梯度薄壁結(jié)構(gòu)設(shè)計方法及其在車身設(shè)計中的應(yīng)用.pdf

1、近年來，車身輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計已經(jīng)成為汽車發(fā)展的核心問題，在眾多的輕量化結(jié)構(gòu)中，有一類性能優(yōu)良的薄壁結(jié)構(gòu)，其材料等級或者厚度屬性具有某種離散或連續(xù)梯度分布形式，比如激光拼焊板結(jié)構(gòu)和連續(xù)變厚度結(jié)構(gòu)等。理論上來講，梯度特性可以使工程師們根據(jù)不同典型結(jié)構(gòu)的性能特點和要求定制出特定的車身零部件，進而使結(jié)構(gòu)設(shè)計在最大程度上達到“剛?cè)岵薄ⅰ败浻布媸?。與傳統(tǒng)均質(zhì)結(jié)構(gòu)相比，梯度薄壁結(jié)構(gòu)在未來汽車輕量化的實踐開發(fā)中必將發(fā)揮其重要的作用。目前的梯度結(jié)構(gòu)設(shè)

2、計主要依賴于經(jīng)驗或不斷的“試錯”，還處于起步階段，缺乏有效的設(shè)計方法研究。為了更好地了解梯度薄壁結(jié)構(gòu)的基本特性以便快速、準(zhǔn)確地指導(dǎo)其輕量化設(shè)計，并進一步使得梯度結(jié)構(gòu)能夠在車身零部件上得到廣泛的應(yīng)用，開展車身梯度結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計方法研究具有重要的工程意義和應(yīng)用價值。
　　為此，本文對激光拼焊板結(jié)構(gòu)和連續(xù)變厚度結(jié)構(gòu)在車身設(shè)計方法中涉及到的諸如焊縫參數(shù)反求、焊縫位置布局以及材料匹配等關(guān)鍵工程問題進行了研究，旨在為車身結(jié)構(gòu)設(shè)計提供有力支持

3、。首先研究了拼焊板結(jié)構(gòu)焊縫材料參數(shù)識別設(shè)計方法;并對其焊縫布局進行合理優(yōu)化設(shè)計;研究了在安全性能目標(biāo)要求下的拼焊板結(jié)構(gòu)的材料匹配設(shè)計方法;最后對連續(xù)變厚度管尤其是厚度冪指數(shù)分布管狀結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計和參數(shù)分析?；诖怂悸?，本論文開展和完成了以下研究工作:
　　(1)基于試驗、仿真和計算反求等技術(shù)手段提出了拼焊板結(jié)構(gòu)焊縫材料參數(shù)識別設(shè)計方法。給出了基于壓痕試驗和數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)的微米級尺度材料參數(shù)識別方法，沿著焊縫寬度方向選取若干點

4、進行壓痕測試，并建立基于冪指數(shù)本構(gòu)模型的壓痕數(shù)值模型;根據(jù)塑性力學(xué)理論推導(dǎo)出應(yīng)變硬化指數(shù)與主應(yīng)變值之間的關(guān)系，通過數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)測得焊縫處的全局應(yīng)變值。最后采用計算反求技術(shù)獲取強度系數(shù)和應(yīng)變硬化指數(shù)，對焊縫處的材料參數(shù)進行了詳細識別，得到的塑性應(yīng)變與試驗值之間的誤差保持在5％左右，比傳統(tǒng)方法更加精確，在一定程度上提高了拼焊板的仿真精度。焊縫區(qū)域材料參數(shù)的精確獲取對于研究該處周圍應(yīng)力分布等其它局部特性尤為重要，是提高數(shù)值仿真精度的一個重

5、要方面。
　　(2)提出了一種基于剛度性能目標(biāo)的拼焊板車門結(jié)構(gòu)焊縫布局設(shè)計方法。以雙向漸進結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化方法為參考藍本，在深入分析其存在的問題和不足的基礎(chǔ)上，根據(jù)車門結(jié)構(gòu)的不同剛度性能目標(biāo)等工程要求，將以往對彈性模量的插值函數(shù)轉(zhuǎn)換為針對厚度函數(shù)的插值模型，并推導(dǎo)出統(tǒng)一的靈敏度計算公式，優(yōu)化目標(biāo)是在給定載荷及體積分數(shù)等約束條件下使得結(jié)構(gòu)具有最小平均柔度值，即剛度最大。結(jié)果表明，不同厚度區(qū)域得到最優(yōu)分布，進而確定拼焊板車門結(jié)構(gòu)的最佳焊縫

