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某轿车车门综合性能的评价及优化设计

作　者: 栾文哲
导　师: 尉庆国
学　校: 中北大学
专　业: 车辆工程
关键词: 车门特性优化设计响应面算法灵敏度车门轻量化
分类号: U463.834
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
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内容摘要

车身工程作为现代汽车产业链中研究的热点课题，是最为年轻同时发展非常迅速的分支结构。车门隶属于汽车开闭件范畴，是车身系统中的一个重要组成部分。其性能将直接关系到汽车总体的安全性、舒适性和耐久性。评价车门性能的指标主要包括：下沉刚度、扭转刚度、带线刚度、窗框刚度、模态频率、外板抗凹能力以及车门的耐撞击特性。借助于CAE分析软件，不仅要使所设计的车门满足企业制定的相关标准，更重要的是将CAE优化技术贯穿到新车型整个研发过程中。本文以整车CAE分析项目中的子项目车门部分的CAE分析为研究对象，主要研究内容和成果如下：(1)对某车型车门原始CATIA3D数模进行几何清理、有限元网格划分以及各分析工况约束和加载条件的确定，使所划分的车门有限元模型满足企业相关标准；(2)对车门有限元模型进行下沉刚度、扭转刚度、带线刚度、窗框刚度和外板抗凹能力的CAE分析，结果满足企业相关标准。进行模态分析，求解出的车门低阶模态的振型与频率值能够避开除白车身之外各激励源的共振，但车门一阶模态与白车身整体一阶弯曲模态存在共振的可能性。因此，将车门一阶模态的频率值作为优化的目标；(3)以我国《汽车侧面碰撞的成员保护》法规为基础，参照FMVSS214和Euro-NCAP标准等，对车门有限元模型进行侧面刚性柱碰撞试验。依据仿真结果做碰撞优化，将车门防撞梁的形式由原来的圆管改为Y字形板梁，优化结果提高了车门的耐撞击性能；(4)将灵敏度分析方法与响应面优化算法相结合，筛选出对车门主要特性指标下扭转刚度和一阶模态值有显著影响的设计变量，对车门进行基于部件厚度变化的模态特性优化设计。车门一阶模态值由35.52Hz增大到37.44Hz，增大的比例为5.13℅，在没有增加车门质量的基础上优化效果明显；(5)探讨实现车门轻量化的措施。应用CAE方法对应用新材料(铝合金2017)的车门结构进行轻量化设计。选择高强度钢—铝合金材料车门作为轻量化最终方案；

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-11
1 绪论  11-17
  1.1 课题研究的背景及意义  11-12
  1.2 CAE 在国内外汽车领域发展状况  12-16
    1.2.1 CAE 概述  12-13
    1.2.2 CAE 在汽车领域的应用  13-14
    1.2.3 CAE 在国外汽车领域的发展状况  14
    1.2.4 CAE 在国内汽车领域的发展状况  14-16
  1.3 本课题研究的主要内容  16-17
2 有限元法理论与模拟仿真软件  17-24
  2.1 有限单元法理论  17-20
    2.1.1 有限单元法简介  17
    2.1.2 有限元分析的过程  17-19
    2.1.3 有限元法的应用领域  19-20
  2.2 软件应用环境介绍  20-23
    2.2.1 HyperWorks 简介  20-21
    2.2.2 RADIOSS 简介  21-22
    2.2.3 LS-DYNA 简介  22-23
  2.3 本章小结  23-24
3 车门有限元模型的建立  24-39
  3.1 车门几何模型清理  24-26
    3.1.1 模型格式的转换  24-25
    3.1.2 几何清理标准与过程  25-26
  3.2 车门有限元网格划分标准  26-31
    3.2.1 网格数量  27-28
    3.2.2 网格疏密  28
    3.2.3 单元阶次  28
    3.2.4 网格质量  28-29
    3.2.5 位移协调性  29-30
    3.2.6 单元尺寸的确定  30
    3.2.7 确定车门网格划分方案  30-31
  3.3 车门有限元模型的建立过程  31-38
    3.3.1 网格的划分  31-32
    3.3.2 网格质量的检查与调整  32
    3.3.3 网格连续性的检查与调整  32-33
    3.3.4 网格法向的调整及偏移  33-34
    3.3.5 网格穿透的调整  34-35
    3.3.6 车门材料与属性的加载  35-37
    3.3.7 车门部件连接关系的确定  37-38
  3.4 本章小结  38-39
4 车门动静态特性有限元分析  39-52
  4.1 车门下沉刚度的计算  40
    4.1.1 约束类型和加载方式  40
    4.1.2 下沉工况求解  40
  4.2 车门扭转刚度的计算与分析  40-42
    4.2.1 约束类型和加载方式  41
    4.2.2 扭转工况求解  41-42
  4.3 车门内、外板带线刚度的计算与分析  42-43
    4.3.1 约束类型和加载方式  42
    4.3.2 内、外板带线工况求解  42-43
  4.4 车门窗框中部、边角刚度的计算与分析  43-44
    4.4.1 约束类型和加载方式  43
    4.4.2 窗框中部、边角工况求解  43-44
  4.5 车门低阶约束模态的计算与分析  44-47
    4.5.1 约束类型和加载方式  44
    4.5.2 车门低阶模态的求解  44-45
    4.5.3 车门共振情况的分析  45-47
  4.6 车门抗凹的计算  47-50
    4.6.1 车门外板考察点的选择  47-48
    4.6.2 车门外板约束与加载条件  48-49
    4.6.3 接触的设置  49
    4.6.4 加载分析步的过程  49
    4.6.5 车门外板抗凹工况求解  49-50
  4.7 车门动静态特性分析结果与总结  50-51
  4.8 本章小结  51-52
5 车门侧面刚性柱碰撞模拟仿真及改进设计  52-64
  5.1 车门侧面碰撞初始条件的确定  52-57
    5.1.1 车门有限元模型约束条件的确定  52
    5.1.2 车门侧面碰撞刚性柱的确定  52-54
    5.1.3 沙漏控制  54-55
    5.1.4 时间步长控制  55-56
    5.1.5 侧面碰撞接触的设置  56-57
    5.1.6 穿透问题的设置  57
  5.2 车门侧面刚性柱碰撞仿真结果的分析  57-61
  5.3 车门侧面碰撞性能的改进设计  61-62
  5.4 车门优化前后对比分析与总结  62-63
  5.5 本章小结  63-64
6 基于响应面法的车门模态特性优化设计  64-78
  6.1 响应面法理论  64-66
    6.1.1 响应面方法的近似理论  64-65
    6.1.2 响应面法进行优化设计的基本步骤  65
    6.1.3 响应面方法的评价指标—残差分析  65-66
  6.2 优化设计环境—HyperStudy  66-71
  6.3 车门模态特性优化  71-77
    6.3.1 基于灵敏度方法的设计变量的筛选  71-73
    6.3.2 优化设计方法的选择  73
    6.3.3 优化结果的评价  73-77
  6.4 本章小结  77-78
7 车门轻量化优化设计方法的探讨  78-82
  7.1 汽车轻量化设计现状  78
  7.2 基于轻质化材料的车门轻量化设计  78-81
  7.3 本章小结  81-82
8 论文总结与展望  82-84
  8.1 论文总结  82-83
  8.2 论文展望  83-84
参考文献  84-88
攻读硕士学位期间发表的论文及取得的研究成果  88-89
致谢  89-90

某轿车车门综合性能的评价及优化设计

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