【摘要】：汽車(chē)的輕量化和安全性設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)汽車(chē)節(jié)能、環(huán)保和安全三大設(shè)計(jì)發(fā)展主題的關(guān)鍵技術(shù)手段。車(chē)身輕量化與抗撞性是相互矛盾和相互制約的兩個(gè)重要性能,車(chē)身的輕量化與抗撞性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì),是汽車(chē)輕量化、安全性設(shè)計(jì)的重要組成部分和核心關(guān)鍵技術(shù)。作為整車(chē)最關(guān)鍵的連接和承載部件,車(chē)身的輕量化與抗撞性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)須協(xié)同考慮車(chē)身的各項(xiàng)基本性能,是一項(xiàng)典型的多參數(shù)、多約束和多目標(biāo)的復(fù)雜系統(tǒng)工程。如何系統(tǒng)科學(xué)地開(kāi)展車(chē)身的輕量化與抗撞性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)是當(dāng)前汽車(chē)行業(yè)非常重要的研究課題,研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。目前,已有的研究工作中主要是針對(duì)車(chē)身單個(gè)或小部分零部件的輕量化或抗撞性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)居多,而以車(chē)身整體為研究對(duì)象進(jìn)行系統(tǒng)地輕量化與抗撞性多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究相對(duì)偏少,車(chē)身結(jié)構(gòu)的輕量化與抗撞性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)仍然缺乏一個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和流程。其次,現(xiàn)有的針對(duì)車(chē)身結(jié)構(gòu)進(jìn)行的輕量化或抗撞性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)中,較少考慮了材料成本或其他不確定性因素對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果的影響,導(dǎo)致優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果的可行性、可用性不足。再次,現(xiàn)有的車(chē)身結(jié)構(gòu)輕量化或抗撞性多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)中,并未將多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果與多準(zhǔn)則決策方法進(jìn)行有效整合,使得多目標(biāo)最優(yōu)設(shè)計(jì)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(chē)車(chē)身為研究對(duì)象,采用有限元數(shù)值模擬和試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合手段,綜合運(yùn)用靈敏度與貢獻(xiàn)度設(shè)計(jì)變量篩選方法、多目標(biāo)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法、多目標(biāo)優(yōu)化代理模型方法、多目標(biāo)優(yōu)化算法以及多準(zhǔn)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(jì)方法,在考慮不確定性因素影響下,從車(chē)身零部件和車(chē)身總成水平上,對(duì)車(chē)身結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分批次輕量化與抗撞性多目標(biāo)確定性與不確定性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì),從而建立了一種完整的車(chē)身結(jié)構(gòu)輕量化與抗撞性多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,實(shí)現(xiàn)了車(chē)身輕量化與抗撞性水平雙重提升,解決了車(chē)身設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中的某些共性和關(guān)鍵問(wèn)題,具有重要的理論方法意義和工程應(yīng)用價(jià)值。本文主要開(kāi)展了以下幾個(gè)方面的研究工作并得出了如下相關(guān)結(jié)論:(1)綜述了當(dāng)前車(chē)身輕量化與抗撞性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)領(lǐng)域的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀,歸納了當(dāng)前最主流的的車(chē)身輕量化與抗撞性設(shè)計(jì)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?jī)?nèi)容并對(duì)本文的章節(jié)進(jìn)行了安排。(2)對(duì)本文涉及的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)理論與方法,包括多目標(biāo)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法、多目標(biāo)優(yōu)化代理模型方法、多目標(biāo)優(yōu)化算法,尤其是現(xiàn)有多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究中介紹和應(yīng)用相對(duì)較少的多準(zhǔn)則決策方法(包括IPM理想點(diǎn)法、熵-TOPSIS法和GRA灰色關(guān)聯(lián)法等)進(jìn)行了重點(diǎn)詳細(xì)的介紹。(3)建立了白車(chē)身有限元模型,并通過(guò)車(chē)身NVH(Noise,Vibration and Harshness)基本性能數(shù)值模擬與臺(tái)架試驗(yàn),驗(yàn)證了車(chē)身有限元分析模型的精度,并提取了車(chē)身質(zhì)量和NVH基本性能優(yōu)化設(shè)計(jì)指標(biāo)。在此基礎(chǔ)上,采用模塊化建模方法建立了整車(chē)有限元模型,并參照2012版C-NCAP碰撞安全法規(guī),建立了整車(chē)100%重疊正面剛性壁障碰撞(簡(jiǎn)稱(chēng)100%-FRB正碰)、40%重疊正面可變形壁障碰撞(簡(jiǎn)稱(chēng)40%-ODB偏置碰)和側(cè)面移動(dòng)可變形壁障碰撞(簡(jiǎn)稱(chēng)MDB側(cè)碰)有限元分析模型,分析了車(chē)身的正面和側(cè)面抗撞性能,并通過(guò)實(shí)車(chē)碰撞試驗(yàn)驗(yàn)證了車(chē)身結(jié)構(gòu)抗撞性能有限元分析結(jié)果的精度,進(jìn)而提取了車(chē)身結(jié)構(gòu)抗撞性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)指標(biāo)。(4)提取車(chē)身關(guān)鍵零部件之一的吸能盒作為研究對(duì)象,首先考慮了實(shí)際車(chē)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(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證,從而對(duì)其初始抗撞吸能特性進(jìn)行了詳細(xì)分析。然后,為進(jìn)一步提高其抗撞吸能潛力,采用金屬泡沫鋁對(duì)原始空心薄壁吸能盒進(jìn)行了填充,并詳細(xì)分析比較了四種不同填充方式對(duì)吸能盒抗撞吸能特性的影響機(jī)制。在此基礎(chǔ)上,選取最佳泡沫鋁填充吸能盒為研究對(duì)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(duì)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(jì)變量,對(duì)泡沫鋁填充吸能盒進(jìn)行了輕量化與抗撞性多目標(biāo)確定性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì),并對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行了有效性驗(yàn)證。