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面向轿车车身轻量化的试验设计方法及应用研究

作　者: 施颐
导　师: 朱平
学　校: 上海交通大学
专　业: 车辆工程
关键词: 车身结构轻量化设计近似模型试验设计刚度耐撞性
分类号: U462.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

节约资源和减少环境污染是世界汽车工业界亟待解决的两大问题,汽车轻量化是实现节能和环保的有效途径。车身重量约占整车重量的40%左右,因此车身轻量化对于整车的轻量化起着举足轻重的作用。车身轻量化设计是多参数、多约束的复杂系统优化问题,首先需要满足耐撞安全性。借助传统有限元分析和“试错法”等手段进行优化设计容易造成计算量过大、优化收敛缓慢甚至无法得到全局最优解等缺点,应用近似模型代替有限元仿真来预测或拟合结构性能响应是国内外研究的前沿和热点。近似模型是一种能够反映设计变量与性能响应之间函数关系的数学模型,通常是结合试验设计和近似拟合方法建立的。目前,根据不同领域的工程应用,对试验设计和近似拟合方法的选择上具有一定的随意性和不确定性,因此车身结构轻量化设计需要对相应的建模方法进行合理评价和选择。本文针对现有车身结构形式,利用近似模型理论结合数值优化算法,对车身结构轻量化设计进行了较为系统的研究,在确保刚度及耐撞性能的前提下,实现车身结构的轻量化。主要研究工作及结论如下:1)针对车身结构耐撞性能响应具有强非线性的特点,根据近似模型的精度检验指标——均方根误差和最大绝对误差,对比分析均匀设计、拉丁超立方设计及汉默斯里序列抽样这三种常用的现代试验设计方法的抽样方式对支持向量回归近似拟合方法建模的影响。通过对比研究,在满足轻量化设计的“小样本规模”范围条件下,将均匀设计和支持向量回归方法相结合,最适合建立车身结构耐撞性能指标的近似模型。2)在经典优化理论的基础上,提出了基于近似模型的车身结构轻量化设计流程:结合均匀设计和支持向量回归方法能够建立具有良好整体预测精度的近似模型;基于自适应过程的优化设计通过提升近似模型在最优解处的预测精度,确保得到真实的全局最优解;针对轻量化最优解进行合理的工程修正及仿真验证,能够确保设计方案的工程可行性。根据该设计流程,以车身关键部件——车门为例进行轻量化设计,在确保车门结构刚度及耐撞性能的前提下,实现6.72%的轻量化效果,验证了轻量化设计流程的可行性。3)针对整车车身结构复杂系统具有性能类型多样且各性能响应非线性程度不一的特点,以某型轿车为例,综合考虑弯曲刚度及侧碰耐撞性能,利用均匀设计和支持向量回归方法建立结构性能指标的近似模型,通过遗传算法优化车身零件的厚度及相应的材料参数,实现车身结构轻量化设计,减少的质量为9.1kg,实现了5.44%的轻量化效果。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-12
第一章绪论  12-24
  1.1 课题研究背景、意义及来源  12-13
    1.1.1 课题研究背景及意义  12-13
    1.1.2 课题来源  13
  1.2 国内外相关研究现状  13-21
    1.2.1 车身材料轻量化研究现状  13-16
    1.2.2 车身结构轻量化研究现状  16-18
    1.2.3 近似模型研究现状  18-20
    1.2.4 研究现状总结  20-21
  1.3 本文研究内容  21-24
第二章车身结构轻量化设计的理论基础  24-42
  2.1 引言  24
  2.2 车身结构有限元分析的理论基础  24-35
    2.2.1 刚度性能有限元分析理论  25-27
    2.2.2 耐撞性能有限元分析理论  27-35
  2.3 近似模型的理论基础  35-41
    2.3.1 近似模型的建模概述  35-36
    2.3.2 试验设计方法  36-38
    2.3.3 近似拟合方法  38-41
  2.4 本章小结  41-42
第三章面向车身结构耐撞性能指标的试验设计方法研究  42-56
  3.1 引言  42
  3.2 现代试验设计方法  42-45
    3.2.1 均匀设计  43
    3.2.2 拉丁超立方设计  43-44
    3.2.3 汉默斯里序列抽样  44-45
  3.3 试验设计方法的对比研究  45-54
    3.3.1 测试案例概述  45-46
    3.3.2 测试方案  46-47
    3.3.3 近似模型的精度检验指标  47-48
    3.3.4 测试结果对比分析  48-53
    3.3.5 研究结论  53-54
  3.4 本章小结  54-56
第四章基于近似模型的车身结构轻量化设计方法研究  56-72
  4.1 引言  56
  4.2 基于近似模型的车身结构轻量化设计流程  56-61
    4.2.1 车身轻量化总体构架  56-57
    4.2.2 车身轻量化具体步骤  57-61
  4.3 基于刚度和耐撞性能的车门轻量化设计  61-69
    4.3.1 有限元模型概述  61-64
    4.3.2 近似模型的建模  64-66
    4.3.3 轻量化优化设计  66-68
    4.3.4 工程可行性及仿真验证  68-69
  4.4 本章小结  69-72
第五章基于整车刚度和耐撞性能的车身结构轻量化设计  72-88
  5.1 引言  72
  5.2 整车有限元模型概述  72-77
    5.2.1 车身结构有限元模型  72-74
    5.2.2 整车碰撞有限元模型  74-76
    5.2.3 整车有限元模型验证  76-77
  5.3 车身结构轻量化设计  77-87
    5.3.1 近似模型建模  77-82
    5.3.2 轻量化优化设计  82-84
    5.3.3 工程可行性及仿真验证  84-87
  5.4 本章小结  87-88
第六章全文总结与展望  88-90
  6.1 全文总结  88-89
  6.2 研究展望  89-90
参考文献  90-94
致谢  94-95
攻读硕士学位期间发表的学术论文  95-97

面向轿车车身轻量化的试验设计方法及应用研究

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