白车身结构分析及多目标优化研究

论文摘要

随着各种先进技术的发展,汽车开发周期正不断缩短,而现在轿车的更新换代从某种程度上说正是车身的更新换代,所以车身的开发能力直接决定了企业的行业竞争力。车身作为整车受力部件,应有足够的性能满足其使用要求。白车身的设计阶段是出现问题并且不容易发现问题的阶段,而这些问题等到测试甚至生产以后再发现进行修改所需要的费用和时间都会大大增加,所以应在设计阶段对其进行实时分析及优化。使用有限元方法可以在白车身从图纸变为产品之前对其结构各项性能进行评价,及早的发现问题并修正车身结构设计。本文主要内容包括以下几个方面:（1）论述了有限元分析的一般方法及其在白车身应用方面的基本理论,给出了建立有限元模型的一般流程,并针对某轿车建立了完整的白车身有限元模型。模拟静态载荷与约束进行结构性能分析,确保白车身具有足够的静态结构性能满足轿车装配和使用要求。（2）论述了疲劳累积损伤理论及常用的分析方法,使用滤波白噪声法,以Matlab/Simulink为工具构建B级路面载荷谱。在白车身基础上建立车轮及悬架模型,并将发动机、座椅和成员、车门等载荷施加到各自质心处,对白车身进行60km/h的B级路面行驶仿真分析。得出瞬态响应分析结果并以此为基础对白车身进行结构疲劳强度分析,验证白车身的疲劳可靠性。（3）对白车身进行模态及各板件灵敏度分析,确定优化目标并选取相对灵敏度较高的板件作为设计变量。使用响应面法在基于最优拉丁方采样方法获取的样本点基础上,构建考虑白车身模态及质量的多目标数学模型,结合NSGA-II算法对白车身模态进行优化,快速得出模态最大值、质量最小值的非劣解集,根据实际需要选取优化解。将有限元方法与多目标优化研究相结合来提高白车身固有频率,实现了白车身质量得到控制的基础上整体动刚度特性取得明显改善。本文基于有限元方法,通过规范的力学建模以及边界条件设置,进行白车身性能分析,并选取合适的设计变量进行优化,有利于缩短开发周期。本文是CAE工程应用性课题,在研究基础上对以后的工作提出了展望,对白车身设计及改进工作有一定参考意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 研究背景
• 1.3 国内外研究现状
• 1.4 本文的主要内容
• 第2章 有限元理论与白车身建模
• 2.1 引言
• 2.2 有限单元法的基本理论
• 2.2.1 线弹性体静力学问题
• 2.2.2 壳单元基本理论
• 2.2.3 薄板弯曲的基本理论
• 2.3 白车身有限元建模
• 2.4 小结
• 第3章 白车身静态性能分析
• 3.1 引言
• 3.2 静刚度分析基础
• 3.3 白车身弯曲刚度分析
• 3.3.1 白车身弯曲刚度值计算
• 3.3.2 开口变形及白车身弯曲曲线
• 3.4 白车身扭转刚度分析
• 3.4.1 白车身扭转刚度值计算
• 3.4.2 开口变形及白车身扭转曲线
• 3.5 小结
• 第4章 白车身疲劳强度分析
• 4.1 引言
• 4.2 疲劳累积损伤理论及分析方法
• 4.2.1 疲劳累积损伤理论
• 4.2.2 疲劳分析方法
• 4.3 车身结构疲劳寿命分析
• 4.3.1 随机路面的拟合
• 4.3.2 白车身道路行驶仿真分析
• 4.3.3 白车身疲劳强度分析
• 4.4 小结
• 第5章 白车身模态分析及优化
• 5.1 引言
• 5.2 白车身模态分析
• 5.3 白车身模态优化
• 5.3.1 优化设计的基本概念
• 5.3.2 设计变量的选取
• 5.3.3 函数模型构建
• 5.3.4 样本点采集
• 5.3.5 函数拟合
• 5.3.6 多目标优化求解
• 5.4 小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A 攻读硕士学位期间发表的学术论文