基于混合元胞自动机的车身变厚度板优化设计

发布时间：2020-07-16 13:20

【摘要】：随着汽车工业的快速发展,针对车身轻量化和耐撞性设计的要求日益提高。连续变厚度轧制(Tailor Rolled Blank,TRB)技术是先进的轻量化制造工艺,有助于设计者根据结构的承载特点进行板料厚度的合理分布,实现汽车车身结构的轻量化和碰撞安全性设计。变厚度B柱是典型的车身关键碰撞传力结构和吸能部件,主要由若干等厚度区和厚度过渡区构成。然而确定其结构的等厚度区和厚度过渡区的数量和位置存在很大的难度,属于多维、高度非线性的结构优化设计问题,使用传统的数值优化算法很难解决上述问题。混合元胞自动机(Hybrid Cellular Automata,HCA)方法是解决该问题的有效方法。本文结合HCA方法和TRB的结构特点,对TRB结构在弯曲载荷下的厚度分布优化问题开展了一系列研究工作,本文的研究工作和创新性成果主要体现在:(1)研究了HCA方法的基本理论,基于等应变能密度准则将结构刚度最大化的设计问题转化为等应变能密度的设计问题。建立了正方形薄板结构的有限元模型,以单元厚度为设计变量应用HCA方法进行结构设计,验证了方法的有效性。(2)开展了帽型梁准静态三点弯曲试验,建立了等厚度帽型梁和TRB帽型梁的有限元模型,将仿真与试验结果进行对比,验证了模型的准确性。针对TRB帽型梁三点弯工况下厚度分布的优化设计,提出了一维混合元胞自动机(One Dimension Hybrid Cellular Automata,ODHCA)方法。该方法在保证TRB结构满足轧制工艺的前提下,继承了HCA不具备梯度性的优点,成功解决了传统尺寸优化方法效率低的问题。本文分别利用HCA方法、ODHCA方法以及代理模型的优化方法对TRB帽型梁的厚度分布进行优化设计,研究结果表明:HCA方法与ODHCA方法最优解的比吸能均比代理模型的优化方法最优解的比吸能高;与HCA方法相比,ODHCA方法优化的厚度分布满足柔性轧制工艺;与代理模型的优化方法相比,ODHCA方法在计算效率方面具有明显优势。(3)为了将TRB结构应用到汽车B柱的设计中,提出了改进的ODHCA方法。基于改进的ODHCA方法,对汽车变厚度B柱加强板进行厚度分布的优化设计,最终实现了汽车B柱的轻量化和耐撞性设计。ODHCA方法对变厚度B柱在车身上的应用有很好的指导作用,具有理论和工程实际价值。
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U463.82
【图文】：

变厚度板的优劣主要体现在以下几个方面：(1)轻量化效果：与TWB板相比，TRB板的能更合理的分布不同位置的材料，具有更好的轻量化效果 如图1.1所示，等刚度情况下，TRB板具备更优秀的轻量化效果 图1.1 等刚度情况下等厚度板、TWB板、TRB板的减重效果对比(2)零件力学性能：TWB板的拼焊区域存在焊缝，只能用于车身内部支撑件的设计，而TRB板厚度连续变化，不存在焊缝，既可以用在车身内部，也适合作为汽车表面覆盖件 同时，由于TWB板中具有焊缝，拼焊板间存在热影响区域，容易出现应力峰值和硬度峰值[4]；而TRB板在承载过程中应力变化更为均匀，不存在突变

与传统的轧制工艺不同，柔性轧制技术是通过计算机控制和调整轧辊之间的距离，使得生产出来的钢板的厚度可以沿轧制方向变化，如图1.2所示 图1.2 连续变厚度板轧制工艺在国外先进的汽车制造企业里，TRB结构已应用到车身结构中 其中，德国的Mubea公司生产了大量的连续变厚度板用于车身结构的制造，与其合作的汽车制造商主要有奔驰 奥迪 宝马 福特 大众 雷诺等[6] 如奔驰E级车在车身后部的 侧框 结构采用了TRB板，其两端为薄区，中间为厚区，用来承载汽车追尾 表1.1列举了目前TRB板在汽车上的应用的车型 表 1.1 TRB 板在汽车车身上的应用企业 上市车型奔驰Benz E-Klasse，Benz S-Klasse，Benz new C-class，Benz E-class宝马 BMW5

科综合性问题 车身部件的材料 变形和接触均具有非线性的特点，同时碰撞过程的边界条件同样是非线性的 对于这类问题，有限元仿真通常是求解模型在平衡状态下的偏微分方程 以线性弹簧阻尼系统为例，如图2.1所示 由达朗贝尔原理可得：图2.1 单自由度线弹簧阻尼系统mu cu ku p (t )(2.1)式中，p(t)为外力，它与时间t具有函数关系，m为质量， u 为加速度，c为阻尼系数， u 为速度，k为弹簧刚度

【参考文献】

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本文编号：2758048