汽車車身結(jié)構(gòu)概念設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、隨著我國汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展,中國已經(jīng)成為汽車制造大國,但是由于自主研發(fā)能力的欠缺,還遠不是汽車強國。汽車車身開發(fā)在汽車研發(fā)體系中占有主導(dǎo)地位,它是提高我國汽車自主設(shè)計水平的重要突破口和核心競爭力。作為車身研發(fā)水平的重要體現(xiàn),車身研發(fā)周期、車身質(zhì)量、車身重量和成本一直是各大汽車廠商重點關(guān)注的目標(biāo)。為了進一步縮短車身研發(fā)周期、提高車身質(zhì)量、降低車身重量和成本,并行工程CE(Concurrent Engineering)在車身研發(fā)中得到了快速

2、而廣泛的應(yīng)用,而概念設(shè)計階段正是并行工程能否成功實施的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的車身研發(fā)模式下,由于概念設(shè)計階段產(chǎn)品信息不完備,結(jié)構(gòu)工程師較難建立詳細的車身結(jié)構(gòu)模型,只能根據(jù)經(jīng)驗進行一些試探性的設(shè)計工作,盲目性較大；缺乏結(jié)構(gòu)工程師提供的數(shù)模輸入,CAE仿真工程師往往也不能進行有效的分析和優(yōu)化工作。這樣就導(dǎo)致結(jié)構(gòu)工程師既得不到有效的虛擬仿真支持,CAE仿真工程師也浪費了大量的時間來等待車身數(shù)模的輸入,各個部門之間沒有有效的溝通交流,在開發(fā)的前期階段

3、很難考慮到后續(xù)設(shè)計環(huán)節(jié),這實際就形成了順序開發(fā)的模式。
　　 針對車身概念設(shè)計階段順序開發(fā)的問題,本著并行工程“盡早開始工作”和“多領(lǐng)域共同參與”的思想,只有在車身概念設(shè)計階段就展開有效的仿真分析和優(yōu)化工作,加強各個部門的合作交流,強調(diào)整體目標(biāo)的最優(yōu)化,實現(xiàn)車身開發(fā)的并行工程,才能達到縮短車身研發(fā)周期、提高車身質(zhì)量、降低車身重量和成本的目的。針對汽車車身結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計階段,本文完成了車身概念模型參數(shù)優(yōu)化設(shè)計、車身關(guān)鍵截面生成優(yōu)化

4、、車身關(guān)鍵接頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、車身疲勞壽命分析優(yōu)化設(shè)計等幾個方面的工作,本文的主要創(chuàng)新點包括:
　　 (1)在汽車概念設(shè)計階段,提出了_種基于真實接頭的車身概念有限元模型(簡稱ZJ)。該模型是根據(jù)車身總布置尺寸等相關(guān)信息,調(diào)用車身關(guān)鍵截面特性數(shù)據(jù)庫和車身真實接頭數(shù)據(jù)庫中相似車型的數(shù)據(jù),以梁單元和真實接頭模型為主體并輔以大尺寸殼單元構(gòu)成。在車身開發(fā)的初期階段,將ZJ中關(guān)鍵截面等效厚度和真實接頭中的加強板厚度作為變量,通過靈敏度分析找

5、出了對接頭強度和車身扭轉(zhuǎn)剛度影響最大的變量作為設(shè)計變量。利用拉丁方試驗設(shè)計方法對ZJ進行樣本數(shù)據(jù)設(shè)計,然后采用移動最小二乘響應(yīng)面方法構(gòu)建了其扭轉(zhuǎn)剛度和強度近似模型。應(yīng)用連續(xù)二次規(guī)劃優(yōu)化方法對近似模型進行尋優(yōu),在滿足車身扭轉(zhuǎn)剛度和車身強度的前提下,減輕了車身的重量。通過算例證明,ZJ是一種易于構(gòu)建、修改方便且滿足工程應(yīng)用精度要求的車身概念有限元模型。
　　 (2)提出了一種面向設(shè)計的車身關(guān)鍵截面形狀生成與優(yōu)化方法。該方法根據(jù)概念設(shè)

6、計階段的車身造型、內(nèi)部空間以及總布置等方面的尺寸約束條件,同時考慮截面飯金件沖壓成型等方面的形狀約束要求,采用螞蟻行進的路線來模擬截面生成的過程。采用網(wǎng)格法思想將截面設(shè)計的可行域離散為若干節(jié)點,通過節(jié)點來控制截面的形狀,基于蟻群優(yōu)化算法建立了相關(guān)的數(shù)學(xué)模型并編制了相應(yīng)的程序。通過某車型門檻梁截面的算例驗證了方法的有效性與實用性。
　　 (3)在汽車概念設(shè)計階段,針對車身中常見且較為重要的T型接頭提出了一種快速優(yōu)化思路和方法。該方

7、法根據(jù)T型接頭的結(jié)構(gòu)特點,將接頭劃分為3個分支區(qū)域、3個過渡區(qū)域和1個本體區(qū)域,并建立7個相應(yīng)的六面體作為各區(qū)域的控制體,通過六面體頂點的位置變化來實現(xiàn)各區(qū)域結(jié)構(gòu)尺寸的關(guān)聯(lián)變化。首先提取車身剛度和整車強度分析工況下接頭的邊界載荷,然后利用拉丁方試驗設(shè)計方法對接頭有限元模型進行樣本數(shù)據(jù)設(shè)計,采用移動最小二乘響應(yīng)面方法構(gòu)建了接頭的近似優(yōu)化模型。將接頭中3個分支區(qū)域的整體尺寸和零部件厚度作為設(shè)計變量,并且保證了本體區(qū)域的尺寸隨3個分支區(qū)域的尺

8、寸關(guān)聯(lián)變化,應(yīng)用遺傳優(yōu)化方法對近似模型進行尋優(yōu),在實現(xiàn)接頭輕量化的前提下,大大提高了接頭的剛度和強度。
　　 (4)在汽車概念設(shè)計階段,基于虛擬道路試驗場首次建立了以ZJ為核心且包含車輛懸架和輪胎的整車耐久性分析模型。該模型考慮了系統(tǒng)中各種結(jié)構(gòu)和材料的非線性情況,以虛擬路面為基礎(chǔ),對整車系統(tǒng)進行瞬態(tài)響應(yīng)分析,以獲得車身結(jié)構(gòu)較為準(zhǔn)確的動態(tài)應(yīng)力應(yīng)變歷程,在汽車設(shè)計的早期階段實現(xiàn)了對車身關(guān)鍵區(qū)域的疲勞壽命分析與優(yōu)化。最后以某車型的C柱