【摘要】：輕量化技術(shù)是實現(xiàn)汽車節(jié)能減排的主要途徑之一,白車身輕量化設(shè)計是汽車輕量化技術(shù)的重要組成部分,研究表明汽車整備質(zhì)量每降低10%,其燃油消耗可改善6%-8%,相應(yīng)的尾氣排放將減少4.5%,而白車身占整車重量的20%-30%,空載情況下約30%的燃料被其消耗掉。因此白車身輕量化在汽車輕量化中占有舉足輕重的地位。白車身結(jié)構(gòu)不僅是重要的承載部件,而且受到來自路面的多向沖擊,受力情況復雜,同時也是乘員生存空間的重要保證,其性能不僅關(guān)系到整車的NVH、操控穩(wěn)定性、疲勞可靠性等性能,而且直接影響著整車的碰撞安全性能。因此白車身輕量化設(shè)計是一項涉及到多學科、多目標的優(yōu)化設(shè)計工程。本文以“合適的材料用在合適的部位”為設(shè)計理念,以鋼制白車身為設(shè)計基礎(chǔ),基于高強鋼、鋁合金和碳纖維復合材料等輕質(zhì)材料設(shè)計了混合材料白車身,并通過優(yōu)化方法對碳纖維復合材料地板、梁結(jié)構(gòu)截面尺寸、材料屬性以及一些關(guān)鍵設(shè)計變量進行多目標優(yōu)化設(shè)計,實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)-材料-工藝一體化設(shè)計,建立了白車身開發(fā)設(shè)計流程,積累了一定的工程經(jīng)驗。首先以原鋼制的白車身為基礎(chǔ),采用SFE-Concept軟件建立了隱式參數(shù)化白車身模型,并通過對比白車身靜態(tài)彎扭剛度、主要低階模態(tài)特性及碰撞安全性能的試驗與仿真結(jié)果,驗證了隱式參數(shù)化白車身模型的正確性,為后續(xù)的多目標優(yōu)化設(shè)計提供了有效的模型和數(shù)據(jù)支持。然后以隱式參數(shù)化白車身模型為基礎(chǔ),采用碳纖維復合材料地板替代原鋼制地板,建立了混合材料白車身模型。以復合材料力學理論和復合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計原則為指導,選取了制造復合材料地板的原材料T300/5208和連接車身金屬側(cè)圍板的粘結(jié)材料Araldite 2015,并通過試驗測試了其性能參數(shù);簡化了地板結(jié)構(gòu)工藝,建立了前、中、后模塊的一體化復合材料地板結(jié)構(gòu),實現(xiàn)了地板設(shè)計的集成性。通過自由尺寸和尺寸優(yōu)化手段,以單元網(wǎng)格厚度為設(shè)計變量,以車身彎曲剛度和主要低階模態(tài)頻率為約束,以白車身輕量化系數(shù)為目標建立了地板結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型,對其進行連續(xù)變量優(yōu)化設(shè)計,最終確定了碳纖維復合材料地板各模塊的鋪塊形狀及對應(yīng)的鋪層層數(shù),為后續(xù)鋪層順序優(yōu)化設(shè)計提供了模型和數(shù)據(jù)支持。針對鋪層順序優(yōu)化問題中變量爆炸組合的特點,本文基于旅行商問題和基本粒子群算法提出了離散粒子群優(yōu)化方法,并在其中引入了記憶庫檢查策略和逃逸策略,有效避免了鋪層順序優(yōu)化問題中“無效交換”和“早熟”的現(xiàn)象,提高了優(yōu)化效率和收斂精度;同時采用連續(xù)變量離散化圓整策略避免了層合板剛度的損失,采用連續(xù)纖維鋪層策略減少了因丟層現(xiàn)象所帶來的缺陷,保證了層合板力學性能的最大連續(xù)性;采用離散變量優(yōu)化設(shè)計方法對地板鋪層順序進行多目標優(yōu)化設(shè)計,對比了原鋼制白車身和混合材料白車身的靜動態(tài)性能,驗證了優(yōu)化設(shè)計方案的合理性和有效性。最后以混合材料白車身為研究對象,以白車身性能為響應(yīng)目標定義了34個隱式參數(shù)化設(shè)計變量,采用貢獻度和主效應(yīng)篩選的方法最終確定了26個對車身性能影響較大的優(yōu)化變量,并在此基礎(chǔ)上以白車身靜動態(tài)性能和碰撞安全性確定約束函數(shù)和目標函數(shù),建立優(yōu)化數(shù)學模型;通過對Kriging和RBF近似模型進行誤差分析和討論,確定RBF近似模型更適合白車身非線性碰撞優(yōu)化問題;采用MNSGA-II優(yōu)化算法對白車身進行多目標優(yōu)化設(shè)計,獲得258組非支配方案;針對最優(yōu)非支配方案的選取問題,提出了灰熵相關(guān)度分析方法,對258組非支配方案進行灰熵相關(guān)度排名,獲得綜合性能較好的方案A;為進一步驗證灰熵相關(guān)度方法的可靠性,采用比較成熟的TOPSIS方法對妥協(xié)解集進行相對度排名,獲得方案B,通過對比分析,驗證了灰熵相關(guān)度分析方法的可行性;通過對比優(yōu)化前后白車身靜動態(tài)性能和碰撞安全性,結(jié)果表明在保證白車身性能不降低的條件下,地板減重34.4%,白車身輕量化系數(shù)減小11.5%,驗證了優(yōu)化方案的可行性,并進一步驗證了近似模型的精度。
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：U463.82
【圖文】：

