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薄壁构件与桁架结构的抗撞性优化研究

作　者: 陈仙燕
导　师: 龙述尧；李青
学　校: 湖南大学
专　业: 固体力学
关键词: 抗撞性代理模型优化响应面法薄壁构件桁架结构渐进结构优化方法
分类号: O342
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

汽车碰撞安全性是现代汽车工业研究的最关键内容之一,而如何提高汽车在碰撞事故中的抗撞性能是汽车安全性能设计中的核心问题。作为最传统、最有效的吸能元件---金属薄壁构件,在车身吸能装置中已得到了广泛的应用,但其吸能性能不仅与构件的材料性能有关,而且与构件的截面形状和几何尺寸、触发方式和加载条件等因素紧密相关。因此,研究车身中抗撞性构件与上述因素之间的关系将对汽车碰撞安全性的设计起到至关重要的指导作用,具有十分重要的工程意义和学术价值。由于车身结构多为框架结构,根据轻量化要求,在抗撞性能不变的情况下,如何减小框架结构的质量也是学者关心的课题。本文在已有研究的基础上,基于有限元仿真技术,响应面近似理论和渐进结构优化法对薄壁构件和框架结构进行抗撞性优化和设计。基于已有的抗撞性优化问题的研究,综述了薄壁构件抗撞性的理论与仿真研究现状、薄壁构件抗撞性优化研究现状和桁架结构的拓扑研究现状。为了克服构件碰撞仿真数值优化中数值分析的不稳定性、不确定性和高度非线性等技术难题,本文采用了代理模型理论和与之相应的优化方法,结合现有商业碰撞仿真分析软件,提出了针对汽车碰撞安全性的优化方法和优化流程。基于上述优化流程,以汽车前纵梁前端的薄壁方管为吸能元件,从吸能能力和轻量化角度出发,以比吸能为优化目标函数,分析薄壁方管的几何参数对其比吸能的影响,并对其几何参数进行优化。基于安全性和轻量化的设计理念,以汽车前纵梁前端的薄壁方管吸能元件为研究对象,在方形截面薄壁管的基础上,设计了多元胞截面和附缘截面两种截面形状的薄壁构件,并以薄壁构件的比吸能为目标函数,基于代理模型和响应面法对两种截面模型的截面尺寸进行了抗撞性优化,分析了两种截面的几何参数对其能量吸收和比吸能的影响,得到了各个截面构件的最优化模型和参数;以部分锥形薄壁方管的安全装置作为研究对象,综合考虑薄壁管结构能量吸收、碰撞力、质量等相关优化因素,并考虑到最大碰撞力一般为初始碰撞力峰值,提出了以结构吸收的能量、比吸能和初始碰撞力峰值为多目标的抗撞性优化问题,通过理想点法来求解多目标优化问题,分析了锥形薄壁方管各几何参数对其能量吸收、比吸能和初始碰撞力峰值的影响,最终得到给定权系数下的最优模型。基于静力学桁架结构拓扑优化理论,采用渐进结构优化方法对受冲击载荷作用下桁架结构进行拓扑优化设计。优化中使用显式有限元软件LS-DYNA分析得到桁架结构的变形和应变能,采用各梁单元应变能与最大应变能的比值为因子来决定材料的相对使用效率,采用桁架结构的比吸能来决定优化是否达到设计要求,最后给出算例,验证了渐进结构优化方法在桁架结构抗撞性拓扑问题中的可行性和有效性。论文研究表明:在构件碰撞安全性的仿真优化设计中,本文提出的基于代理模型的优化方法和优化流程是十分有效的,依据该方法和流程,选择合适的代理模型和优化算法,能够快速、经济、准确地解决构件抗撞性优化问题;同时本文首次将渐进结构优化方法引入到碰撞问题中,验证了渐进结构优化方法解决桁架结构抗撞性拓扑优化问题的可行性和有效性,这些对汽车碰撞安全性的优化设计具有重要的参考价值和借鉴意义。

全文目录

摘要  7-9
Abstract  9-11
第1章绪论  11-22
  1.1 研究背景及意义  11-13
  1.2 国内外相关领域的研究现状  13-19
    1.2.1 薄壁构件抗撞性的理论与仿真研究现状和进展  13-15
    1.2.2 薄壁构件抗撞性优化研究的现状与进展  15-17
    1.2.3 结构拓扑优化研究的现状与进展  17-19
  1.3 本文研究的主要内容  19-20
  1.4 本文的主要创新性工作  20-22
第2章抗撞性优化仿真及方法的理论基础  22-33
  2.1 抗撞性优化仿真的基本理论  22-25
    2.1.1 显式有限元算法的基本理论  22-24
    2.1.2 接触—碰撞的数值计算方法  24-25
  2.2 试验设计  25-28
    2.2.1 全因子试验设计  25-26
    2.2.2 正交试验设计  26-27
    2.2.3 均匀试验设计  27-28
    2.2.4 拉丁方试验设计  28
  2.3 近似模型  28-32
    2.3.1 响应面模型  29-30
    2.3.2 Kriging 模型  30-32
  2.4 抗撞性拓扑优化  32
  2.5 本章小结  32-33
第3章薄壁结构抗撞性尺寸优化  33-43
  3.1 前言  33
  3.2 模型描述与有限元模型  33-36
    3.2.1 冲击载荷作用下棱柱形薄壁管碰撞力理论解  33-34
    3.2.2 碰撞问题描述  34-36
  3.3 抗撞性优化问题描述  36-38
    3.3.1 优化理论  36-37
    3.3.2 抗撞性优化问题定义  37-38
  3.4 薄壁方管优化结果与分析  38-42
  3.5 本章小结  42-43
第4章薄壁管抗撞性截面形状优化  43-51
  4.1 前言  43
  4.2 模型描述与有限元模型  43-44
  4.3 优化问题描述  44-45
  4.4 优化过程与结果分析  45-50
    4.4.1 多元胞截面优化  45-48
    4.4.2 附缘截面优化  48-50
  4.5 本章小结  50-51
第5章薄壁管抗撞性多目标形状优化  51-62
  5.1 前言  51
  5.2 模型描述与有限元模型  51-52
  5.3 优化问题描述  52-53
  5.4 优化过程  53-54
    5.4.1 响应面法求近似函数  53
    5.4.2 多目标优化问题求解  53-54
  5.5 数值分析  54-61
    5.5.1 优化结果及分析  54-59
    5.5.2 不同构形的对比研究  59-61
  5.6 本章小结  61-62
第6章桁架结构的抗撞性拓扑优化  62-68
  6.1 前言  62
  6.2 桁架结构拓扑优化模型  62-63
  6.3 渐进结构优化过程  63-64
  6.4 数值算例与结果分析  64-67
  6.5 本章小结  67-68
总结与展望  68-70
参考文献  70-78
致谢  78-79
附录攻读学位期间所发表的学术论文  79

薄壁构件与桁架结构的抗撞性优化研究

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