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梯度薄壁结构设计方法及其在车身设计中的应用

徐峰祥  
【摘要】:近年来,车身轻量化结构设计已经成为汽车发展的核心问题,在众多的轻量化结构中,有一类性能优良的薄壁结构,其材料等级或者厚度属性具有某种离散或连续梯度分布形式,比如激光拼焊板结构和连续变厚度结构等。理论上来讲,梯度特性可以使工程师们根据不同典型结构的性能特点和要求定制出特定的车身零部件,进而使结构设计在最大程度上达到“刚柔并济”、“软硬兼施”。与传统均质结构相比,梯度薄壁结构在未来汽车轻量化的实践开发中必将发挥其重要的作用。目前的梯度结构设计主要依赖于经验或不断的“试错”,还处于起步阶段,缺乏有效的设计方法研究。为了更好地了解梯度薄壁结构的基本特性以便快速、准确地指导其轻量化设计,并进一步使得梯度结构能够在车身零部件上得到广泛的应用,开展车身梯度结构的轻量化设计方法研究具有重要的工程意义和应用价值。为此,本文对激光拼焊板结构和连续变厚度结构在车身设计方法中涉及到的诸如焊缝参数反求、焊缝位置布局以及材料匹配等关键工程问题进行了研究,旨在为车身结构设计提供有力支持。首先研究了拼焊板结构焊缝材料参数识别设计方法;并对其焊缝布局进行合理优化设计;研究了在安全性能目标要求下的拼焊板结构的材料匹配设计方法;最后对连续变厚度管尤其是厚度幂指数分布管状结构进行了优化设计和参数分析。基于此思路,本论文开展和完成了以下研究工作:(1)基于试验、仿真和计算反求等技术手段提出了拼焊板结构焊缝材料参数识别设计方法。给出了基于压痕试验和数字图像相关技术的微米级尺度材料参数识别方法,沿着焊缝宽度方向选取若干点进行压痕测试,并建立基于幂指数本构模型的压痕数值模型;根据塑性力学理论推导出应变硬化指数与主应变值之间的关系,通过数字图像相关技术测得焊缝处的全局应变值。最后采用计算反求技术获取强度系数和应变硬化指数,对焊缝处的材料参数进行了详细识别,得到的塑性应变与试验值之间的误差保持在5%左右,比传统方法更加精确,在一定程度上提高了拼焊板的仿真精度。焊缝区域材料参数的精确获取对于研究该处周围应力分布等其它局部特性尤为重要,是提高数值仿真精度的一个重要方面。(2)提出了一种基于刚度性能目标的拼焊板车门结构焊缝布局设计方法。以双向渐进结构拓扑优化方法为参考蓝本,在深入分析其存在的问题和不足的基础上,根据车门结构的不同刚度性能目标等工程要求,将以往对弹性模量的插值函数转换为针对厚度函数的插值模型,并推导出统一的灵敏度计算公式,优化目标是在给定载荷及体积分数等约束条件下使得结构具有最小平均柔度值,即刚度最大。结果表明,不同厚度区域得到最优分布,进而确定拼焊板车门结构的最佳焊缝布局,刚度性能目标达到最优,即具有最大承受单一或多种载荷的刚度特性,质量急剧降低且不削弱结构刚度,有效解决了拼焊板车门结构焊缝布局设计问题。(3)针对安全性能目标提出了车身侧围拼焊板结构耦合系统(包括车门和B柱)的设计方法。首先,根据拼焊板结构的焊缝布局设计方法定性给出拼焊板车门结构的焊缝位置布局;建立了拼焊板车门和B柱组成的侧围耦合系统数值模型并验证其精确性;工程问题的不同会引起近似模型的模拟效果和拟合精确程度也不同,讨论了几种不同近似模型技术对侧碰安全响应的拟合效果和模拟精度。分析结果表明,径向基函数模型更适合于耦合系统的安全性能设计,并采用相关算法对侧碰过程进行优化计算,给出了车身侧围多部件拼焊板祸合系统的设计思路。通过优化不同部位的参数特性,侧围拼焊板耦合系统的安全性能得到了进一步的提升,证明了拼焊板技术的引入和运用能够提供一种柔性且有效的工程设计思路。(4)提出了一种车身拼焊板前纵梁结构的安全性设计方法。拓展并灵活运用传统正交试验设计,在优化迭代过程中构造并不断迭代更新三水平正交表,给出了拼焊板前纵梁离散参数优化匹配的设计思路。在离散空间内给定拼焊板前纵梁的材料类型和厚度属性,考虑并定义了带约束的目标特征函数,通过均值分析判定并重新构造下一迭代步的三水平正交表。设计过程中迭代调用有限元模型的次数明显减少,降低了计算成本并提高了计算效率,设计结果提升了拼焊板前纵梁的安全性能。该离散设计方法能够有效避免传统方法较高计算成本的不足及无法适用于多变量高水平的拼焊板结构设计等问题,故能有效指导车身拼焊板前纵梁结构的安全性设计,可进一步拓展应用于其它复杂工程问题,具有一定应用价值。(5)为了避免拼焊板结构诸如应力集中、材料匹配等固有缺陷及难点,从设计准则、参数分析和优化设计等技术层面提出了厚度为幂指数分布管状结构的安全性设计方法。基于等质量条件推导出幂指数分布管和均匀管、锥管之间的定量解析关系,给出了幂指数分布管状结构的设计准则;引入一种新的安全性能指标,即单位空间内能量吸收值,该指标提供了对具有相同质量但不同占据空间面积的管状结构空间效率的度量方法;分析并比较了不同截面管在轴向以及多角度载荷下的动态压溃响应,梯度变化特性使得幂指数分布管更容易发生渐进式变形模式,从而进一步提高其在更大载荷角度下抵抗弯曲变形的承载能力。在两个设计区间内对设计变量即梯度指数进行采样,采用遗传算法作为优化求解器,优化结果表明厚度梯度能够得到合理设计,幂指数分布管比均匀管具有更加理想的耐撞特性,证明薄壁结构安全性能的提高可以通过对管壁厚度进行合理的梯度设计得以实现。


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