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多目标优化方法在车身结构轻量化设计中的应用研究

作　者: 谢然
导　师: 兰凤崇
学　校: 华南理工大学
专　业: 车辆工程
关键词: 车身结构高强度钢板多目标遗传算法响应面方法可靠性设计
分类号: U462.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 661次
引　用: 5次
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内容摘要

轿车排放、油耗和碰撞安全法规日益严格,都要求汽车重量不断减少,汽车轻量化技术已成为业界研究的难点和热点。实现车身结构轻量化的途径,一是车身结构优化设计和创新设计；二是研究和开发轻质与高强度车身材料；三是采用先进的车身制造技术。由于高强度钢板在强度、塑性、抗冲击能力、回收使用及低成本方面具有综合的优势,采用高强度钢板及其先进加工工艺成为了当前车身结构轻量化设计的主要方法。高强度钢板车身结构设计是一个多学科、多目标优化过程,涉及到冲压成形、碰撞安全、结构强度、模态和刚度、NVH和空气动力性等各个方面的性能要求。论文根据轻量化车身结构设计的实践需要,对以试验设计、代理模型、现代优化算法和质量工程为核心的多目标理论体系进行了阐述。本论文主要的研究工作包括以下三个方面：1)通过某SUV车型的结构特征、受力特点、碰撞变形的力流和能量流分布规律分析,提出了车身结构高强度钢板分布方案。使该车型的高强度钢板质量比例达到54%,处于国内领先水平。2)提出了车身结构多目标优化方法的算法流程。在采用高强度钢板后,为了确定该SUV车身前端结构关键零件的厚度参数,首先分别建立白车身有限元模型和40%偏置正面碰撞的简化模型；其次在优化模型中综合考虑白车身扭转刚度、最大碰撞力及平均碰撞作用力、碰撞吸能要求和质量最轻等多个性能指标要求,在构建高精度的响应面近似模型的基础上,然后采用非劣性分层遗传算法(NSGA-Ⅱ)对其进行6σ可靠性优化设计；最后运用蒙特卡罗模拟技术对优化方案的鲁棒性进行评价。优化方案的前纵梁变形模式更加合理,其后门槛的加速度响应也得到了改善。3)白车身模态和40%ODB偏置碰撞试验与仿真结果的比较表明,建立了的白车身和整车碰撞有限元模型的精度符合工程设计要求。在材料升级及结构改进后,40%ODB偏置碰撞的仿真结果表明各关键点的侵入量都有较大幅度的改善。车身结构的轻量化系数也从5.23降低到4.67,处于国内同型车的领先水平。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-10
第一章绪论  10-17
  引言  10
  1.1 车身结构轻量化设计的研究内容和方法  10-11
  1.2 国内外轻量化车身结构的研究现状  11-16
    1.2.1 轻量化材料车身结构的研究现状  11-13
    1.2.2 轻量化车身结构优化设计方法研究现状  13-16
  1.3 本论文的主要研究内容  16-17
第二章车身结构多目标优化的理论体系  17-29
  2.1 近似模型的构建理论  17-20
    2.1.1 试验设计  17-18
    2.1.2 近似模型  18-20
  2.2 遗传算法理论  20-23
  2.3 车身结构可靠性和鲁棒性设计理论  23-27
    2.3.1 工程设计中的不确定性及概率设计方法  23-26
    2.3.2 结构可靠性设计基础  26-27
  2.4 本章小结  27-29
第三章基于耐撞性的轻量化车身结构材料分布规律研究  29-40
  3.1 车身结构受力特征研究  29-33
    3.1.1 Euro-NCAP正面碰撞分析  29-32
    3.1.2 Euro-NCAP侧面碰撞分析  32-33
  3.2 车身结构高强度钢板升级方案  33-36
  3.3 车身结构高强度钢板分布规律总结  36-39
  3.4 本章小结  39-40
第四章车身前部结构的多目标优化设计  40-57
  4.1 汽车轻量化设计的多目标问题及设计流程  40-45
    4.1.1 汽车轻量化设计的多目标问题  40-43
    4.1.2 汽车轻量化设计的多目标优化流程  43-45
  4.2 实例SUV车身结构多目标优化设计有限元模型的建立  45-51
    4.2.1 实例SUV白车身扭转刚度分析模型的建立  45-46
    4.2.2 实例SUV车身抗撞性优化模型的建立  46-50
    4.2.3 实例SUV车身轻量化多目标优化设计的数学模型  50-51
  4.3 实例SUV车身结构多目标优化计算及结果分析  51-56
    4.3.1 车身结构多目标优化试验设计及响应面的构建  51-52
    4.3.2 车身结构多目标和可靠性优化求解  52-54
    4.3.3 车身前部结构多目标优化结果评价  54-56
  4.4 本章小结  56-57
第五章车身结构多目标优化综合性能验证  57-69
  5.1 轻量化车身结构模态实验  57-61
  5.2 Euro-NCAP正面碰撞实验及仿真  61-65
    5.2.1 Euro-NCAP正面碰撞实验方法  61-63
    5.2.2 碰撞实验与仿真结果对比分析  63-65
  5.3 轻量化车身结构优化效果综合验证  65-68
    5.3.1 车身结构耐撞性优化效果仿真分析  65-67
    5.3.2 车身结构的轻量化系数评价方法  67-68
  5.4 本章小结  68-69
总结与展望  69-71
参考文献  71-75
攻读硕士学位期间取得的研究成果  75-76
致谢  76-77
答辩委员会对论文的评定意见  77

多目标优化方法在车身结构轻量化设计中的应用研究

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