基于多目标稳健性优化方法的SUV车身结构轻量化设计简

基于多目标稳健性优化方法的SUV车身结构轻量化设计答辩人:苏占龙导师:王霄教授专业:机械工程基于多目标稳健性优化方法的SUV车身结构轻量化设计汽车工程领域三大主题安全节能环保课题研究背景及课题提出最为有效的途径汽车轻量化提高汽车碰撞安全性1.降低燃油消耗2.减少尾气排放车辆碰撞类型正碰偏置碰侧碰后碰侧翻轻质材料先进加工工艺结构优化实现轻量化的方法同时保证1、致伤率64.5%，居第一位2、致死率35%，仅次于正碰实现轻量化不能以牺牲安全性为代价，因此要同时保证碰撞安全性同时保证被动安全主动安全基于多目标稳健性优化方法的SUV车身结构轻量化设计课题研究现状及课题提出汽车结构轻量化单目标确定性优化多目标确定性优化多目标稳健性优化以轻量化为目标。以轻量化与提高碰撞安全性为目标；同时保证其他方面性能。以轻量化、提高碰撞安全性与提高稳健性为目标；同时保证其他方面性能。同时考虑由于加工不确定性引起的性能波动少提高汽车碰撞安全性引入近似模型基于多目标稳健性优化方法的SUV车身结构轻量化设计•汽车侧面碰撞流程自动化系统的开发2•SUV有限元模型的建立与有限元分析3•基于多目标稳健性优化方法的车身轻量化设计4•总结与展望本文主要研究内容1基于多目标稳健性优化方法的SUV车身结构轻量化设计汽车侧面碰撞流程自动化系统的开发整车侧面碰撞有限元模型的建立车门静态有限元模型的建立Hypermesh通用前处理平台SUV整车侧面碰撞性能分析SUV车门模态性能分析SUV车门刚度性能分析汽车侧面碰撞流程自动化系统平台初选变量参数试验设方法进行灵敏度分析，筛选变量最终变量基于拉丁超立方试验设计方法的样本采样响应面近似模型与Kriging近似模型的建立基于多学科多目标确定性优化的车身结构轻量化基于蒙特卡洛抽样的可靠性分析与质量水平检查基于多学科多目标稳健性优化的车身结构轻量化设计初步了解初始设计性能总结与展望本文技术路线基于多目标稳健性优化方法的SUV车身结构轻量化设计汽车侧面碰撞流程自动化系统的开发开发平台Windows7/WindowsXP-(TCL/TK脚本语言)Hyperworks(Hypermesh，Hyperview)ProcessManager(ProcessManager，ProcessStudio、Framework)基于Hyperworks的汽车侧面碰撞分析流程自动化系统材料、载荷数据库1基于多目标稳健性优化方法的SUV车身结构轻量化设计汽车侧面碰撞流程自动化系统的开发1图1.1侧面碰撞分析流程自动化系统流程树通用前处理：1、导入模型，2、自动抽取中面3、赋予属性与材料建立连接：1、焊点2、螺栓3、粘胶建立接触与刚性墙：1、刚性墙2、自接触3、焊点接触4、粘胶接触边界条件：1、初始速度2、重力场控制卡片：1、结束时间2、控制时间步3、单元控制4、接触、沙漏、能量控制等输出卡片：1、二进制文件2、输出控制开发流程树基于多目标稳健性优化方法的SUV车身结构轻量化设计汽车侧面碰撞流程自动化系统的开发自动抽取中面工具材料与载荷数据库钣金件：N零件号_项目代号_T厚度*100;实体件：S零件号_项目代号1CAD模型中的连接信息CAE模型中的连接信息自动建立连接(1)焊点连接(2)螺栓连接(3)粘胶等其他连接（粘胶、缝焊、铆接）基于多目标稳健性优化方法的SUV车身结构轻量化设计汽车侧面碰撞流程自动化系统的开发建立连接的用户主界面成果：实现了CAD模型导入、抽取中面、建立连接、建立刚性墙与接触、施加边界条件、定义控制卡片与输出卡片的流程自动化，大幅度提高了侧面碰撞有限元建模的效率。