不确定性优化方法研究及其在TRB车身结构设计中的应用

发布时间：2020-05-13 18:03

【摘要】：随着我国汽车产销量的逐年增长,环境污染、能源危机与交通安全已经成为我国汽车工业发展所面临的重要问题,而这些问题都与汽车轻量化密切相关。连续变截面辊轧板(Tailor rolled blank,TRB)技术能根据零部件的受力或性能要求来灵活调整和优化相应的厚度分布,真正实现板厚分布的“量身定制”,为汽车轻量化设计提供了最佳的解决方案。然而,目前有关TRB结构的设计、制造方面的研究才刚刚起步,相关的理论模型和优化设计方法还没有建立,离真正意义的指导TRB的生产设计和在汽车上的规模应用还有相当距离。因此,开展系统的变厚度车身关键安全结构的设计方法研究具有重要的理论意义和实际应用价值。为了深入了解这种新型连续变厚度结构的基本力学特性,以便高效准确地指导其轻量化与耐撞性能设计,本文首先对TRB结构的变形及吸能机理、高效数值建模方法、多工况可靠性设计方法和耦合“工艺-性能”的可靠性设计方法进行系统的研究。最后,针对车身轻量化设计中多材料和板厚的最优匹配等典型的离散优化问题,开发了一种高效多目标离散稳健优化设计算法。本文研究内容如下:(1)TRB典型车身结构的碰撞变形与吸能机理研究:本文首先通过实验手段初步探究了TRB典型车身结构的准静态/动态轴向碰撞特性及准静态弯曲特性。然后,通过单向拉伸实验获取不同轧制量板料的应力-曲线,进而构建TRB板料的有效应力-应变场。接着基于获取的TRB材料数据提出一种同时考虑TRB结构节点厚度和单元材料属性的高效有限元建模方法,并通过实验数据进行了全面系统的验证。最后,在准静态/动态轴向压溃工况和准静态弯曲工况下系统地研究了薄/厚区板厚和过渡区位置对TRB结构轻量化与耐撞性能的影响规律,揭示了TRB结构在轻量化和耐撞性能方面的潜力。(2)多工况可靠性设计方法及其在TRB车身结构设计中的应用研究:为了提高TRB结构轻量化与耐撞性设计效率及降低设计失效的风险,本文基于非支配遗传算法、蒙特卡洛模拟和径向基函数模型等技术开发了一套通用的多目标多工况可靠性设计方法。最后将该方法应用于正面碰撞、偏置碰撞和侧面碰撞等典型碰撞工况下的TRB结构的多工况设计当中,优化结果表明:确定性优化设计虽然可以提高TRB结构的耐撞性能,但是所得到的最优解的可靠度较低,仅为50%左右。与之相反,多目标多工况可靠性设计方法的使用虽然导致TRB结构的耐撞性能有一定牺牲,但该方法不仅提高Pareto解集的可靠性,还提高了多工况下最优解的鲁棒性。(3)耦合“工艺-性能”的可靠性设计方法及其在TRB车身结构设计中的应用研究:为了实现冲压工艺参数及冲压效应向耐撞性模型的高效传递,本文首先开发了一套冲压-碰撞序列耦合仿真分析方法,并通过对比映射前后的厚度、残余应力/应变分布等信息验证了该方法的精度。接着将该方法用于汽车前纵梁的耐撞性分析当中,数值研究结果表明:冲压效应,例如残余应变和板厚减薄等,对前纵梁的变形模式和耐撞性能均具有极大的影响。然后,基于开发的冲压-碰撞序列耦合仿真分析方法,将多目标粒子群算法、描述性蒙特卡洛抽样和代理模型技术有机地结合起来,开发一套系统的耦合“工艺-性能”的车身结构多目标可靠性设计方法。最后,将该算法应用于TRB双帽形梁和TRB门槛梁的优化当中,结果表明:本文提出的算法虽然牺牲了部分耐撞性能,但是该方法能准确考虑设计变量的波动性,获得完全满足工艺可靠度约束的最优解。(4)车身结构多目标离散稳健优化设计方法及其应用研究:为了高效求解工程中的多目标离散稳健优化设计问题,本文基于多准则决策技术和连续田口方法开发了一套高效多目标离散稳健优化设计算法。在该算法中,将灰色关联分析和主成分分析相结合作为多准则决策模型,用于将多个目标转换成单个度量指标;连续田口方法被用作优化器,它在设计迭代期间直接调用必要的函数评估。通过一个数学算例和标准十杆桁架设计问题验证算法的有效性;最后,将该算法用到复杂的全尺寸车身结构的耐撞性设计和TRB车门系统的多目标设计当中,结果表明:该算法能够以相当高效的方式实现稳健优化设计,并且最优结果可直接应用于工程实际而无需进一步的设计选择。此外,由于该算法不依赖于代理模型技术,因此对于高维工程设计问题其具有相当大的应用前景。
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、能源和材料等多个产业的迅猛发展。因此，汽车工业的合经济实力的体现，也是一个国家工业发展水平的重要标志业发展迅速，根据中国汽车工业协会的统计数据显示：在量为 2901.54 万辆，销量为 2887.89 万辆，同比增长 3.19%和联世界第一。另外，根据中国公安部交管局发布的 2017 年关数据，其中汽车保有量又创历史新高，首次突破两亿辆，长 11.86%[2]，也就是说我国汽车保有量连续 6 年增幅均超。但随着汽车工业的快速发展，其所带来的环境污染、能也日益凸显。因此，环保、节能和安全已经成为目前汽车问题，而这些问题都与汽车轻量化密切相关。世界铝业协会每减 10%，燃油消耗以及排放可分别降低 6%~8%与 5%~6，二氧化碳排放量就会相应地减少 2.45kg[3]。从实现节能减轻量化将永无止境，与之相关的材料、成形以及设计方面业中的前沿和热点。

不确定性优化方法研究及其在 TRB 车身结构设计中的应用车本身造价不被提高的前提下，尽可能地减轻汽车的自重。实大途径：一是结构轻量化，即通过拓扑优化、尺寸与形状优化进的设计手段实现零件的复合化、薄壁化和中空化等，，例如图合金多胞前纵梁和凯迪拉克 CT6 的蜂窝式前轮罩[4]；二是材料用轻质高强的新型轻量化材料实现汽车大幅减重，例如图 1.2 料、镁铝合金、蜂窝铝和泡沫铝等。而近些年来在汽车工业中的激光拼焊板(Tailor welded blanks，TWB)技术既可以实现零件用高性能材料对零件进行局部加强，以达到最优的材料或板厚的说 TWB 技术是两种轻量化方法的集大成者。TWB 结构是将不、甚至是不同材料的金属薄板拼焊在一起，然后经过后期加工图 1.3 展示了 TWB 结构在车身典型零部件上的应用，例如车门梁等[6,7]。
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U463.82


本文编号：2662328