基于刚度特性的车身结构轻量化研究

论文摘要

汽车的轻量化对节能减排具有重大的意义,因此轻量化技术研究已经成为了汽车行业的热点研究领域之一。优化结构、采用轻量化材料和应用新工艺是汽车轻量化设计的三个主要途径。在当前不会明显提高汽车成本的情况下,通过优化结构实现汽车的轻量化设计得到了广泛的研究和应用。本文基于刚度特性,对车身结构轻量化设计中的三个关键技术——拓扑优化、灵敏度分析和6σ稳健性优化进行了研究,主要内容如下:1.基于整体车身结构拓扑优化的轻量化研究。传统的拓扑优化集中在对零件减重孔的位置和尺寸进行优化设计,而忽略了整体车身结构的空间拓扑优化。在概念设计阶段,本文利用拓扑优化技术对整体车身结构进行优化设计,得到最优的车身承载骨架,从而为车身详细设计阶段的轻量化提供指导。2.基于刚度灵敏度分析的白车身轻量化研究。传统的灵敏度分析往往只对某一部分零件进行灵敏度分析,而且不能对灵敏度的大小进行合理的评价,导致利用灵敏度分析对零件进行尺寸优化不能取得令人满意的结果。本文分析了白车身所有零件的灵敏度,提出了灵敏度的评价指标——相对灵敏度和平均相对灵敏度,对相对灵敏度低于平均相对灵敏度的白车身大板件的厚度尺寸进行优化,从而实现了白车身的轻量化设计。3.基于6σ稳健性优化的车门轻量化研究。目前的汽车结构轻量化研究多集中在轻量化途径上,而忽略了轻量化汽车性能的稳健性。实际上,汽车的制造和使用过程存在许多不确定性因素,当设计变量波动时,可能导致汽车性能指标超出约束边界或者对变量的波动极为敏感,从而降低汽车的品质。本文以某拼焊板车门为例,将各板件厚度及内板拼焊线位置作为变量,综合试验设计、响应面法、优化算法和蒙特卡罗模拟技术,构造了基于6σ稳健性的轻量化方法,从而在减轻车门重量的同时,能够较大幅度地提高车门品质的稳健性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 汽车轻量化的意义
• 1.2 汽车轻量化的技术内涵及研究现状
• 1.2.1 汽车轻量化的技术内涵
• 1.2.2 汽车轻量化的研究现状
• 1.3 汽车轻量化途径
• 1.4 课题研究内容
• 第2章 基于整体车身结构拓扑优化的轻量化研究
• 2.1 引言
• 2.2 结构拓扑优化基本理论
• 2.2.1 结构拓扑优化数学模型
• 2.2.2 均匀化方法基本理论
• 2.2.3 变密度方法基本理论
• 2.2.4 结构拓扑优化基本流程
• 2.3 整体车身拓扑优化模型的建立
• 2.3.1 几何模型的建立
• 2.3.2 有限元模型的建立
• 2.3.2.1 确定单位制
• 2.3.2.2 有限元网格划分
• 2.3.2.3 材料属性
• 2.3.2.4 几何属性
• 2.4 基于白车身刚度的拓扑优化
• 2.4.1 基于扭转刚度工况的拓扑优化
• 2.4.1.1 扭转刚度工况
• 2.4.1.2 初始状态的扭转刚度分析
• 2.4.1.3 扭转刚度工况下的拓扑优化
• 2.4.2 基于弯曲刚度工况的拓扑优化
• 2.4.2.1 弯曲刚度工况
• 2.4.2.2 初始状态的弯曲刚度分析
• 2.4.2.3 弯曲刚度工况下的拓扑优化
• 2.5 整体车身拓扑优化结果分析
• 2.5.1 基于扭转刚度工况的拓扑优化结果分析
• 2.5.2 基于弯曲刚度工况的拓扑优化结果分析
• 2.6 小结
• 第3章 基于刚度灵敏度分析的白车身轻量化研究
• 3.1 引言
• 3.2 灵敏度分析理论
• 3.2.1 结构动态灵敏度分析理论
• 3.2.2 结构静态灵敏度分析理论
• 3.2.3 灵敏度分析在有限元中的实现
• 3.3 白车身有限元模型的建立
• 3.3.1 白车身几何模型的建立
• 3.3.2 白车身有限元模型的建立
• 3.3.2.1 几何模型的整理
• 3.3.2.2 网格划分
• 3.3.2.3 连接的处理
• 3.3.2.4 材料属性和几何属性
• 3.4 基于一阶扭转模态的灵敏度分析
• 3.4.1 初始状态的一阶扭转模态分析
• 3.4.2 一阶扭转模态的灵敏度分析
• 3.5 基于白车身刚度的灵敏度分析
• 3.5.1 初始状态的白车身刚度分析
• 3.5.2 白车身刚度的灵敏度分析
• 3.6 灵敏度的评价
• 3.7 轻量化方案分析
• 3.8 小结
• 第4章 基于6σ稳健性优化的车门轻量化研究
• 4.1 引言
• 4.2 响应面法和6σ稳健性优化基本理论
• 4.2.1 响应面法
• 4.2.2 6σ质量控制准则
• 4.2.3 稳健性优化
• 4.3 车门模型和工况简述
• 4.4 基于 6σ 稳健性的车门轻量化设计
• 4.5 小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A （攻读学位期间所发表的学术论文）