【摘要】：汽車的輕量化和安全性設(shè)計是實現(xiàn)汽車節(jié)能、環(huán)保和安全三大設(shè)計發(fā)展主題的關(guān)鍵技術(shù)手段。車身輕量化與抗撞性是相互矛盾和相互制約的兩個重要性能,車身的輕量化與抗撞性優(yōu)化設(shè)計,是汽車輕量化、安全性設(shè)計的重要組成部分和核心關(guān)鍵技術(shù)。作為整車最關(guān)鍵的連接和承載部件,車身的輕量化與抗撞性優(yōu)化設(shè)計須協(xié)同考慮車身的各項基本性能,是一項典型的多參數(shù)、多約束和多目標的復(fù)雜系統(tǒng)工程。如何系統(tǒng)科學(xué)地開展車身的輕量化與抗撞性優(yōu)化設(shè)計是當前汽車行業(yè)非常重要的研究課題,研究熱點和難點。目前,已有的研究工作中主要是針對車身單個或小部分零部件的輕量化或抗撞性優(yōu)化設(shè)計居多,而以車身整體為研究對象進行系統(tǒng)地輕量化與抗撞性多目標協(xié)同優(yōu)化設(shè)計的研究相對偏少,車身結(jié)構(gòu)的輕量化與抗撞性優(yōu)化設(shè)計仍然缺乏一個系統(tǒng)的設(shè)計方法和流程。其次,現(xiàn)有的針對車身結(jié)構(gòu)進行的輕量化或抗撞性優(yōu)化設(shè)計中,較少考慮了材料成本或其他不確定性因素對優(yōu)化設(shè)計結(jié)果的影響,導(dǎo)致優(yōu)化設(shè)計結(jié)果的可行性、可用性不足。再次,現(xiàn)有的車身結(jié)構(gòu)輕量化或抗撞性多目標優(yōu)化設(shè)計中,并未將多目標優(yōu)化設(shè)計結(jié)果與多準則決策方法進行有效整合,使得多目標最優(yōu)設(shè)計方案的選擇常常缺乏一定的理論依據(jù)。據(jù)此,本文以某自主品牌轎車車身為研究對象,采用有限元數(shù)值模擬和試驗驗證相結(jié)合手段,綜合運用靈敏度與貢獻度設(shè)計變量篩選方法、多目標試驗設(shè)計方法、多目標優(yōu)化代理模型方法、多目標優(yōu)化算法以及多準則決策方法,結(jié)合結(jié)構(gòu)-材料-性能-成本一體化優(yōu)化設(shè)計方法,在考慮不確定性因素影響下,從車身零部件和車身總成水平上,對車身結(jié)構(gòu)進行了分批次輕量化與抗撞性多目標確定性與不確定性優(yōu)化設(shè)計,從而建立了一種完整的車身結(jié)構(gòu)輕量化與抗撞性多目標協(xié)同優(yōu)化設(shè)計方法,實現(xiàn)了車身輕量化與抗撞性水平雙重提升,解決了車身設(shè)計開發(fā)中的某些共性和關(guān)鍵問題,具有重要的理論方法意義和工程應(yīng)用價值。本文主要開展了以下幾個方面的研究工作并得出了如下相關(guān)結(jié)論:(1)綜述了當前車身輕量化與抗撞性優(yōu)化設(shè)計領(lǐng)域的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,歸納了當前最主流的的車身輕量化與抗撞性設(shè)計技術(shù),總結(jié)了現(xiàn)有研究中存在的不足之處,并據(jù)此提出了本文的主要研究內(nèi)容并對本文的章節(jié)進行了安排。(2)對本文涉及的多目標優(yōu)化設(shè)計基礎(chǔ)理論與方法,包括多目標試驗設(shè)計方法、多目標優(yōu)化代理模型方法、多目標優(yōu)化算法,尤其是現(xiàn)有多目標優(yōu)化設(shè)計研究中介紹和應(yīng)用相對較少的多準則決策方法(包括IPM理想點法、熵-TOPSIS法和GRA灰色關(guān)聯(lián)法等)進行了重點詳細的介紹。