效規(guī)避計算量的方法。簡化車身部件的基本單元是由梁、板、接頭構(gòu)成的，其中不同截面的梁占很大成分，因此應(yīng)通過對不同類型薄壁梁的幾何及力學特性的基礎(chǔ)理論分析，考慮車身結(jié)構(gòu)幾何特性、力學特性及工藝因素，對轎車碰撞參數(shù)化結(jié)構(gòu)的建模方式進行研究，分別建立轎車車身部件的有限元模型及其相應(yīng)的參數(shù)化簡化模型，為轎車參數(shù)化結(jié)構(gòu)建模及優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。 本文依托2009年國家自然科學基金項目，2009年及2012年吉林省科技發(fā)展計劃重大專項的資助，以及課題組與中國第一汽車集團技術(shù)中心車身部多年來的合作，使用自主開發(fā)的簡化車身框架結(jié)構(gòu)參數(shù)的快速優(yōu)化專用系統(tǒng)平臺，建立原結(jié)構(gòu)參數(shù)化模型及相應(yīng)的代理模型，以輕量化、高吸能性為目標，實現(xiàn)車身產(chǎn)品在概念設(shè)計階段的快速參數(shù)化建模及基于代理模型的車身主要吸能部件的抗撞性優(yōu)化設(shè)計，有效提高模型修改及優(yōu)化的效率。主要工作包括： （1）碰撞安全性仿真理論及抗撞性優(yōu)化方法。 詳細介紹了汽車碰撞安全性仿真理論，針對非線性有限元法的適用條件進行探討，給出了相關(guān)的運動方程、守恒方程和邊界條件等公式的推導過程，以及單元計算的單點高斯積分方法和沙漏現(xiàn)象。此外，重點針對本文所研究的基于代理模型的抗撞性優(yōu)化方法進行研究，介紹了試驗設(shè)計的兩種常用方法和幾種代理模型的構(gòu)建原理，并對不同構(gòu)建代理模型方法的適用范圍進行了對比分析。最后，概述了粒子群優(yōu)化算法的基本原理和求解流程。 （2）正碰工況下基于代理模型的吸能盒結(jié)構(gòu)抗撞性優(yōu)化設(shè)計。 以車身前部抗撞部件吸能盒結(jié)構(gòu)的常見類型：方形截面薄壁錐管為研究對象，在低速沖擊工況下研究其具有最佳抗撞性能的優(yōu)化設(shè)計方案。將壓潰力效率及比吸能作為評價指標，建立加權(quán)組合形式的多目標優(yōu)化模型。分析并探討分布設(shè)置誘導槽對結(jié)構(gòu)吸能與壓潰力的影響，選擇誘導槽設(shè)定的可行區(qū)域。以槽的個數(shù)、非均勻分布的槽間距離及槽的深度等作為優(yōu)化參數(shù)。在根據(jù)試驗設(shè)計方法合理選取樣本點后，分別應(yīng)用三次多項式響應(yīng)面法及徑向基法構(gòu)建其有效代理模型，并采用粒子群法進行優(yōu)化設(shè)計，得出使結(jié)構(gòu)最優(yōu)的誘導槽位置分布及數(shù)量，并與對應(yīng)參數(shù)的圓形截面錐管的抗撞性進行比較，發(fā)現(xiàn)正方形截面的抗撞性更好。通過仿真分析驗證該方法的有效性。研究結(jié)果證明，這種科學合理施加誘導槽的方式可有效提高結(jié)構(gòu)的抗撞性能，為吸能盒結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。 （3）側(cè)碰工況下基于代理模型的車門結(jié)構(gòu)的抗撞性優(yōu)化。 對某款轎車車門的有限元模型進行了側(cè)碰的仿真模擬，通過能量、碰撞接觸力、變形位移及加速度的曲線分析其碰撞安全性。隨后，基于均勻試驗設(shè)計方法結(jié)合多項式響應(yīng)面法，構(gòu)建了該車門結(jié)構(gòu)在特定工況下的吸能量、最大碰撞力和總質(zhì)量關(guān)于板厚參數(shù)的代理模型，采用粒子群算法對響應(yīng)面模型進行優(yōu)化設(shè)計。在對原結(jié)構(gòu)質(zhì)量和最大碰撞力分別進行約束的情況下，給出車門主要部件厚度的優(yōu)化設(shè)計方案，從而有效提升車門結(jié)構(gòu)的吸能值，最大程度改善了整車的抗撞性能。 （4）六邊形截面、槽型截面混合截面薄壁梁結(jié)構(gòu)的彎曲特性分析及B柱結(jié)構(gòu)簡化模型的建立。 通過對六邊形截面及槽形截面薄壁梁的彎曲特性的研究，，基于能量守恒定律，推導了六邊形截面和槽型截面薄壁梁通過各條塑性鉸線耗散能量的計算表達式，得到它們的彎矩與轉(zhuǎn)角關(guān)系，即M (θ)-θ曲線。由此可以基于LS-DYNA軟件快速定義非線性轉(zhuǎn)動彈簧相關(guān)屬性，并將這種零尺寸的非線性轉(zhuǎn)動彈簧放置于B柱彎曲時產(chǎn)生塑性鉸的區(qū)域。這樣便建立了由非線性剛梁和轉(zhuǎn)動彈簧所構(gòu)成的B柱簡化模型。通過對詳細模型與簡化模型的變形效果、位移曲線和能量曲線的比較，驗證了簡化模型的有效性。同時為整車模型的簡化及提高其抗撞性優(yōu)化效率奠定了基礎(chǔ)。
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【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2013
【分類號】：U463.82;U461.91

【參考文獻】

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本文編號：2417600