1基于多目标稳健性优化方法的SUV车身结构轻量化设计SUV有限元模型的建立与有限元分析SUV整车有限元模型的建立CAD模型归类与导入电器底盘车身附件抽取中面网格划分网格质量检查整车模型装配连接螺栓粘胶焊接万向铰等其它基于include文件的整车网格材料、单元属性定义属性卡片定义材料卡片定义材料曲线输入积分类型选择YN刚性墙与接触的建立几何清理粘胶、焊点等其他接触自接触刚性墙控制卡片单元控制时间步控制结束时间沙漏控制等输出卡片二进制文件输出频率d3plot文件输出其他文件输出控制初始条件重力加速度初始速度导出子系统k文件2红色框-流程自动化；网格划分手动完成基于多目标稳健性优化方法的SUV车身结构轻量化设计汽车侧面碰撞流程自动化系统的开发SUV整车有限元模型的建立底盘车门白车身2基于多目标稳健性优化方法的SUV车身结构轻量化设计汽车侧面碰撞流程自动化系统的开发SUV整车有限元模型的建立整车有限元模型2基于多目标稳健性优化方法的SUV车身结构轻量化设计SUV有限元模型的建立与有限元分析SUV整车侧面碰撞性能分析(1)碰撞系统总能量分析碰撞系统能量曲线(2)整车变形分析沙漏能与滑移界面能占总能量的百分比分别为4.020%和2.269%，小于10%的要求前门、B柱、中门下部发生严重变形，分析可靠通过提高B柱、前门、中门附件结构的强度改善碰撞安全性能2基于多目标稳健性优化方法的SUV车身结构轻量化设计SUV有限元模型的建立与有限元分析SUV整车侧面碰撞性能分析(3)前门与B柱测量点侵入量与侵入速度分析测量点编号代号测量点最大侵入量/mm代号测量点最大侵入速度/m·s-1分析值目标要求分析值目标要求P1Bd1138.387≤150Bv18.153≤8.5P2Bd2154.249≤160Bv27.863≤8.5P3Bd3176.901≤180Bv37.715≤9.5P4Bd4184.464≤190Bv48.003≤9.5P5Bd5193.171≤190Bv59.762≤10.5P6Dd649.364≤100Bv65.402≤7.5P7Dd1180.978≤190Dv18.851≤9.5P8Dd2189.070≤200Dv29.468≤10.5P9Dd3182.050≤210Dv310.246≤10.5P10Dd4195.853≤210Dv410.626≤10.5P11Dd5186.794≤190Dv510.044≤10.5测量点位置测量点侵入量曲线测量点侵入速度曲线测量点最大侵入量与最大侵入速度表2基于多目标稳健性优化方法的SUV车身结构轻量化设计SUV有限元模型的建立与有限元分析SUV车门模态性能分析前门一阶阵型中门一阶阵型前门二阶阵型中门二阶阵型前门三阶阵型中门三阶阵型车门前三阶模态振型图2基于多目标稳健性优化方法的SUV车身结构轻量化设计SUV有限元模型的建立与有限元分析SUV车门模态性能分析车门模态阶数代号分析值/Hz目标要求/Hz振型描述前门1Fmode132.67≥30一阶扭转模态2Fmode241.85≥35窗框+外板局部模态3Fmode366.02≥45内板局部模态中门1Rmode130.81≥30一阶扭转模态2Rmode237.54≥35内板+外板局部模态3Rmode348.01≥45内板局部模态车门前三阶模态频率与振型描述SUV车门刚度性能分析窗框侧弯工况Y向位移云图下垂工况Z向位移云图(1)前门刚度满足要求，存在轻量化设计空间2基于多目标稳健性优化方法的SUV车身结构轻量化设计SUV有限元模型的建立与有限元分析SUV车门刚度性能分析扭转工况Y向位移云图(窗框后下角)扭转工况Y向位移云图(车门后下角)(1)前门刚度前门刚度各工况加载位置代号分析位移值/mmLCBZ201301目标位移值/mm窗框刚度窗框后上角Fstiffness14.320≤8扭转刚度窗框后下角(上扭)Fstiffness23.564≤7车门后下角(下扭)Fstiffness33.738≤7下垂刚度锁芯处Fstiffness41.835≤5前门刚度分析结果汇总表远低于目标值，存在较大轻量化空间2基于多目标稳健性优化方法的SUV车身结构轻量化设计SUV有限元模型的建立与有限元分析SUV车门刚度性能分析(2)中门刚度侧弯工况Y向位移云图(窗框前上角)侧弯工况Y向位移云图