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多材料结构汽车车身轻量化设计方法研究

崔新涛  
【摘要】: 车身轻量化是提高汽车燃油经济性、减少尾气排放、节约材耗的有效手段。采用轻量化材料是汽车车身轻量化的重要途径。相对于单一材料车身而言,多材料车身可以充分发挥不同材料的性能、成本优势,为车身各个零部件选择合适的制造材料,从而在性能和成本约束下,实现较好的轻量化效果。本文以汽车车身为对象,基于合适材料用于合适部位的设计理念,综合考虑车身结构性能、质量和成本,研究多材料车身轻量化设计方法。论文主要研究内容和成果如下: 1.汽车车身结构性能分析及参数灵敏度计算。采用有限元方法仿真分析了车身静态刚度和整车正面碰撞性能,通过车身刚度和碰撞响应的结构参数灵敏度分析,辨识了对刚度和正面碰撞响应影响较大的关键零部件;根据车身结构特点和功能,将车身分解为大型板壳结构部件和薄壁梁结构部件两大类,针对两类车身部件提出了相应的优化选材策略。 2.面向轻量化的车身板壳类部件优化选材与设计。以车门选材和设计为范例,提出针对车身大型板壳类零部件轻量化设计的选材方法。首先提出了一种同时考虑车门侧面挤压碰撞、刚度、固有频率以及结构质量等多个准则的汽车车门优化设计方法,采用该方法对采用各种材料的车门结构进行了优化;然后在结构优化的基础上,进行成本分析;最后综合考虑质量和制造成本,采用价值函数理论对车门进行优化选材。该方法对其它车体大型板壳类零部件的选材和设计具有普适性。 3.基于材料性能指数的车身薄壁梁部件优化选材与设计。构建了车身薄壁梁部件材料性能指数的精确模型,替代基于简单结构形状建立的传统模型,该指数可用来量化分析车身薄壁梁部件中轻质材料替代传统钢材的轻量化效果。分析了材料性能指数对选材的影响。基于价值函数理论和材料性能指数,提出了薄壁梁部件材料选择方法。在计算与验证各薄壁梁部件材料性能指数的基础上,对车身薄壁梁部件进行材料优选,实现了以仅增加14.3$(约7%)的材料成本,比原车身减轻质量30.9kg的效果。 4.车身材料与结构组合优化设计方法。该方法将车身材料类型和零件厚度同时作为设计变量,建立了车身材料与结构组合优化设计数学模型,利用神经网络建立约束方程(结构性能)的全局近似模型,采用多目标遗传算法进行优化问题求解。利用该方法,可以为车身(或子装配体)的各个零件选择最合适的材料,同时可以得到零件的优化厚度。 本文研究结果表明,相对于单一材料结构设计而言,多材料结构车身将合适的材料用在合适的部位,从而可以在不显著增加成本的前提下,达到明显的轻量化效果。


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