混合材料白车身轻量化多目标协同优化设计

发布时间：2020-07-12 18:14

【摘要】：轻量化技术是实现汽车节能减排的主要途径之一,白车身轻量化设计是汽车轻量化技术的重要组成部分,研究表明汽车整备质量每降低10%,其燃油消耗可改善6%-8%,相应的尾气排放将减少4.5%,而白车身占整车重量的20%-30%,空载情况下约30%的燃料被其消耗掉。因此白车身轻量化在汽车轻量化中占有举足轻重的地位。白车身结构不仅是重要的承载部件,而且受到来自路面的多向冲击,受力情况复杂,同时也是乘员生存空间的重要保证,其性能不仅关系到整车的NVH、操控稳定性、疲劳可靠性等性能,而且直接影响着整车的碰撞安全性能。因此白车身轻量化设计是一项涉及到多学科、多目标的优化设计工程。本文以“合适的材料用在合适的部位”为设计理念,以钢制白车身为设计基础,基于高强钢、铝合金和碳纤维复合材料等轻质材料设计了混合材料白车身,并通过优化方法对碳纤维复合材料地板、梁结构截面尺寸、材料属性以及一些关键设计变量进行多目标优化设计,实现了结构-材料-工艺一体化设计,建立了白车身开发设计流程,积累了一定的工程经验。首先以原钢制的白车身为基础,采用SFE-Concept软件建立了隐式参数化白车身模型,并通过对比白车身静态弯扭刚度、主要低阶模态特性及碰撞安全性能的试验与仿真结果,验证了隐式参数化白车身模型的正确性,为后续的多目标优化设计提供了有效的模型和数据支持。然后以隐式参数化白车身模型为基础,采用碳纤维复合材料地板替代原钢制地板,建立了混合材料白车身模型。以复合材料力学理论和复合材料结构设计原则为指导,选取了制造复合材料地板的原材料T300/5208和连接车身金属侧围板的粘结材料Araldite 2015,并通过试验测试了其性能参数;简化了地板结构工艺,建立了前、中、后模块的一体化复合材料地板结构,实现了地板设计的集成性。通过自由尺寸和尺寸优化手段,以单元网格厚度为设计变量,以车身弯曲刚度和主要低阶模态频率为约束,以白车身轻量化系数为目标建立了地板结构优化模型,对其进行连续变量优化设计,最终确定了碳纤维复合材料地板各模块的铺块形状及对应的铺层层数,为后续铺层顺序优化设计提供了模型和数据支持。针对铺层顺序优化问题中变量爆炸组合的特点,本文基于旅行商问题和基本粒子群算法提出了离散粒子群优化方法,并在其中引入了记忆库检查策略和逃逸策略,有效避免了铺层顺序优化问题中“无效交换”和“早熟”的现象,提高了优化效率和收敛精度;同时采用连续变量离散化圆整策略避免了层合板刚度的损失,采用连续纤维铺层策略减少了因丢层现象所带来的缺陷,保证了层合板力学性能的最大连续性;采用离散变量优化设计方法对地板铺层顺序进行多目标优化设计,对比了原钢制白车身和混合材料白车身的静动态性能,验证了优化设计方案的合理性和有效性。最后以混合材料白车身为研究对象,以白车身性能为响应目标定义了34个隐式参数化设计变量,采用贡献度和主效应筛选的方法最终确定了26个对车身性能影响较大的优化变量,并在此基础上以白车身静动态性能和碰撞安全性确定约束函数和目标函数,建立优化数学模型;通过对Kriging和RBF近似模型进行误差分析和讨论,确定RBF近似模型更适合白车身非线性碰撞优化问题;采用MNSGA-II优化算法对白车身进行多目标优化设计,获得258组非支配方案;针对最优非支配方案的选取问题,提出了灰熵相关度分析方法,对258组非支配方案进行灰熵相关度排名,获得综合性能较好的方案A;为进一步验证灰熵相关度方法的可靠性,采用比较成熟的TOPSIS方法对妥协解集进行相对度排名,获得方案B,通过对比分析,验证了灰熵相关度分析方法的可行性;通过对比优化前后白车身静动态性能和碰撞安全性,结果表明在保证白车身性能不降低的条件下,地板减重34.4%,白车身轻量化系数减小11.5%,验证了优化方案的可行性,并进一步验证了近似模型的精度。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U463.82
【图文】：

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第 1 章绪论第1章绪论1.1研究的背景及意义汽车作为一种重要交通工具走进人们的生活已有 130 多年的历史，不仅对人们的出行及货物的运输提供了便利条件，而且作为重要的国民经济支柱产业对冶金、机械、电子、橡胶等相关工业起到了较大的推进作用。得益于改革开放和世贸组织的加入，我国汽车工业取得了重大进步，自 2009 年我国汽车销售量达到 1383 万辆，成为世界最大的汽车制造国。2007 年至 2017 年，我国乘用车产量平均每年保持较高的增长速率，图 1.1 为自 2007 年以来我国汽车的产量及增速。截至 2016 年底，我国汽车保有量已达到 1.94 亿辆，位居全球第一。尽管汽车产业的快速发展带来了诸多的机遇，但同时也引起了巨大的问题。

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特别是自 2007 年由中国汽车工程学会、中国第一汽车集团有限公司、吉林多家科研单位成立的中国汽车轻量化技术创新战略联盟以来，该联盟致力于构建、研、用等多方共赢的平台，不断攻克轻量化技术难关，提高自主品牌轻量化争力[3]。此外各高校与企业根据自身情况进行校企联合，在汽车轻量化方面开展有意义的研究，吉林大学与中国第一汽车集团有限公司合作的白车身参数化轻术平台开发项目，获得了良好的轻量化方案，东北大学开发出了高韧性 2000Mp压钢，宝钢自2009运行高强度钢生产线以来，生产出了冷轧1500Mpa，热镀锌980高强度钢[4]，鞍钢所开发的具有良好韧性和强度的 TRIP590 和 TRIP780 高强钢应用于自主品牌的汽车上。另外，国内一些大型汽车厂商也开始建立铝镁合金产线，为汽车轻量化提供有力保障。目前，许多汽车厂商运用多种方法开展了对车身轻量化设计的研究，但归结要有以下三种途径：轻质新材料的应用、先进制造工艺的使用以及合理的结构计。车身轻量化技术分类如图 1.3 所示。

【参考文献】