(3)建立了白車身有限元模型,并通過車身NVH(Noise,Vibration and Harshness)基本性能數(shù)值模擬與臺架試驗,驗證了車身有限元分析模型的精度,并提取了車身質(zhì)量和NVH基本性能優(yōu)化設(shè)計指標。在此基礎(chǔ)上,采用模塊化建模方法建立了整車有限元模型,并參照2012版C-NCAP碰撞安全法規(guī),建立了整車100%重疊正面剛性壁障碰撞(簡稱100%-FRB正碰)、40%重疊正面可變形壁障碰撞(簡稱40%-ODB偏置碰)和側(cè)面移動可變形壁障碰撞(簡稱MDB側(cè)碰)有限元分析模型,分析了車身的正面和側(cè)面抗撞性能,并通過實車碰撞試驗驗證了車身結(jié)構(gòu)抗撞性能有限元分析結(jié)果的精度,進而提取了車身結(jié)構(gòu)抗撞性優(yōu)化設(shè)計指標。(4)提取車身關(guān)鍵零部件之一的吸能盒作為研究對象,首先考慮了實際車輛碰撞工況中沖擊角度不確定因素的影響,建立了吸能盒多角度沖擊抗撞性分析模型并進行了試驗驗證,從而對其初始抗撞吸能特性進行了詳細分析。然后,為進一步提高其抗撞吸能潛力,采用金屬泡沫鋁對原始空心薄壁吸能盒進行了填充,并詳細分析比較了四種不同填充方式對吸能盒抗撞吸能特性的影響機制。在此基礎(chǔ)上,選取最佳泡沫鋁填充吸能盒為研究對象,首先分析了其結(jié)構(gòu)參數(shù)(吸能盒內(nèi)、外板板厚,泡沫鋁密度)對其抗撞吸能特性的影響,然后以其結(jié)構(gòu)參數(shù)為設(shè)計變量,對泡沫鋁填充吸能盒進行了輕量化與抗撞性多目標確定性優(yōu)化設(shè)計,并對優(yōu)化設(shè)計結(jié)果進行了有效性驗證。(5)仍然以泡沫鋁填充吸能盒作為研究對象,主要考慮吸能盒結(jié)構(gòu)參數(shù)(內(nèi)、外板板厚、泡沫鋁密度)或材料屬性(密度、彈性模量、泊松比以及屈服強度)所具有的內(nèi)在不確定性,分別采用6-Sigma多目標穩(wěn)健性優(yōu)化設(shè)計方法和本文提出的Grey-Taguchi(灰度-田口)多目標穩(wěn)健性優(yōu)化設(shè)計方法對其進行了輕量化與抗撞性多目標穩(wěn)健性優(yōu)化設(shè)計,獲取了更為可靠、穩(wěn)健的泡沫鋁填充吸能盒優(yōu)化設(shè)計方案并進行了有效性驗證。(6)將上述車身關(guān)鍵零部件(吸能盒)的輕量化與抗撞性多目標不確定性最優(yōu)設(shè)計結(jié)果集成到原車身結(jié)構(gòu),然后以車身總成為研究對象進行輕量化與抗撞性多目標確定性優(yōu)化設(shè)計。具體如下:首先依據(jù)車身總成零部件與車身抗撞性能的關(guān)聯(lián)程度將車身總成零部件劃分為正碰偏置碰安全件、側(cè)碰安全件和非安全件,并制定了相對應(yīng)的分批次輕量化與抗撞性多目標確定性優(yōu)化設(shè)計策略。其次,針對車身總成非安全件,結(jié)合靈敏度分析方法、RBF代理模型方法、NSGA-II多目標遺傳優(yōu)化算法及IPM多準則決策方法,在考慮車身質(zhì)量和NVH基本性能的情況下,對其進行了結(jié)構(gòu)-性能一體化輕量化多目標確定性優(yōu)化設(shè)計,并對優(yōu)化設(shè)計結(jié)果進行了有效性驗證。