第 1 章 緒論第1章 緒論1.1研究的背景及意義汽車作為一種重要交通工具走進人們的生活已有 130 多年的歷史，不僅對人們的出行及貨物的運輸提供了便利條件，而且作為重要的國民經(jīng)濟支柱產(chǎn)業(yè)對冶金、機械、電子、橡膠等相關(guān)工業(yè)起到了較大的推進作用。得益于改革開放和世貿(mào)組織的加入，我國汽車工業(yè)取得了重大進步，自 2009 年我國汽車銷售量達到 1383 萬輛，成為世界最大的汽車制造國。2007 年至 2017 年，我國乘用車產(chǎn)量平均每年保持較高的增長速率，圖 1.1 為自 2007 年以來我國汽車的產(chǎn)量及增速。截至 2016 年底，我國汽車保有量已達到 1.94 億輛，位居全球第一。盡管汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展帶來了諸多的機遇，但同時也引起了巨大的問題。

第 1 章 緒論第1章 緒論1.1研究的背景及意義汽車作為一種重要交通工具走進人們的生活已有 130 多年的歷史，不僅對人們的出行及貨物的運輸提供了便利條件，而且作為重要的國民經(jīng)濟支柱產(chǎn)業(yè)對冶金、機械、電子、橡膠等相關(guān)工業(yè)起到了較大的推進作用。得益于改革開放和世貿(mào)組織的加入，我國汽車工業(yè)取得了重大進步，自 2009 年我國汽車銷售量達到 1383 萬輛，成為世界最大的汽車制造國。2007 年至 2017 年，我國乘用車產(chǎn)量平均每年保持較高的增長速率，圖 1.1 為自 2007 年以來我國汽車的產(chǎn)量及增速。截至 2016 年底，我國汽車保有量已達到 1.94 億輛，位居全球第一。盡管汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展帶來了諸多的機遇，但同時也引起了巨大的問題。

特別是自 2007 年由中國汽車工程學會、中國第一汽車集團有限公司、吉林多家科研單位成立的中國汽車輕量化技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟以來，該聯(lián)盟致力于構(gòu)建、研、用等多方共贏的平臺，不斷攻克輕量化技術(shù)難關(guān)，提高自主品牌輕量化爭力[3]。此外各高校與企業(yè)根據(jù)自身情況進行校企聯(lián)合，在汽車輕量化方面開展有意義的研究，吉林大學與中國第一汽車集團有限公司合作的白車身參數(shù)化輕術(shù)平臺開發(fā)項目，獲得了良好的輕量化方案，東北大學開發(fā)出了高韌性 2000Mp壓鋼，寶鋼自2009運行高強度鋼生產(chǎn)線以來，生產(chǎn)出了冷軋1500Mpa，熱鍍鋅980高強度鋼[4]，鞍鋼所開發(fā)的具有良好韌性和強度的 TRIP590 和 TRIP780 高強鋼應(yīng)用于自主品牌的汽車上。另外，國內(nèi)一些大型汽車廠商也開始建立鋁鎂合金產(chǎn)線，為汽車輕量化提供有力保障。目前，許多汽車廠商運用多種方法開展了對車身輕量化設(shè)計的研究，但歸結(jié)要有以下三種途徑：輕質(zhì)新材料的應(yīng)用、先進制造工藝的使用以及合理的結(jié)構(gòu)計。車身輕量化技術(shù)分類如圖 1.3 所示。

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 尹安東;許靖;曹誠;;基于全局響應(yīng)面法的電動轎車白車身多目標優(yōu)化[J];合肥工業(yè)大學學報(自然科學版);2015年12期

2 朱劍峰;王水瑩;林逸;寇宏濱;余雷;陳廣陽;;后副車架拓撲優(yōu)化概念設(shè)計和智能輕量化方法研究[J];汽車工程;2015年12期

3 王磊;劉瑩;喬鑫;;基于正向開發(fā)流程的車身輕量化設(shè)計[J];汽車工程學報;2015年06期

4 彭云;陳濤;段利斌;成艾國;;基于隱式參數(shù)化技術(shù)的車門內(nèi)飾板安全性設(shè)計[J];機械科學與技術(shù);2015年06期

5 苑世劍;劉偉;徐永超;;板材液壓成形技術(shù)與裝備新進展[J];機械工程學報;2015年08期

6 史國宏;吳錦妍;宋正超;;車身正向開發(fā)過程中的優(yōu)化設(shè)計[J];汽車安全與節(jié)能學報;2014年03期

7 占金青;楊康;黃志超;;基于節(jié)點變量法的連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化設(shè)計[J];農(nóng)業(yè)機械學報;2014年09期

8 宋凱;段利斌;陳濤;成艾國;;全參數(shù)化概念車身協(xié)同開發(fā)與快速化結(jié)構(gòu)設(shè)計研究[J];中國機械工程;2014年06期

9 王帥;;專用汽車輕量化設(shè)計的研究[J];裝備制造技術(shù);2013年11期

10 徐中明;徐小飛;萬鑫銘;張志飛;李陽;;鋁合金保險杠防撞梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J];機械工程學報;2013年08期

本文編號：2752327