硬件在环的轿车白车身结构分析与优化设计

论文摘要

汽车行业是一个高速发展的行业，其竞争日趋激烈。汽车企业要想获得大的市场份额，必须不断更新产品，满足用户需求，轿车新产品的开发周期和费用取决于车身。现代轿车广泛采用全承载式车身，这种车身整体参与承受来自汽车各个总成传递的荷载，车身结构设计决定了其车身的强度、刚度和模态等静、动态力学性能，并影响其整车的轻量化和总成间的匹配关系。国内外普遍采用CAD／CAE方法进行白车身结构分析和设计，一般利用CAD进行白车身的几何建模，利用CAE进行强度、刚度、模态分析，依据CAE分析结果不断进行修改模型，最后得出较理想的实用几何模型和车身结构。这种设计方法的效率和精度尚待完善，因此在深入了解白车身结构与力学性能关系的基础上，研究结构性能优质、低成本、快速的车身结构设计方法，是汽车制造工程一直需要的研究课题之一。本文以某企业几种典型轿车白车身结构为研究对象，运用强度、刚度、模态及优化设计基本理论和有限元分析方法，研究轿车白车身硬件在环优化设计的方法，对其分析方法中的一些关键力学问题进行研究，提高了轿车白车身优化设计的精度和效率，从而提高轿车的开发速度并降低了开发成本。本文主要研究成果如下：根据轿车白车身结构特点，利用白车身的UG模型及相关样图，找出白车身力学建模和几何模型简化、有限单元选择及网格划分和焊接点处理等可行方法，建立了白车身有限元分析模型，为白车身的静、动态力学特性CAE分析的准确性奠定了基础。依据优化设计基本理论，针对轿车白车身优化设计目的和意义，确定优化设计目标和设计变量，采用CAE分析软件ANSYS平台，建立了轿车白车身优化设计的解决路径。然后依据刚度、强度和模态试验方法，自行设计了白车身刚度、强度试验台，对典型白车身进行了强度、刚度和模态试验，获得了该车型白车身的静、动态力学特性。采用白车身仿真分析与试验分析相结合的方法，提出了轿车白车身硬件在环仿真的分析方法，并设计了系统方案，运用该方法对白车身有限元模型进行硬件在环修正，从而提高了模型修正效率。在ANSYS平台上，对典型白车身进行了结构参数灵敏度分析，其分析结果为硬件在环优化设计变量的选取提供了依据。运用优化设计与硬件在环分析相结合的方法，提出硬件在环白车身优化设计方法，建立硬件在环轿车白车身优化设计流程，并进行了基于不同优化目标的白车身硬件在环优化设计。优化设计结果表明，硬件在环轿车白车身优化设计方法是可行和有效的，对具体样车白车身的分析结果提出了改进建议。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 致谢
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 有限元方法和 CAE技术在汽车设计中的应用
• 1.3 汽车车身结构试验技术
• 1.4 优化设计在轿车车身设计中的应用
• 1.5 硬件在环仿真技术的发展过程
• 1.6 研究背景及意义
• 1.7 国内外研究现状
• 1.8 本文的主要工作
• 第2章 轿车白车身结构分析的有限元理论与建模
• 2.1 引言
• 2.2 轿车白车身简介
• 2.3 有限单元法基本理论
• 2.3.1 有限元理论的基本思想
• 2.3.2 线弹性体静力学问题
• 2.3.3 求解的收敛条件
• 2.3.4 单元分析及整体方程求解
• 2.3.5 壳体结构单元分析基本理论
• 2.4 白车身有限元建模
• 2.4.1 有限元建模概述
• 2.4.2 几何模型的简化
• 2.4.3 材料属性及单位制
• 2.4.4 单元选择及网格划分
• 2.4.5 焊点的处理及有限元模型的装配
• 2.5 本章小结
• 第3章 轿车白车身优化设计的方法与建模
• 3.1 引言
• 3.2 优化设计基本理论
• 3.2.1 优化设计基本概念
• 3.2.2 轿车车身优化设计的目标函数
• 3.2.3 车身优化设计的约束条件
• 3.2.4 约束问题求解的罚函数法
• 3.2.5 多学科设计优化
• 3.2.6 基于误差控制的代理模型管理多目标优化
• 3.3 ANSYS优化设计方法
• 3.4 白车身优化设计建模
• 3.5 本章小结
• 第4章 轿车白车身试验理论与方法
• 4.1 引言
• 4.2 轿车白车身试验理论
• 4.2.1 静态刚度分析理论
• 4.2.2 静态强度分析理论
• 4.2.3 模态分析基本理论
• 4.2.4 轿车白车身结构强度与刚度试验基本理论
• 4.2.5 轿车白车身模态试验基本理论
• 4.3 轿车白车身试验分析
• 4.3.1 白车身刚度试验分析
• 4.3.2 白车身强度试验分析
• 4.3.3 白车身模态试验分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 轿车白车身硬件在环的分析方法
• 5.1 引言
• 5.2 硬件在环的分析方法
• 5.2.1 硬件在环仿真的工作过程
• 5.2.2 硬件在环仿真的主要形式
• 5.2.3 dSPACE系统概述
• 5.2.4 ControlDesk软件简介
• 5.2.5 硬件在环仿真系统的组成
• 5.3 硬件在环仿真系统的设计
• 5.3.1 硬件在环仿真与一般动态仿真的区别
• 5.3.2 硬件在环仿真实现的技术难点
• 5.3.3 硬件在环仿真试验台的设计思路
• 5.3.4 硬件在环仿真试验台的功能要求
• 5.3.5 硬件在环试验台的方案
• 5.4 硬件在环轿车白车身有限元模型修正
• 5.4.1 模型修正概述
• 5.4.2 修正方法的分类
• 5.4.3 模态试验修正法的原理
• 5.4.4 模型修正
• 5.5 硬件在环试验台应用
• 5.5.1 硬件在环白车身静态特性
• 5.5.2 硬件在环白车身动态特性
• 5.5.3 硬件在环仿真结果分析
• 5.6 本章小结
• 第6章 硬件在环轿车白车身优化设计
• 6.1 引言
• 6.2 轿车白车身结构分析
• 6.2.1 轿车白车身刚度分析
• 6.2.2 轿车白车身强度分析
• 6.2.3 轿车白车身模态分析
• 6.2.4 轿车白车身灵敏度分析
• 6.3 硬件在环轿车白车身优化设计
• 6.3.1 硬件在环轿车白车身优化设计流程
• 6.3.2 基于模型1的硬件在环优化设计
• 6.3.3 基于模型2的硬件在环优化
• 6.3.4 基于模型3的硬件在环优化
• 6.4 本章小结
• 第7章 结论与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 工作展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间参加的科研项目
• 攻读博士学位期间发表的学术论文