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《吉林大学》 2011年
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车身结构抗撞性问题的简化建模及优化方法研究

李亦文  
【摘要】:车身设计作为汽车核心技术之一,已经成为我国自主品牌提高产品核心竞争力不可或缺的技术。汽车行业“十一五”规划有针对性地提出:“大型汽车集团必须具备自主产品的平台、总成研发能力;骨干企业则必须具备车身和动力总成、底盘的匹配能力;零部件企业则必须掌握主要的动力总成和关键零部件的核心技术,并具备平台的同步研发能力,鼓励自主品牌轿车发展”。2011年是我国“十二五”规划的起始年,是能否妥善应对国内外发展环境重大变化的关键时期,汽车产品在节能、减排、安全等方面应进一步与世界接轨。坚持把科技进步和创新作为加快转变经济发展方式的重要支撑是制定“十二五”规划的基本原则之一,更是汽车产业由“中国制造”升级到“中国创造”过程中的决定因素。提高原始创新能力和关键核心技术创新能力是实现产品技术升级的保证,特别是当前激烈的市场竞争和成本制约下,将车身设计的更多性能分析和优化工作集中于前期的概念设计阶段,可极大地降低后续工作中修改原设计带来的风险及成本。作为衡量汽车被动安全性的关键因素,车身结构的抗撞性能也需要在概念设计阶段被有效地评估。这就凸显了车身碰撞简化建模方法和理论研究的重要性。 本文结合2009年度国家自然科学基金面上项目《基于重分析理论的简化车身多单元框架结构截面参数快速优化研究》(编号:50975121),2009年度吉林省科技发展计划重大项目《简化车身框架结构多目标多层次快速优化关键技术研究》(编号:20096004)以及配套的中国第一汽车集团公司联合行动项目《乘用车碰撞参数化模型技术研究》(集团编号:0846),中国第一汽车集团公司科技创新项目《车身性能多目标优化平台建立》(集团编号:0837和093715)关于简化车身框架结构静力学分析及优化问题的研究成果,对适用于碰撞分析的简化车身结构建模理论及结构抗撞性优化设计方法进行了深入的研究。主要工作包括: 第一,分析了箱型截面薄壁梁结构在弯曲载荷作用下的变形机理,并提出了一种改进的基于能量守恒的弯曲特性分析方法—CKW方法,保证了理想塑性弯曲区域的面内变形模式满足运动学容许条件。当薄壁直梁结构无法再承受额外的载荷时,弯曲抗性急剧下降,随之在局部表面出现褶皱变形,此时的塑性变形集中在很狭窄的塑性铰区域,其余部位可视为无变形的刚体。基于运动学方法假定了一系列由于局部非线性屈曲变形而产生的塑性铰线,来近似地描述溃缩过程中的能量耗散途径,进而获得了总体能量率的表达式,并通过计算得到了结构的抗弯特性曲线。基于CKW方法的箱型截面薄壁梁弯曲特性分析理论为后续研究其它截面形式下的薄壁梁结构弯曲特性提供了理论基础。 第二,基于所提出的箱型截面弯曲特性分析的CKW方法,对不同类型的帽型截面薄壁梁的弯曲机理进行了研究,并对各自的局部塑性铰区域的褶皱变形特征进行了分析。提出了在单帽型截面梁结构沿截面短边发生屈曲,以及槽型截面在Flange面内发生屈曲(两种弯曲形式)这三种变形模式的结构弯曲特性简化计算方法。这部分研究内容是详细对标车身结构进行框架模型缩减工作的理论基础,为实际车身模型中复杂截面梁结构的等效和简化处理提供了更多的解决方案; 第三,基于所提出的多种截面形式的薄壁梁弯曲特性计算方法,研究了建立适用于碰撞分析的简化车身模型的方法和流程。选择车身最主要吸能部件的典型碰撞工况,前纵梁的前部碰撞和B柱结构的顶部压溃工况为例,分别提取了各自的抗弯特性曲线。基于LS-DYNA讨论了建立简化模型的方法和流程,通过合理分布塑性铰,利用非线性梁单元和附带抗弯特性的转动弹簧单元来近似模拟实际的碰撞模型。详细模型和简化模型的碰撞变形历程、吸能曲线、刚性墙位移等碰撞性能参数的对比结果,均显示了简化建模过程中采用的薄壁梁弯曲特性推导方法和建模流程的正确性和合理性。 第四,对标车身主要吸能部件的碰撞分析结果显示了在抗撞性方面存在着性能缺陷。对部件的详细模型进行抗撞性优化设计,可提高车身产品的性能和竞争力,也能够为车身缩减工作提供更可靠的样本。以对标车身的前纵梁结构为研究对象,应用了应变能密度法来提取结构承载贡献量分布形式。根据计算得到的应变能密度分布将前纵梁结构划分为不同区域,基于变密度法进行了拓扑优化,获得不同区域内的材料分布最优形式。为改善前部碰撞工况下的变形模式并提高吸能性,对比了工程实际中常见的吸能结构设计方法,综合考虑了结构造型和可加工性等因素,在前端直梁区域边缘部位均匀布置了小尺寸方形诱导槽,并在需要加强的区域内部贴装了加强板。最终的碰撞分析显示了所采用的模型修改理论和措施使前纵梁结构具备了极佳的溃缩变形模式和能量吸收能力。 第五,研究了另一种解决车身结构非线性碰撞优化问题的方法——基于代理模型的优化技术,并为碰撞缓冲器结构的低速抗撞性优化设计问题提出了解决方案。结合了正交组合试验设计在构造响应代理模型上的优势,在设计空间中合理分布试验点,分别建立了统计性好,拟合精度高的吸能量和最大碰撞力的响应面模型。而后应用自适应响应面优化方法从提高抗撞性并兼顾轻量化设计的角度对碰撞缓冲器结构的4个构成部件进行了厚度优化,整个优化过程进行了16步迭代就达到了收敛,并获得了最优解。在总质量及最大碰撞力略有下降的情况下,结构可吸收的能量值提升了近5%,达到了预期的优化目标。 最后,对全文进行了系统的总结并对未来的工作进行了展望。
【学位授予单位】:吉林大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:U463.82

【引证文献】
中国硕士学位论文全文数据库 前2条
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【参考文献】
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中国博士学位论文全文数据库 前3条