(窗框后上角)下垂工况Z向位移云图(窗框前上角)下垂工况Z向位移云图(窗框后上角)2基于多目标稳健性优化方法的SUV车身结构轻量化设计(2)中门刚度下垂工况Z向位移云图下垂工况Z向位移云图(窗框前上角)(窗框后上角)中门刚度加载位置代号位移值/mmSQGM目标值/mm余量系数窗框刚度窗框前上角chuangkuang_L7.158≤100.40窗框后上角chuangkuang_R5.448≤80.47扭转刚度车窗上角(上扭)niuzhuan_up12.736≤160.26车门下角(下扭)niuzhuan_down4.944≤6.50.32下垂刚度前锁芯处chuizhi_F0.058≤1.524.00后锁芯处chuizhi_R0.189≤314.79中门刚度分析结果汇总表SUV有限元模型的建立与有限元分析SUV车门刚度性能分析远离目标值，存在较大的轻量化空间2基于多目标稳健性优化方法的SUV车身结构轻量化设计多目标稳健性优化方案的提出3基于多目标稳健性优化方法的车身轻量化设计多目标稳健性优化方案提出子模型建立初始设计变量变量筛选（参数试验设计）最优拉丁超立次方实验设计构造Kriging+响应面近似模型增加样本点精度检验NSGA-Ⅱ,NCGA,AMGA多目标确定性优化质量水平检验稳健性多目标优化稳健性优化方案确定更新近似模型各优化算法的优化结果与可靠性对比蒙特卡洛抽样简化模型，降低单次抽样计算时间减少变量，降低抽样次数最终设计变量可靠性分析选择稳健性优化算法基于多目标稳健性优化方法的SUV车身结构轻量化设计侧面碰撞子模型的建立与验证基于多目标稳健性优化方法的车身轻量化设计子模型建立流程图子模型边界条件提取保证精度的条件下，降低了计算代价3基于多目标稳健性优化方法的SUV车身结构轻量化设计侧面碰撞子模型的验证基于多目标稳健性优化方法的车身轻量化设计子模型整车模型子模型整车模型整车模型子模型子模型整车模型子模型与整车模型各项指标对比验证3基于多目标稳健性优化方法的SUV车身结构轻量化设计3基于多目标稳健性优化方法的车身轻量化设计1-前门内板(前)2-前门外板3-前门内板(后)4-前门腰线加强件5-前门防撞梁(上)6-前门防撞梁(下)7-中门铰链加强件8-中门防撞梁(下)9-中门防撞梁(中)10-中门防撞梁(上)11-中门外板12-前门锁加强件13-B柱外加强板14-中门内板15-中门锁加强件16-B柱内加强板图4.11设计变量分布图初始设计变量的选择基于多目标稳健性优化方法的SUV车身结构轻量化设计初始设计变量的选择基于多目标稳健性优化方法的车身轻量化设计变量名称变量代号初始值/mm取值范围/mm标准差/mmB柱内加强板B11.20.81.01.21.41.51.60.01B柱外加强板B21.40.81.01.21.41.51.60.01前门内板(后)D10.70.50.60.70.81.01.20.01前门内板(前)D21.20.81.01.21.41.51.60.01前门外板D30.80.60.70.81.01.21.40.01中门外板D40.80.60.70.81.01.21.40.01中门内板D50.70.50.60.70.81.01.20.01前门防撞梁(上)F10.80.60.70.81.01.21.40.01前门防撞梁(下)F21.61.21.41.51.61.82.00.01中门防撞梁(上)F31.61.21.41.51.61.82.00.01中门防撞梁(中)F40.70.50.60.70.81.01.20.01中门防撞梁(下)F51.61.21.41.51.61.82.00.01前门腰线加强板R10.80.60.70.81.01.21.40.01前门锁加强件S11.40.81.01.21.41.51.60.01中门锁加强件S21.20.81.01.21.41.51.60.01中门铰链加强件H11.51.01.21.41.51.61.80.01解决方案（1）通过p