(5)仍然以泡沫鋁填充吸能盒作為研究對(duì)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(qiáng)度)所具有的內(nèi)在不確定性,分別采用6-Sigma多目標(biāo)穩(wěn)健性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)方法和本文提出的Grey-Taguchi(灰度-田口)多目標(biāo)穩(wěn)健性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)方法對(duì)其進(jìn)行了輕量化與抗撞性多目標(biāo)穩(wěn)健性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì),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(jì)方案并進(jìn)行了有效性驗(yàn)證。(6)將上述車(chē)身關(guān)鍵零部件(吸能盒)的輕量化與抗撞性多目標(biāo)不確定性最優(yōu)設(shè)計(jì)結(jié)果集成到原車(chē)身結(jié)構(gòu),然后以車(chē)身總成為研究對(duì)象進(jìn)行輕量化與抗撞性多目標(biāo)確定性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)。具體如下:首先依據(jù)車(chē)身總成零部件與車(chē)身抗撞性能的關(guān)聯(lián)程度將車(chē)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(duì)應(yīng)的分批次輕量化與抗撞性多目標(biāo)確定性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)策略。其次,針對(duì)車(chē)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(biāo)遺傳優(yōu)化算法及IPM多準(zhǔn)則決策方法,在考慮車(chē)身質(zhì)量和NVH基本性能的情況下,對(duì)其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)-性能一體化輕量化多目標(biāo)確定性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì),并對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行了有效性驗(yàn)證。再次,針對(duì)車(chē)身總成正碰偏置碰安全件,結(jié)合貢獻(xiàn)度分析方法、RBF-RSM混合代理模型方法、MOPSO多目標(biāo)粒子群優(yōu)化算法及熵-TOPSIS多準(zhǔn)則決策方法,在考慮車(chē)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(duì)其進(jìn)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(biāo)確定性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì),并對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行了有效性驗(yàn)證。然后,針對(duì)車(chē)身總成側(cè)碰安全件,結(jié)合貢獻(xiàn)度分析方法和灰色關(guān)聯(lián)分析法(GRA),在考慮車(chē)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(duì)其進(jìn)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(biāo)確定性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì),并對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行了有效性驗(yàn)證。最后,合成上述車(chē)身總成非安全件和安全件輕量化與抗撞性多目標(biāo)確定性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果,形成了最終車(chē)身總成輕量化與抗撞性多目標(biāo)確定性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)方案并進(jìn)行了有效性驗(yàn)證。結(jié)果表明,車(chē)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(shí)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(duì)車(chē)身結(jié)構(gòu)的輕量化與抗撞性多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì),包括對(duì)車(chē)身關(guān)鍵零部件的確定性與不確定性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)和對(duì)車(chē)身總成的確定性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì),結(jié)果合理有效,從而建立了一種完整的、行之有效的車(chē)身結(jié)構(gòu)輕量化與抗撞性多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。
【圖文】：

圖 1.2 本文輕量化設(shè)計(jì)對(duì)象及輕量化設(shè)計(jì)本質(zhì)有效改善其經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性、制動(dòng)性以及延長(zhǎng)其道路會(huì)議資料表明，汽車(chē)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(chē)的輕量化穩(wěn)定性和抗側(cè)翻能力，車(chē)輛的運(yùn)行將更加安全、穩(wěn)定。。的碰撞被動(dòng)安全設(shè)計(jì)，是汽車(chē)安全性設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。汽車(chē)的結(jié)構(gòu)和材料進(jìn)行優(yōu)化組合，在汽車(chē)碰撞時(shí)吸收將乘員傷害降到最低。汽車(chē)的抗撞性或碰撞被動(dòng)安全，通常也是人們選購(gòu)汽車(chē)產(chǎn)品所考慮的首要因素。性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)，是實(shí)現(xiàn)汽車(chē)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(jì)對(duì)象及輕量化設(shè)計(jì)本質(zhì)有效改善其經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性、制動(dòng)性以及延長(zhǎng)其道路會(huì)議資料表明，汽車(chē)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(chē)的輕量化穩(wěn)定性和抗側(cè)翻能力，車(chē)輛的運(yùn)行將更加安全、穩(wěn)定。。的碰撞被動(dòng)安全設(shè)計(jì)，是汽車(chē)安全性設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。汽車(chē)的結(jié)構(gòu)和材料進(jìn)行優(yōu)化組合，在汽車(chē)碰撞時(shí)吸收將乘員傷害降到最低。汽車(chē)的抗撞性或碰撞被動(dòng)安全，通常也是人們選購(gòu)汽車(chē)產(chǎn)品所考慮的首要因素。性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)，是實(shí)現(xiàn)汽車(chē)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(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：U463.82


本文編號(hào)：2656003