6、布局，剛度性能目標(biāo)達到最優(yōu)，即具有最大承受單一或多種載荷的剛度特性，質(zhì)量急劇降低且不削弱結(jié)構(gòu)剛度，有效解決了拼焊板車門結(jié)構(gòu)焊縫布局設(shè)計問題。
　　(3)針對安全性能目標(biāo)提出了車身側(cè)圍拼焊板結(jié)構(gòu)耦合系統(tǒng)（包括車門和B柱）的設(shè)計方法。首先，根據(jù)拼焊板結(jié)構(gòu)的焊縫布局設(shè)計方法定性給出拼焊板車門結(jié)構(gòu)的焊縫位置布局;建立了拼焊板車門和B柱組成的側(cè)圍耦合系統(tǒng)數(shù)值模型并驗證其精確性;工程問題的不同會引起近似模型的模擬效果和擬合精確程度也不同，討論

7、了幾種不同近似模型技術(shù)對側(cè)碰安全響應(yīng)的擬合效果和模擬精度。分析結(jié)果表明，徑向基函數(shù)模型更適合于耦合系統(tǒng)的安全性能設(shè)計，并采用相關(guān)算法對側(cè)碰過程進行優(yōu)化計算，給出了車身側(cè)圍多部件拼焊板耦合系統(tǒng)的設(shè)計思路。通過優(yōu)化不同部位的參數(shù)特性，側(cè)圍拼焊板耦合系統(tǒng)的安全性能得到了進一步的提升，證明了拼焊板技術(shù)的引入和運用能夠提供一種柔性且有效的工程設(shè)計思路。
　　(4)提出了一種車身拼焊板前縱梁結(jié)構(gòu)的安全性設(shè)計方法。拓展并靈活運用傳統(tǒng)正交試驗設(shè)計

8、，在優(yōu)化迭代過程中構(gòu)造并不斷迭代更新三水平正交表，給出了拼焊板前縱梁離散參數(shù)優(yōu)化匹配的設(shè)計思路。在離散空間內(nèi)給定拼焊板前縱梁的材料類型和厚度屬性，考慮并定義了帶約束的目標(biāo)特征函數(shù)，通過均值分析判定并重新構(gòu)造下一迭代步的三水平正交表。設(shè)計過程中迭代調(diào)用有限元模型的次數(shù)明顯減少，降低了計算成本并提高了計算效率，設(shè)計結(jié)果提升了拼焊板前縱梁的安全性能。該離散設(shè)計方法能夠有效避免傳統(tǒng)方法較高計算成本的不足及無法適用于多變量高水平的拼焊板結(jié)構(gòu)設(shè)計等

9、問題，故能有效指導(dǎo)車身拼焊板前縱梁結(jié)構(gòu)的安全性設(shè)計，可進一步拓展應(yīng)用于其它復(fù)雜工程問題，具有一定應(yīng)用價值。
　　(5)為了避免拼焊板結(jié)構(gòu)諸如應(yīng)力集中、材料匹配等固有缺陷及難點，從設(shè)計準(zhǔn)則、參數(shù)分析和優(yōu)化設(shè)計等技術(shù)層面提出了厚度為冪指數(shù)分布管狀結(jié)構(gòu)的安全性設(shè)計方法。基于等質(zhì)量條件推導(dǎo)出冪指數(shù)分布管和均勻管、錐管之間的定量解析關(guān)系，給出了冪指數(shù)分布管狀結(jié)構(gòu)的設(shè)計準(zhǔn)則;引入一種新的安全性能指標(biāo)，即單位空間內(nèi)能量吸收值，該指標(biāo)提供了對具有

10、相同質(zhì)量但不同占據(jù)空間面積的管狀結(jié)構(gòu)空間效率的度量方法;分析并比較了不同截面管在軸向以及多角度載荷下的動態(tài)壓潰響應(yīng)，梯度變化特性使得冪指數(shù)分布管更容易發(fā)生漸進式變形模式，從而進一步提高其在更大載荷角度下抵抗彎曲變形的承載能力。在兩個設(shè)計區(qū)間內(nèi)對設(shè)計變量即梯度指數(shù)進行采樣，采用遺傳算法作為優(yōu)化求解器，優(yōu)化結(jié)果表明厚度梯度能夠得到合理設(shè)計，冪指數(shù)分布管比均勻管具有更加理想的耐撞特性，證明薄壁結(jié)構(gòu)安全性能的提高可以通過對管壁厚度進行合理的梯度