学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

基于现代设计方法和提高整车碰撞安全性的车身轻量化研究

作　者: 陈晓斌
导　师: 韩英淳
学　校: 吉林大学
专　业: 车身工程
关键词: 车身轻量化优化设计正面及侧面碰撞行人保护试验设计
分类号: U463.82
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
下　载: 282次
引　用: 0次
阅　读: 论文下载

内容摘要

近年来,国内汽车工业迎来了快速发展期,国内汽车保有量逐年稳步增长,然而由此带来的能源消耗及环境保护等问题则日趋紧张,这必将阻碍国内汽车工业的可持续发展。汽车轻量化技术作为汽车降低能耗、减少排放的有效手段已经成为汽车工业发展过程中的一项关键性研究课题,在不久的将来,轻量化将成为国内外各汽车厂商的核心竞争技术之一。车身轻量化作为汽车轻量化技术的有效途径之一,近年来得到广泛应用。国内外很多学者对车身轻量化进行了广泛的研究,取得了诸多成果,如车身结构优化设计,使用低密度材料如铝、镁合金、复合材料等替换以传统钢材制造的零部件以及使用新工艺等。本文在总结前人研究的基础上,使用车身结构优化设计方法对国产某自主研发品牌轿车的轻量化进行了较为系统和深入的研究,在确保汽车综合性能如车身静、动态刚度及车身结构耐撞性能基本不变的前提下,尽可能降低车身重量,达到减重以及节能减排的目的。围绕汽车轻量化这一主题,本文主要开展了以下几方面的研究内容:1.以国产某自主研发轿车为例,介绍了整车开发流程及前期开发过程中有限元数值模拟所涉及的开发内容,同时详细论述了整车有限元建模方法。整车前期开发过程中,一个既能够准确模拟整车结构各种力学特征,又能够使模型计算规模控制在计算机可接受范围内的整车有限元模型是前期开发过程中必不可少的,它为预测整车结构性能及进行结构优化设计提供了支持。基于此,以白车身及动力总成与变速器系统为例,系统阐述了钣金件、焊点、胶连接、MAG焊、螺栓连接等建模方法,同时建立了整车碰撞有限元模型及白车身刚度模型。2.设计并进行了国产某自主研发轿车白车身模态试验。由试验结果分析得到了白车身结构模态频率和振型,获得了白车身的动态特性。引入了Trimmed Body模型概念,详细论述了Trimmed Body有限元建模方法并建立了Trimmed Body模型,并进行了模态及频率响应计算,同时进行了Trimmed Body模态试验,得出了有关整车振动舒适性的频率响应函数,并与有限元计算值进行了模态置信度MAC(Modal Assurance Criterion)分析,分析结果验证了有限元模型的准确性。该方法已成功应用于国产某自主研发轿车的自主研发过程中。3.进行了国产某自主研发轿车白车身的灵敏度分析及优化计算。通过灵敏度计算识别出了对刚度及重量影响较大的零件。在进行优化设计时综合考虑了白车身的动静态刚度,并对静态弯曲、扭转刚度的算法进行了详细的论述。通过优化设计实现了白车身第一阶固有频率提高1.2%、车身质量下降5.4%的目标。4.通过正面碰撞试验的变形时间历程及整车结构变形验证了整车碰撞有限元模型的有效性后,首次将正面碰撞与侧面碰撞的数值仿真联合应用于车身轻量化设计前后的整车结构抗撞性能研究。通过对比正面碰撞试验与轻量化前后B柱及中通道加速度曲线以及轻量化前后侧面碰撞前后车门侵入量、B柱侵入量及侵入速度曲线,验证了本文所研究的车身轻量化结果的可行性,确保了轻量化后整车结构的抗撞性能。同时,本章所引入的侧面碰撞侵入速度限值曲线可为同级别车型开发提供经验上的借鉴。介绍了两种B柱及门槛的结构设计方案,以作为车辆实际结构设计的经验借鉴。5.提出了基于引擎盖刚度与行人头部保护要求的轻量化设计方法。通过综合考虑引擎盖开发过程中刚度及行人保护头部碰撞性能,以前盖内板结构及内板板厚作为设计变量,利用田口试验设计方法进行试验设计,使用Kriging方法建立了引擎盖刚度与行人保护头部碰撞有限元模型的近似数学模型,并基于Kriging模型进行优化。优化后的前盖刚度及行人保护头部碰撞性能得到了显著改善,质量由13.5kg降为12.6kg,减少6.7%,头部HIC值由1373降低至1156,减小15.8%。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-13
第一章绪论  13-37
  1.1 引言  13-16
  1.2 汽车车身轻量化的主要途径  16-21
  1.3 汽车车身轻量化的研究现状与发展  21-35
    1.3.1 车身轻量化结构分析与优化技术  21-25
    1.3.2 轻量化材料及其在车身制造中的应用  25-35
      1.3.2.1 高强度钢  25-30
      1.3.2.2 铝合金  30-32
      1.3.2.3 镁合金  32-33
      1.3.2.4 塑料  33-34
      1.3.2.5 塑料基复合材料  34-35
  1.4 本文主要研究内容  35-37
第二章轿车开发过程中的整车有限元建模技术研究  37-54
  2.1 轿车开发总体流程及开发内容  37-40
  2.2 整车结构有限元建模  40-49
    2.2.1 单元种类的选取及其尺寸、质量的控制  40-41
    2.2.2 结构简化  41-45
    2.2.3 连接方式的模拟  45-49
  2.3 国产某轿车CAE模型的建立  49-52
    2.3.1 CAD模型  49-50
    2.3.2 CAE模型的建立  50-52
  2.4 本章小结  52-54
