TRB帽形梁结构的耐撞性研究及其优化设计

发布时间：2017-10-12 03:13

  本文关键词：TRB帽形梁结构的耐撞性研究及其优化设计

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【摘要】：随着汽车产量和保有量的快速增长,环境恶化与能源短缺等问题日益严重,节能和环保成为汽车工业在21世纪所必须面对的两个巨大挑战,而解决这两大挑战的一个有效途径就是汽车轻量化技术。轧制变厚度板(Tailor Rolled Blank,TRB)能根据零件的工况合理地分布材料,从而最大化材料的使用率,达到轻量化的效果。不仅如此,它相比于应用广泛的激光拼焊板(Tailor Welded Blank,TWB)还具有制造成本低、性能变化平缓、表面质量高等优势,因此,TRB在汽车轻量化领域具有巨大的潜力。研究TRB零件的耐撞性及设计方法,对于进一步推动TRB在汽车车身上的应用具有重要的意义。本文以理论模型为指导、以试验工作为基础、以数值模拟为辅助,对TRB帽形梁的耐撞性能开展了一系列研究工作:(1)为探究TRB帽形梁的耐撞性能,分别开展了TRB帽形梁与对应的等质量的等厚帽形梁的准静态和动态轴向压溃试验,结果表明,在两种工况下,TRB帽形梁均能够保证吸能量的前提下显著降低峰值力,从而减少乘员因冲击而受到的损伤。(2)通过单向拉伸试验研究了TRB的基本力学性能,以等厚区单向拉伸试验数据为基础,采用插值法构造了TRB的三维应力应变场,解决了TRB仿真模拟中不同厚度下应力-应变关系难以确定的难题。(3)开展了TRB帽形梁在准静态和动态压溃条件下的仿真模型建模方法研究,通过仿真结果与试验结果的对比,发现两者吻合良好,验证了仿真建模方法的正确性。(4)基于精确的有限元模型,针对TRB帽形梁的各个尺寸参数对结构耐撞性的影响进行了研究。为进一步提高TRB帽形梁的耐撞性能,利用代理模型和遗传算法(NSGA-Ⅱ)对TRB帽形梁在准静态工况和动态冲击工况下的耐撞性分别进行了多目标优化设计。基于单工况所拟合的各个代理模型,对TRB帽形梁进行了多工况优化,结果表明,准静态工况下的优化结果在动态工况下未必最优,反之亦然。因此,在实际的优化设计工作中,需进行多工况优化,使优化后的零件在各个工况下均能够达到相对最优的耐撞性能。
【关键词】：轧制变厚度板 帽形梁 压溃试验 耐撞性能 NSGA-Ⅱ 多工况优化设计
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U467.14
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-14
• 第1章 绪论14-22
• 1.1 引言14-15
• 1.2 轧制变厚度板介绍15-18
• 1.3 轧制变厚度板国内外研究现状18-20
• 1.4 本文主要研究内容20-22
• 第2章 耐撞性研究的理论基础22-36
• 2.1 有限元理论简介22-25
• 2.1.1 弹塑性动力学基本方程22-23
• 2.1.2 显示积分算法23-24
• 2.1.3 单元介绍24
• 2.1.4 接触-碰撞界面算法24-25
• 2.2 代理模型25-29
• 2.2.1 响应面模型26-27
• 2.2.2 径向基函数模型27
• 2.2.3 Kriging模型27-28
• 2.2.4 误差估计准则28-29
• 2.3 试验设计方法29-30
• 2.4 最优化问题及优化方法30-35
• 2.4.1 优化问题的描述31-32
• 2.4.2 非支配排序遗传算法(NSGA)及NSGA-Ⅱ32-34
• 2.4.3 Pareto最优解34-35
• 2.5 本章小结35-36
• 第3章 帽形梁的耐撞性试验研究36-48
• 3.1 引言36
• 3.2 薄壁结构耐撞性能评价指标36-37
• 3.3 帽形梁的制作及其参数介绍37-39
• 3.3.1 帽形梁的制作37-38
• 3.3.2 帽形梁的几何尺寸38-39
• 3.4 帽形梁的轴向准静态压溃试验研究39-42
• 3.4.1 试验设备及加载方案39
• 3.4.2 帽形梁准静态轴向压溃试验结果与分析39-42
• 3.5 帽形梁的轴向动态冲击试验研究42-47
• 3.5.1 试验设备介绍43-45
• 3.5.2 帽形梁动态冲击试验结果及分析45-47
• 3.6 本章小结47-48
• 第4章 TRB帽形梁的耐撞性数值分析48-61
• 4.1 引言48
• 4.2 轧制变厚度板基本力学性能48-53
• 4.2.1 单向拉伸试验48-51
• 4.2.2 轧制变厚板应力应变场的构造51-53
• 4.3 TRB帽形梁有限元模型的建立53-57
• 4.3.1 几何模型的建立53
• 4.3.2 网格划分53-54
• 4.3.3 材料和厚度属性的定义54-55
• 4.3.4 连接及加载条件的定义55-56
• 4.3.5 接触定义56-57
• 4.4 TRB帽形梁数值仿真结果分析57-60
• 4.4.1 轴向准静态加载工况下的TRB帽形梁数值仿真结果分析57-58
• 4.4.2 轴向动态冲击工况下的TRB帽形梁数值仿真结果分析58-60
• 4.5 本章小结60-61
• 第5章 TRB帽形梁的耐撞性优化设计61-76
• 5.1 引言61
• 5.2 设计参数对TRB帽形梁耐撞性的影响分析61-66
• 5.2.1 TRB帽形梁的设计参数61-62
• 5.2.2 设计参数对TRB帽形梁自身重量的影响62-64
• 5.2.3 设计参数对TRB帽形梁碰撞过程中峰值力的影响64-65
• 5.2.4 设计参数对TRB帽形梁碰撞过程中吸能的影响65
• 5.2.5 设计参数对TRB帽形梁碰撞过程中比吸能的影响65-66
• 5.3 单工况下TRB帽形梁的耐撞性优化设计66-72
• 5.3.1 优化问题描述66-67
• 5.3.2 近似模型的拟合67-68
• 5.3.3 准静态工况下TRB帽形梁的耐撞性优化结果68-70
• 5.3.4 动态冲击工况下TRB帽形梁的耐撞性优化结果70-72
• 5.4 多工况TRB帽形梁的耐撞性优化设计72-74
• 5.4.1 优化问题描述72
• 5.4.2 多工况TRB帽形梁的耐撞性优化结果72-74
• 5.5 本章小结74-76
• 总结与展望76-78
• 参考文献78-84
• 致谢84-85
• 附录A 攻读学位期间所授权的发明专利85

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本文编号：1016320