基于近似模型的汽車輕量化優(yōu)化設(shè)計方法.pdf

1、隨著汽車工業(yè)在國內(nèi)的蓬勃發(fā)展，使得能源日趨緊張、環(huán)境壓力加劇的問題日益凸顯，這必將成為汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的絆腳石。作為有效節(jié)能手段的汽車輕量化技術(shù)已成為汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展中的一項關(guān)鍵性研究課題，在不久的將來，它必將成為汽車公司的核心競爭力之一。近年來國內(nèi)外很多學(xué)者在汽車輕量化相關(guān)方面開展了較為廣泛的研究，并已取得諸多成果，但是汽車輕量化的相關(guān)研究仍然存在較多問題，研究方法仍然集中在對汽車車身的一些零部件用低密度材料進(jìn)行替換，如鋁、鎂合金、復(fù)合

2、材料等，這些方法大多數(shù)仍是憑經(jīng)驗設(shè)計。本文在總結(jié)前人的研究基礎(chǔ)上，采用了近似模型技術(shù)結(jié)合數(shù)值優(yōu)化方法對汽車輕量化設(shè)計進(jìn)行了較為系統(tǒng)和深入的研究，在確保汽車綜合性能指標(biāo)的前提下，盡可能的降低汽車產(chǎn)品自身重量，達(dá)到減重、降耗、安全的綜合指標(biāo)。 圍繞汽車輕量化這一主題，本論文主要開展了以下幾方面的研究內(nèi)容： 1．建立了一種基于移動最小二乘的汽車正面碰撞響應(yīng)面近似模型，提出了針對不同的優(yōu)化設(shè)計響應(yīng)采用不同的近似模型技術(shù)來達(dá)到提高

3、優(yōu)化效率的目的。通過與目前廣泛運用的多項式響應(yīng)面與Kriging響應(yīng)面的對比研究可知，多項式響應(yīng)面只是對空間試驗點的逼近，擬合精度不高，故一般適用于替代非線性程度不高的響應(yīng)，而Kriging模型準(zhǔn)確的通過了空間擬合的采樣點，擬合精度高，但它容易受到數(shù)值噪聲的影響且計算成本高。而移動最小二乘擬合的響應(yīng)面近似模型恰恰兼顧了兩者的優(yōu)點，故它非常適合于具有高度非線性且具有數(shù)值噪聲的汽車碰撞安全的優(yōu)化研究。最終把該模型成功運用到汽車輕量化優(yōu)化設(shè)計

4、中來驗證了此模型的有效性。 2．提出了一種基于近似模型和多目標(biāo)遺傳算法的高強(qiáng)度鋼板選材方法。雖然汽車制造工業(yè)中鋁合金等輕質(zhì)材料在逐漸增加，但是由于鋁合金等加工難度高，成形性能較差，又由于鋁導(dǎo)熱性好，導(dǎo)致鋁合金的焊接性能差，關(guān)鍵是它的成本還比鋼材高。故目前在汽車制造中僅能部分代替鋼鐵材料。而厚度變薄的高強(qiáng)度鋼相對于普通鋼來說則具有高強(qiáng)度、質(zhì)量輕等優(yōu)點，而且還能提高車輛的安全性能，所以高強(qiáng)度鋼已成為普遍采用的汽車原材料。 采

5、用高強(qiáng)度鋼板代替普通鋼板制造的汽車車身，其重量可以得到較大幅度的降低。但是傳統(tǒng)的選材設(shè)計往往都是根據(jù)工程人員的經(jīng)驗來選擇車輛各個部分的材料配置，導(dǎo)致車輛各個部分的材料選擇具有盲目性而不能最優(yōu)化，文中采用近似模型和多目標(biāo)遺傳算法相結(jié)合的選材方法對整車的正面碰撞和側(cè)面碰撞安全性進(jìn)行了深入研究，得到了汽車車身駕駛室前部關(guān)鍵部件與側(cè)圍的高強(qiáng)度鋼板及其板厚的合理配置，并達(dá)到使車輛的安全性能提高和車身輕量化的目的。 3．提出了一種基于近似模

6、型和多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化相結(jié)合的整車輕量化優(yōu)化設(shè)計方法。汽車輕量化的首要前提是應(yīng)保持汽車原有的性能不受影響，既要有目的地減輕汽車自身的重量，又要保證汽車行駛的安全性、耐撞性、抗振性及舒適性等。但是傳統(tǒng)的汽車設(shè)計模式往往采取的是一種串行設(shè)計模式，在不同的設(shè)計階段設(shè)計人員將選擇不同的重點來對汽車進(jìn)行設(shè)計和優(yōu)化，這就把影響汽車性能的空氣動力學(xué)、振動、噪聲、耐撞性、安全性以及舒適性等學(xué)科人為的割裂開來，并沒有利用和考慮到各個學(xué)科之間存在的相互耦合而可

7、能產(chǎn)生的協(xié)同效應(yīng)，這樣將導(dǎo)致得到的優(yōu)化結(jié)果往往不是系統(tǒng)整體的最優(yōu)解。 同時，如果輕量化設(shè)計中一起考慮到的汽車安全性、振動、剛度等各學(xué)科的相互作用來進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，這樣勢必遭遇優(yōu)化設(shè)計的瓶頸（單次CAE計算仿真時間過長而引起的時間問題）。正是基于上述傳統(tǒng)串行設(shè)計與CAE仿真時間過長的缺陷，文中提出了汽車的輕量化優(yōu)化設(shè)計過程也必是一個多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化的過程，并建立了將響應(yīng)面和多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化方法相結(jié)合的汽車輕量化優(yōu)化設(shè)計近似模型，成功解決

8、了單次優(yōu)化時間過長的優(yōu)化瓶頸問題，并將該方法成功運用到某車型的輕量化優(yōu)化設(shè)計中。 4．建立了基于可靠性設(shè)計理論的汽車薄壁縱梁輕量化優(yōu)化設(shè)計模型。車身薄壁縱梁不僅是汽車車身設(shè)計的基本承載部件，而且也是車身發(fā)生正面碰撞時的主要吸能部件。 同時，薄壁縱梁的變形模式和吸能特性直接決定了車體在碰撞時的加速度和力的響應(yīng)，也就直接影響到車內(nèi)乘員的安全性。 此外，由于它的使用環(huán)境較為惡劣，這就對它的設(shè)計提出了更高的可靠性要求。傳