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中国硕士学位论文全文数据库 前5条
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【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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10 张立国;翟立委;李艳茹;张飞宇;任伟;袁慧;;印度粉矿对鞍钢烧结矿低温还原粉化指标影响[J];鞍钢技术;2009年06期
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4 罗明智;杜家政;;应用Hyperworks实现汽车车架结构的拓扑优化[A];北京力学会第18届学术年会论文集[C];2012年
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6 李志祥;杜璐杉;明大增;;助熔剂法制备单氟磷酸钠的研究[A];中国化学会第28届学术年会第19分会场摘要集[C];2012年
7 龚友;王宪增;沈礼庆;;厢式半挂车有限元分析[A];第二届中国CAE工程分析技术年会论文集[C];2006年
8 屈翔;廖林清;徐科峰;;某轿车白车身结构的静动态特性分析及优化[A];第五届中国CAE工程分析技术年会论文集[C];2009年
9 刘亚彬;周鹂麟;;基于子模型模态修正法的CAE模态频响分析及优化[A];第五届中国CAE工程分析技术年会论文集[C];2009年
10 雷刚;张攀;陈琪;刘意;;基于DOE的汽车碰撞优化分析[A];第五届中国CAE工程分析技术年会论文集[C];2009年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 张红哲;车身概念设计智能CAE关键技术的研究[D];长春理工大学;2010年
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9 李建宝;声子晶体带隙调控的数值与实验研究[D];北京交通大学;2011年
10 朱航;基于多源遥感信息融合的作物营养状况监测与喷洒控制系统的研究[D];吉林大学;2011年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 李伟;基于ANSYS平台的拓扑优化方法研究及其在离心机吊篮结构设计中的应用[D];中国工程物理研究院;2010年
2 刘超;聚氨酯膜预防综放巷道煤层自燃技术的研究[D];山东科技大学;2010年
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6 丁凯;酸化油生物柴油降粘及排放特性试验研究[D];山东农业大学;2010年
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8 王秀丽;基于行人小腿保护的汽车保险杠改进研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
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【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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3 张建润,孙庆鸿,陈南;基于超单元法的轿车白车身动态分析和优化(英文)[J];Journal of Southeast University(English Edition);2004年03期
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5 段伟;石琴;张雷;刘钊;;轿车白车身静刚度分析[J];合肥工业大学学报(自然科学版);2008年06期
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7 魏太琛;;材料对汽车碰撞仿真精度的影响分析[J];机电技术;2012年01期
8 林逸;刘静岩;张君媛;张建伟;王宇;;微型客车概念设计阶段车身结构抗撞性分析[J];吉林大学学报(工学版);2006年03期
9 侯文彬;胡平;刘大有;丁袆;;基于知识的车身结构概念设计工具——IVCD[J];吉林大学学报(工学版);2006年05期
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中国博士学位论文全文数据库 前7条
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中国博士学位论文全文数据库 前2条
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4 叶辉;胡平;申国哲;孙宏图;刘波;周定陆;;汽车车身轻量化优化设计的灵敏度分析与碰撞仿真[A];第七届中国CAE工程分析技术年会暨2011全国计算机辅助工程(CAE)技术与应用高级研讨会论文集[C];2011年
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7 刘君强;彭智勇;杨先娣;李旭晖;;一个基于对象代理模型的生物信息集成系统[A];2005年全国理论计算机科学学术年会论文集[C];2005年
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10 胡美应;发动机后置客车车身结构的低噪声优化设计[D];吉林大学;2006年
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