第三章国产某自主研发轿车的白车身及Trimmed Body模态试验与有限元分析  54-79
  3.1 引言  54
  3.2 多自由度系统试验模态分析理论基础  54-57
  3.3 白车身模态试验与有限元分析  57-62
    3.3.1 试验方法  57-59
      3.3.1.1 试验悬挂系统的选择  57
      3.3.1.2 激振方法的选择  57-59
      3.3.1.3 激振点及测点的选择  59
    3.3.2 试验模态分析结果  59-60
    3.3.3 有限元分析结果  60-61
    3.3.4 模态置信度（MAC）  61-62
  3.4 国产某轿车Trimmed Body有限元及试验模态分析  62-78
    3.4.1 Trimmed Body有限元建模简述  62-65
      3.4.1.1 模态分析频率范围  62
      3.4.1.2 阻尼设置  62
      3.4.1.3 模型的质量分布  62-64
      3.4.1.4 Trimmed Body有限元模型  64-65
    3.4.2 Trimmed Body模态即动刚度分析  65-70
      3.4.2.1 Trimmed Body模态分析  65
      3.4.2.2 Trimmed Body频率响应（FRF）分析  65-70
      3.4.2.3 Trimmed Body局部刚度分析  70
    3.4.3 Trimmed Body试验分析  70-78
      3.4.3.1 试验内容  70-71
      3.4.3.2 测试结果  71-72
      3.4.3.3 频率响应函数（Frequency Response Function）分析  72-76
      3.4.3.4 试验与仿真的相关性（Correlation）分析  76-78
  3.5 本章小结  78-79
第四章白车身灵敏度分析及优化设计  79-94
  4.1 引言  79
  4.2 灵敏度分析的概念及其数学方法  79-80
    4.2.1 灵敏分析概念  79-80
    4.2.2 灵敏度分析的数学方法  80
  4.3 优化设计基本理论  80-83
    4.3.1 优化设计基本概念  80-81
    4.3.2 设计变量  81-82
    4.3.3 约束条件  82-83
    4.3.4 目标函数  83
  4.4 国产某轿车白车身优化设计  83-92
    4.4.1 白车身结构优化设计变量的选择  83-84
    4.4.2 白车身动态特性灵敏度分析及优化设计  84
    4.4.3 白车身轻量化设计流程  84-85
    4.4.4 车身结构的优化设计模型  85
    4.4.5 优化设计结果分析  85-87
    4.4.6 白车身优化设计结果验证计算  87-92
  4.5 白车身刚度试验验证  92-93
  4.6 本章小结  93-94
第五章基于整车碰撞安全性的车身轻量化研究  94-113
  5.1 引言  94
  5.2 显式非线性有限元算法理论基础  94-101
    5.2.1 物质描述  94-95
    5.2.2 守恒方程  95-99
    5.2.3 边界条件  99-100
    5.2.4 有限元法的变分列式  100
    5.2.5 空间有限元离散化  100
    5.2.6 显式积分算法  100-101
  5.3 整车碰撞有限元模型的建立  101-102
  5.4 基于正面碰撞仿真与试验的验证（Validation）  102-105
    5.4.1 正面碰撞变形验证  102-104
    5.4.2 正面碰撞侵入量验证  104-105
  5.5 基于碰撞安全的轻量化研究  105-112
    5.5.1 轻量化后的整车正面碰撞计算  105-107
      5.5.1.1 B柱加速度曲线  106
      5.5.1.2 中通道加速度曲线  106-107
    5.5.2 轻量化后的整车侧面碰撞计算  107-112
      5.5.2.1 B柱侵入量及侵入速度曲线  107-109
      5.5.2.2 前后车门侵入量及侵入速度曲线  109-111
      5.5.2.3 轻量化前后乘员评分结果  111
      5.5.2.4 B柱及门槛结构设计研究  111-112
  5.6 本章小结  112-113
第六章基于刚度与行人头部保护要求的引擎盖轻量化设计  113-126
  6.1 引言  113
  6.2 引擎盖的刚度要求  113-115
  6.3 引擎盖的行人保护头部碰撞要求  115-117
    6.3.1 头部碰撞区域  116-117
    6.3.2 行人保护头部碰撞有限元模型  117
  6.4 基于刚度与行人保护头部碰撞的引擎盖轻量化设计  117-125
    6.4.1 建立数学模型  118-119
    6.4.2 田口法实验设计  119-121
    6.4.3 Kriging近似模型  121-123
    6.4.4 基于Kriging近似模型的优化分析  123-124
    6.4.5 优化结果验证  124-125
  6.5 本章小结  125-126
第七章总结与展望  126-128
参考文献  128-140
作者简介及攻读博士期间发表的学术论文  140-141
致谢  141

基于现代设计方法和提高整车碰撞安全性的车身轻量化研究

内容摘要

全文目录

相似论文