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基于代理模型的车身吸能结构抗撞性优化

作　者: 郝亮
导　师: 徐涛
学　校: 吉林大学
专　业: 固体力学
关键词: 薄壁结构代理模型抗撞性非线性有限元结构优化试验设计
分类号: U463.82
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

作为一个在汽车领域的“发展中国家”，我国许多整车厂家很大程度上缺乏完全自主研发的能力。但随着自主知识产权意识的不断加强，广大车企对自主研发的需求逐步增加。对于这一现状，政府出台了一系列针对汽车产业的调整规划，特别是对自主品牌、自主创新的支持力度非常巨大，这也激发了民族汽车产业的迅猛发展。国家“十二五”发展规划中提出了“建设原理创新、产品创新和产业化创新体系。推广结构轻量化、整车优化、推动汽车产品节能”的汽车产业的重点发展方向。“汽车可靠耐久、安全、节能减排关键技术”与“汽车轻量化技术与工艺材料应用开发”等汽车关键核心技术也被作为重大专项进行科技攻关。基于以上原因，要想真正发展我国自己的汽车工业品牌，提高国际竞争力，整车的安全性是急需提高的一项内容，而抗撞性又是车辆安全中的关键一环。传统的车身设计流程由于存在耗费周期长，CAE分析不能有效地为前期设计进行指导等问题。因此，在进行设计及试验之前，提供一个比较完整充分的碰撞仿真分析作为参考是十分有必要的。然而针对车辆碰撞这类非线性程度较高、结构自由度巨大的问题，反复的计算和修改将耗费大量的财力和人力。因此对于这类问题，通过试验设计构建代理模型的方法可有效地减少计算时间，进一步的方便抗撞性优化设计，有效地提高车身设计的效率，并满足整车的安全性需求。另外针对详细有限元模型构建等效的简化模型也是有效规避计算量的方法。简化车身部件的基本单元是由梁、板、接头构成的，其中不同截面的梁占很大成分，因此应通过对不同类型薄壁梁的几何及力学特性的基础理论分析，考虑车身结构几何特性、力学特性及工艺因素，对轿车碰撞参数化结构的建模方式进行研究，分别建立轿车车身部件的有限元模型及其相应的参数化简化模型，为轿车参数化结构建模及优化奠定基础。本文依托2009年国家自然科学基金项目，2009年及2012年吉林省科技发展计划重大专项的资助，以及课题组与中国第一汽车集团技术中心车身部多年来的合作，使用自主开发的简化车身框架结构参数的快速优化专用系统平台，建立原结构参数化模型及相应的代理模型，以轻量化、高吸能性为目标，实现车身产品在概念设计阶段的快速参数化建模及基于代理模型的车身主要吸能部件的抗撞性优化设计，有效提高模型修改及优化的效率。主要工作包括：（1）碰撞安全性仿真理论及抗撞性优化方法。详细介绍了汽车碰撞安全性仿真理论，针对非线性有限元法的适用条件进行探讨，给出了相关的运动方程、守恒方程和边界条件等公式的推导过程，以及单元计算的单点高斯积分方法和沙漏现象。此外，重点针对本文所研究的基于代理模型的抗撞性优化方法进行研究，介绍了试验设计的两种常用方法和几种代理模型的构建原理，并对不同构建代理模型方法的适用范围进行了对比分析。最后，概述了粒子群优化算法的基本原理和求解流程。（2）正碰工况下基于代理模型的吸能盒结构抗撞性优化设计。以车身前部抗撞部件吸能盒结构的常见类型：方形截面薄壁锥管为研究对象，在低速冲击工况下研究其具有最佳抗撞性能的优化设计方案。将压溃力效率及比吸能作为评价指标，建立加权组合形式的多目标优化模型。分析并探讨分布设置诱导槽对结构吸能与压溃力的影响，选择诱导槽设定的可行区域。以槽的个数、非均匀分布的槽间距离及槽的深度等作为优化参数。在根据试验设计方法合理选取样本点后，分别应用三次多项式响应面法及径向基法构建其有效代理模型，并采用粒子群法进行优化设计，得出使结构最优的诱导槽位置分布及数量，并与对应参数的圆形截面锥管的抗撞性进行比较，发现正方形截面的抗撞性更好。通过仿真分析验证该方法的有效性。研究结果证明，这种科学合理施加诱导槽的方式可有效提高结构的抗撞性能，为吸能盒结构设计提供参考。（3）侧碰工况下基于代理模型的车门结构的抗撞性优化。对某款轿车车门的有限元模型进行了侧碰的仿真模拟，通过能量、碰撞接触力、变形位移及加速度的曲线分析其碰撞安全性。随后，基于均匀试验设计方法结合多项式响应面法，构建了该车门结构在特定工况下的吸能量、最大碰撞力和总质量关于板厚参数的代理模型，采用粒子群算法对响应面模型进行优化设计。在对原结构质量和最大碰撞力分别进行约束的情况下，给出车门主要部件厚度的优化设计方案，从而有效提升车门结构的吸能值，最大程度改善了整车的抗撞性能。（4）六边形截面、槽型截面混合截面薄壁梁结构的弯曲特性分析及B柱结构简化模型的建立。通过对六边形截面及槽形截面薄壁梁的弯曲特性的研究，基于能量守恒定律，推导了六边形截面和槽型截面薄壁梁通过各条塑性铰线耗散能量的计算表达式，得到它们的弯矩与转角关系，即M (θ)-θ曲线。由此可以基于LS-DYNA软件快速定义非线性转动弹簧相关属性，并将这种零尺寸的非线性转动弹簧放置于B柱弯曲时产生塑性铰的区域。这样便建立了由非线性刚梁和转动弹簧所构成的B柱简化模型。通过对详细模型与简化模型的变形效果、位移曲线和能量曲线的比较，验证了简化模型的有效性。同时为整车模型的简化及提高其抗撞性优化效率奠定了基础。

