【摘要】：隨著我國汽車產銷量的逐年增長,環(huán)境污染、能源危機與交通安全已經成為我國汽車工業(yè)發(fā)展所面臨的重要問題,而這些問題都與汽車輕量化密切相關。連續(xù)變截面輥軋板(Tailor rolled blank,TRB)技術能根據零部件的受力或性能要求來靈活調整和優(yōu)化相應的厚度分布,真正實現(xiàn)板厚分布的“量身定制”,為汽車輕量化設計提供了最佳的解決方案。然而,目前有關TRB結構的設計、制造方面的研究才剛剛起步,相關的理論模型和優(yōu)化設計方法還沒有建立,離真正意義的指導TRB的生產設計和在汽車上的規(guī)模應用還有相當距離。因此,開展系統(tǒng)的變厚度車身關鍵安全結構的設計方法研究具有重要的理論意義和實際應用價值。為了深入了解這種新型連續(xù)變厚度結構的基本力學特性,以便高效準確地指導其輕量化與耐撞性能設計,本文首先對TRB結構的變形及吸能機理、高效數(shù)值建模方法、多工況可靠性設計方法和耦合“工藝-性能”的可靠性設計方法進行系統(tǒng)的研究。最后,針對車身輕量化設計中多材料和板厚的最優(yōu)匹配等典型的離散優(yōu)化問題,開發(fā)了一種高效多目標離散穩(wěn)健優(yōu)化設計算法。本文研究內容如下:(1)TRB典型車身結構的碰撞變形與吸能機理研究:本文首先通過實驗手段初步探究了TRB典型車身結構的準靜態(tài)/動態(tài)軸向碰撞特性及準靜態(tài)彎曲特性。然后,通過單向拉伸實驗獲取不同軋制量板料的應力-曲線,進而構建TRB板料的有效應力-應變場。接著基于獲取的TRB材料數(shù)據提出一種同時考慮TRB結構節(jié)點厚度和單元材料屬性的高效有限元建模方法,并通過實驗數(shù)據進行了全面系統(tǒng)的驗證。最后,在準靜態(tài)/動態(tài)軸向壓潰工況和準靜態(tài)彎曲工況下系統(tǒng)地研究了薄/厚區(qū)板厚和過渡區(qū)位置對TRB結構輕量化與耐撞性能的影響規(guī)律,揭示了TRB結構在輕量化和耐撞性能方面的潛力。(2)多工況可靠性設計方法及其在TRB車身結構設計中的應用研究:為了提高TRB結構輕量化與耐撞性設計效率及降低設計失效的風險,本文基于非支配遺傳算法、蒙特卡洛模擬和徑向基函數(shù)模型等技術開發(fā)了一套通用的多目標多工況可靠性設計方法。最后將該方法應用于正面碰撞、偏置碰撞和側面碰撞等典型碰撞工況下的TRB結構的多工況設計當中,優(yōu)化結果表明:確定性優(yōu)化設計雖然可以提高TRB結構的耐撞性能,但是所得到的最優(yōu)解的可靠度較低,僅為50%左右。與之相反,多目標多工況可靠性設計方法的使用雖然導致TRB結構的耐撞性能有一定犧牲,但該方法不僅提高Pareto解集的可靠性,還提高了多工況下最優(yōu)解的魯棒性。(3)耦合“工藝-性能”的可靠性設計方法及其在TRB車身結構設計中的應用研究:為了實現(xiàn)沖壓工藝參數(shù)及沖壓效應向耐撞性模型的高效傳遞,本文首先開發(fā)了一套沖壓-碰撞序列耦合仿真分析方法,并通過對比映射前后的厚度、殘余應力/應變分布等信息驗證了該方法的精度。接著將該方法用于汽車前縱梁的耐撞性分析當中,數(shù)值研究結果表明:沖壓效應,例如殘余應變和板厚減薄等,對前縱梁的變形模式和耐撞性能均具有極大的影響。然后,基于開發(fā)的沖壓-碰撞序列耦合仿真分析方法,將多目標粒子群算法、描述性蒙特卡洛抽樣和代理模型技術有機地結合起來,開發(fā)一套系統(tǒng)的耦合“工藝-性能”的車身結構多目標可靠性設計方法。最后,將該算法應用于TRB雙帽形梁和TRB門檻梁的優(yōu)化當中,結果表明:本文提出的算法雖然犧牲了部分耐撞性能,但是該方法能準確考慮設計變量的波動性,獲得完全滿足工藝可靠度約束的最優(yōu)解。(4)車身結構多目標離散穩(wěn)健優(yōu)化設計方法及其應用研究:為了高效求解工程中的多目標離散穩(wěn)健優(yōu)化設計問題,本文基于多準則決策技術和連續(xù)田口方法開發(fā)了一套高效多目標離散穩(wěn)健優(yōu)化設計算法。在該算法中,將灰色關聯(lián)分析和主成分分析相結合作為多準則決策模型,用于將多個目標轉換成單個度量指標;連續(xù)田口方法被用作優(yōu)化器,它在設計迭代期間直接調用必要的函數(shù)評估。通過一個數(shù)學算例和標準十桿桁架設計問題驗證算法的有效性;最后,將該算法用到復雜的全尺寸車身結構的耐撞性設計和TRB車門系統(tǒng)的多目標設計當中,結果表明:該算法能夠以相當高效的方式實現(xiàn)穩(wěn)健優(yōu)化設計,并且最優(yōu)結果可直接應用于工程實際而無需進一步的設計選擇。此外,由于該算法不依賴于代理模型技術,因此對于高維工程設計問題其具有相當大的應用前景。
【圖文】：

