發(fā)布時(shí)間：2020-06-05 09:18

【摘要】：日益嚴(yán)格的燃油排放法規(guī)與不斷提升的消費(fèi)者舒適性要求,促使汽車輕量化技術(shù)亟需成熟與完善;隨著汽車電動(dòng)化與智能化的發(fā)展,電池包、控制器、各種視覺與傳感設(shè)備等都會(huì)增加汽車車重,對(duì)汽車結(jié)構(gòu)優(yōu)化提出了新挑戰(zhàn)。結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化、參數(shù)化優(yōu)化等結(jié)構(gòu)層優(yōu)化,連接工藝的不斷發(fā)展,以及鎂合金、鋁合金、塑料、復(fù)合材料等輕質(zhì)材料的應(yīng)用均是輕量化的有效途徑。輕質(zhì)材料的應(yīng)用是輕量化途徑中最具有優(yōu)勢的輕量化技術(shù)。鎂合金作為最輕的金屬,密度是高強(qiáng)鋼的1/4,是鋁合金的2/3;比剛度相當(dāng),比強(qiáng)度優(yōu)于高強(qiáng)鋼與鋁合金;減震吸聲性卓越;抗疲勞效果好;易于成型大型部件,節(jié)約成本;可完全回收利用,其應(yīng)用潛力巨大。目前,對(duì)于鎂合金材料的研究眾多,但是由于鎂合金微觀晶粒結(jié)構(gòu)決定了其動(dòng)態(tài)特性的復(fù)雜,缺乏能實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用的應(yīng)變率相關(guān)本構(gòu)方程的研究,使得鎂合金材料的工程應(yīng)用尤其是在汽車工程中的應(yīng)用還很少。非常有必要解決寬應(yīng)變率范圍內(nèi)輕質(zhì)鎂合金材料的本構(gòu)模型以及工程應(yīng)用的問題,這對(duì)于汽車輕量化、電動(dòng)化、智能化意義重大。本文從鎂合金材料力學(xué)特性出發(fā),研究了從材料特性微觀本質(zhì)的認(rèn)知到詳細(xì)設(shè)計(jì)階段鋼鎂一體化結(jié)構(gòu)工程應(yīng)用的全過程�；趧偠饶B(tài)等基礎(chǔ)特性、耐撞性以及疲勞壽命等非線性特性進(jìn)行了基本涵蓋綜合總體性能的輕量化設(shè)計(jì)開發(fā)與應(yīng)用研究。提出了“性能—材料—結(jié)構(gòu)”集成化輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)流程,將“合適的材料用于合適的地方”的思想融入優(yōu)化設(shè)計(jì)開發(fā)過程。研究了以AZ31B-H24為代表的鎂合金材料的準(zhǔn)靜態(tài)特性以及準(zhǔn)靜態(tài)到7000s~(-1)高應(yīng)變率范圍內(nèi)的動(dòng)態(tài)特性。利用有限元思想估算結(jié)構(gòu)碰撞中材料的應(yīng)變率范圍,進(jìn)行了符合整車碰撞高應(yīng)變率要求的霍普金森壓桿試驗(yàn),解決了文獻(xiàn)中僅有3000s~(-1)以下中高應(yīng)變率試驗(yàn)數(shù)據(jù)參考的弊端;同時(shí)發(fā)現(xiàn)4000s~(-1)應(yīng)變率作為鎂合金材料動(dòng)態(tài)力學(xué)特性規(guī)律變化的臨界值,臨界值左右力學(xué)特性規(guī)律不同;提出了符合汽車結(jié)構(gòu)工程應(yīng)用的混合宏觀唯象本構(gòu)模型;開展了金相、SEM等微觀變形機(jī)理研究,從微觀角度對(duì)力學(xué)特性現(xiàn)象進(jìn)行了解釋,對(duì)微觀動(dòng)態(tài)本構(gòu)方程進(jìn)行了梳理。在結(jié)構(gòu)模型數(shù)值分析方面,鑒于數(shù)值分析技術(shù)越來越多的作為設(shè)計(jì)參考依據(jù),提出了結(jié)構(gòu)局部特性未知參數(shù)逆問題識(shí)別法,該系統(tǒng)完善的建模方法同時(shí)考慮了結(jié)構(gòu)模型的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性、多種材料復(fù)雜性等多重不確定性參數(shù)嵌套優(yōu)化問題,為數(shù)值分析驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化的可靠性提供方法基礎(chǔ)與依據(jù)。示例結(jié)構(gòu)基于自由模態(tài)進(jìn)行了數(shù)值分析模型標(biāo)定,在分析模型的建立過程中,按照本文提出的局部特性未知參數(shù)逆問題識(shí)別法識(shí)別出局部特性的質(zhì)量、剛度、阻尼復(fù)合參數(shù),通過試驗(yàn)?zāi)B(tài)與傳統(tǒng)駐波理論自由模態(tài)及本文行波理論局部含阻尼特性自由模態(tài)進(jìn)行對(duì)比,得到示例裝配體復(fù)雜結(jié)構(gòu)采用提出方法的正確性,與試驗(yàn)的頻率、振型等模態(tài)特性更加一致。采用提出的鎂合金材料混合本構(gòu)方程與局部特性參數(shù)逆問題識(shí)別方法,建立了鋼鎂一體化前端結(jié)構(gòu)的耦合整車模型。參考了某對(duì)標(biāo)車型的剛度、模態(tài)、耐撞安全性、疲勞壽命等性能指標(biāo),作為鋼鎂一體化汽車前端結(jié)構(gòu)車型開發(fā)的性能目標(biāo)及約束。利用優(yōu)化拉丁超立方試驗(yàn)設(shè)計(jì),得到了覆蓋綜合總體性能的鋼鎂一體化汽車前端結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)性能陣列;將試驗(yàn)陣列數(shù)據(jù)進(jìn)行Kriging代理模型近似,得到各學(xué)科一致性精確的近似模型;利用NSGA-Ⅱ多目標(biāo)遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化,得到基于綜合總體性能的優(yōu)化結(jié)果。將優(yōu)化結(jié)果調(diào)整為可以工程應(yīng)用的工程數(shù)據(jù),利用數(shù)據(jù)模型進(jìn)行驗(yàn)證,得到了性能優(yōu)化方案。利用了覆蓋綜合總體性能的試驗(yàn)設(shè)計(jì)、代理精度最好的Matern Cubic相關(guān)函數(shù)的Kriging近似模型、及NSGA-Ⅱ多目標(biāo)遺傳算法的“試驗(yàn)設(shè)計(jì)—近似模型—多目標(biāo)多學(xué)科優(yōu)化”的思路,將基于剛度、模態(tài)輕量化思想,基于耐撞性輕量化思想,基于疲勞壽命的輕量化思想等特色輕量化思路以及材料的靜態(tài)特性、動(dòng)態(tài)特性與宏觀、微觀本構(gòu)方程融為一體,提出該“性能—材料—結(jié)構(gòu)”集成化輕量化設(shè)計(jì)流程,并在汽車前端結(jié)構(gòu)中得到了驗(yàn)證。
【圖文】：