全文目录

摘要  4-7
Abstract  7-14
第1章绪论  14-26
  1.1 研究背景及意义  14-17
  1.2 国内外研究现状  17-23
    1.2.1 车辆碰撞安全性研究现状  17-19
    1.2.2 薄壁结构研究现状  19-21
    1.2.3 抗撞性优化问题研究现状  21-23
  1.3 本文主要研究内容  23-26
第2章汽车碰撞安全性研究的理论基础及优化方法  26-58
  2.1 非线性有限元法  26-37
    2.1.1 非线性动态有限元求解控制方程  27-32
    2.1.2 空间有限元离散化  32-33
    2.1.3 单元计算的单点高斯积分和沙漏控制  33-35
    2.1.4 时间积分和时间步长控制  35-37
  2.2 代理模型的理论  37-54
    2.2.1 试验设计方法  37-47
    2.2.2 代理模型的构建方法  47-54
  2.3 优化设计方法  54-56
  2.4 本章小结  56-58
第3章参数化诱导槽设计的吸能盒结构抗撞性优化  58-78
  3.1 无诱导槽正方形截面薄壁结构  60-66
  3.2 带诱导槽正方形截面薄壁结构  66-77
    3.2.1 选取样本点  67-70
    3.2.2 构建代理模型  70-72
    3.2.3 基于 PSO 算法的抗撞性优化设计  72-77
  3.3 本章小结  77-78
第4章侧碰工况下车门结构抗撞性优化  78-94
  4.1 车门有限元模型碰撞分析  78-86
    4.1.1 初始条件设定  78-81
    4.1.2 碰撞结果分析  81-86
  4.2 基于代理模型的车门结构抗撞性优化设计  86-92
    4.2.1 选取样本点  88-90
    4.2.2 构建代理模型  90-91
    4.2.3 基于 PSO 算法的抗撞性优化设计  91-92
  4.3 本章小结  92-94
第5章车身部件简化建模方法研究  94-112
  5.1 车身部件的简化建模  94-96
  5.2 曲梁的建模方法  96-105
    5.2.1 六边形截面梁所模拟的非线性弹簧特性  98-103
    5.2.2 槽形截面梁模拟的非线性弹簧特性  103-105
  5.3 顶部压溃分析及结果  105-111
  5.4 本章小结  111-112
第6章结论与展望  112-114
  6.1 结论  112-113
  6.2 展望  113-114
参考文献  114-122
作者简介及攻读博士学位期间研究成果  122-126
后记和致谢  126-127

基于代理模型的车身吸能结构抗撞性优化

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