、能源和材料等多個產業(yè)的迅猛發(fā)展。因此，汽車工業(yè)的合經濟實力的體現(xiàn)，也是一個國家工業(yè)發(fā)展水平的重要標志業(yè)發(fā)展迅速，根據中國汽車工業(yè)協(xié)會的統(tǒng)計數(shù)據顯示：在量為 2901.54 萬輛，銷量為 2887.89 萬輛，同比增長 3.19%和聯(lián)世界第一。另外，根據中國公安部交管局發(fā)布的 2017 年關數(shù)據，其中汽車保有量又創(chuàng)歷史新高，首次突破兩億輛，長 11.86%[2]，也就是說我國汽車保有量連續(xù) 6 年增幅均超。但隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，其所帶來的環(huán)境污染、能也日益凸顯。因此，環(huán)保、節(jié)能和安全已經成為目前汽車問題，而這些問題都與汽車輕量化密切相關。世界鋁業(yè)協(xié)會每減 10%，燃油消耗以及排放可分別降低 6%~8%與 5%~6，二氧化碳排放量就會相應地減少 2.45kg[3]。從實現(xiàn)節(jié)能減輕量化將永無止境，與之相關的材料、成形以及設計方面業(yè)中的前沿和熱點。

不確定性優(yōu)化方法研究及其在 TRB 車身結構設計中的應用車本身造價不被提高的前提下，盡可能地減輕汽車的自重。實大途徑：一是結構輕量化，即通過拓撲優(yōu)化、尺寸與形狀優(yōu)化進的設計手段實現(xiàn)零件的復合化、薄壁化和中空化等，，例如圖合金多胞前縱梁和凱迪拉克 CT6 的蜂窩式前輪罩[4]；二是材料用輕質高強的新型輕量化材料實現(xiàn)汽車大幅減重，例如圖 1.2 料、鎂鋁合金、蜂窩鋁和泡沫鋁等。而近些年來在汽車工業(yè)中的激光拼焊板(Tailor welded blanks，TWB)技術既可以實現(xiàn)零件用高性能材料對零件進行局部加強，以達到最優(yōu)的材料或板厚的說 TWB 技術是兩種輕量化方法的集大成者。TWB 結構是將不、甚至是不同材料的金屬薄板拼焊在一起，然后經過后期加工圖 1.3 展示了 TWB 結構在車身典型零部件上的應用，例如車門梁等[6,7]。
【學位授予單位】：湖南大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：U463.82


本文編號：2662328