（a）世界 CO2排放量行業(yè)占比 （b）廣州市 PM2.5 來源圖 1-1 世界 CO2排放量行業(yè)占比與廣州 PM2.5 來源世界各主要國家和地區(qū)都制定了相應(yīng)的燃油消耗量標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)，部分法規(guī)如表 例如美國公司平均燃油經(jīng)濟(jì)性標(biāo)準(zhǔn)要求汽車生產(chǎn)廠商到 2025 年乘用車與輕卡司平均燃油效率到 54.5mpg[2]。在參考世界主要國家和地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)的基礎(chǔ)上繼出臺(tái)了更加嚴(yán)格的汽車排放標(biāo)準(zhǔn)。2012 年 6 月國務(wù)院發(fā)布《節(jié)能與新能源汽11.5%

圖 1-2 乘用車整車結(jié)構(gòu)分區(qū)示意圖端結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀前端結(jié)構(gòu)研究中，，Shuler Stephen 等[9]利用改善的有限元收器與汽車前端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略，并利用數(shù)值方法優(yōu)化 等[10]討論了兩輛車前端結(jié)構(gòu)之間的相互作用對(duì)改善碰撞前端結(jié)構(gòu)，能夠減少攻擊性與傷害性。利用多目標(biāo)遺傳化，利用梁單元建立前端結(jié)構(gòu)模型。Park Sung-Wook 等纖維復(fù)合材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)過程，以達(dá)到考慮質(zhì)量與產(chǎn)于正碰，將連續(xù)變截面（TRB）板應(yīng)用于汽車前端結(jié)構(gòu)設(shè)限元模型進(jìn)行了汽車前端結(jié)構(gòu)的多目標(biāo)多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)性目標(biāo)下進(jìn)行減重優(yōu)化。
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：U463

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