再次,針對車身總成正碰偏置碰安全件,結(jié)合貢獻度分析方法、RBF-RSM混合代理模型方法、MOPSO多目標粒子群優(yōu)化算法及熵-TOPSIS多準則決策方法,在考慮車身質(zhì)量、NVH基本性能、正面抗撞性能以及安全件材料成本的情況下,對其進行了結(jié)構(gòu)-材料-性能-成本一體化輕量化與抗撞性多目標確定性優(yōu)化設(shè)計,并對優(yōu)化設(shè)計結(jié)果進行了有效性驗證。然后,針對車身總成側(cè)碰安全件,結(jié)合貢獻度分析方法和灰色關(guān)聯(lián)分析法(GRA),在考慮車身質(zhì)量、NVH基本性能、側(cè)面抗撞性能以及安全件材料成本的情況下對其進行了結(jié)構(gòu)-材料-性能-成本一體化輕量化與抗撞性多目標確定性優(yōu)化設(shè)計,并對優(yōu)化設(shè)計結(jié)果進行了有效性驗證。最后,合成上述車身總成非安全件和安全件輕量化與抗撞性多目標確定性優(yōu)化設(shè)計結(jié)果,形成了最終車身總成輕量化與抗撞性多目標確定性優(yōu)化設(shè)計方案并進行了有效性驗證。結(jié)果表明,車身在基本保證NVH基本性能和材料成本變化不大的前提下實現(xiàn)了輕量化與抗撞性水平雙重提升改善效果。因此,本文對車身結(jié)構(gòu)的輕量化與抗撞性多目標優(yōu)化設(shè)計,包括對車身關(guān)鍵零部件的確定性與不確定性優(yōu)化設(shè)計和對車身總成的確定性優(yōu)化設(shè)計,結(jié)果合理有效,從而建立了一種完整的、行之有效的車身結(jié)構(gòu)輕量化與抗撞性多目標協(xié)同優(yōu)化設(shè)計方法。
【圖文】：

圖 1.2 本文輕量化設(shè)計對象及輕量化設(shè)計本質(zhì)有效改善其經(jīng)濟性、動力性、制動性以及延長其道路會議資料表明，汽車每減重 10%，0～100 km/h 的加 2~7m，，輪胎壽命提升約 7%[1]。其次，汽車的輕量化穩(wěn)定性和抗側(cè)翻能力，車輛的運行將更加安全、穩(wěn)定。。的碰撞被動安全設(shè)計，是汽車安全性設(shè)計的核心內(nèi)容。汽車的結(jié)構(gòu)和材料進行優(yōu)化組合，在汽車碰撞時吸收將乘員傷害降到最低。汽車的抗撞性或碰撞被動安全，通常也是人們選購汽車產(chǎn)品所考慮的首要因素。性優(yōu)化設(shè)計，是實現(xiàn)汽車節(jié)能、環(huán)保和安全三大主題的輕量化、安全性水平具有十分重要的意義。其中，

圖 1.2 本文輕量化設(shè)計對象及輕量化設(shè)計本質(zhì)有效改善其經(jīng)濟性、動力性、制動性以及延長其道路會議資料表明，汽車每減重 10%，0～100 km/h 的加 2~7m，輪胎壽命提升約 7%[1]。其次，汽車的輕量化穩(wěn)定性和抗側(cè)翻能力，車輛的運行將更加安全、穩(wěn)定。。的碰撞被動安全設(shè)計，是汽車安全性設(shè)計的核心內(nèi)容。汽車的結(jié)構(gòu)和材料進行優(yōu)化組合，在汽車碰撞時吸收將乘員傷害降到最低。汽車的抗撞性或碰撞被動安全，通常也是人們選購汽車產(chǎn)品所考慮的首要因素。性優(yōu)化設(shè)計，是實現(xiàn)汽車節(jié)能、環(huán)保和安全三大主題的輕量化、安全性水平具有十分重要的意義。其中，
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：U463.82


本文編號：2656003