采用拼焊结构的汽车车门轻量化设计方法研究

论文摘要

汽车车身的轻量化技术不仅仅是当今工程领域研究的焦点,而且更多承担了节约能源、改善环境等社会问题。目前汽车拼焊技术逐渐应用于汽车设计中,但技术还不成熟,而且多是倾向于制造、冲压工艺等方向的研究、对于应用拼焊板进行车身结构设计的研究还是比较少的,研究内容还不够深入。本文以采用拼焊结构的汽车车门系统作为轻量化研究的对象,通过对拼焊焊缝的模拟、对拼焊板件的分块、对车门有限元仿真过程的拟合,在优化算法下达到了车门轻量化的目的。本文主要研究内容和结论如下:1、着重研究了拼焊板焊缝在碰撞条件下的有限元仿真模型,分析了目前比较常用的共节点模型、刚性连接模型和梁单元模型各自的特点,对比了三种焊缝连接条件下的薄壁梁试件碰撞吸能特点。研究结果表明,不同的建模方法对试件的吸能和变形方式有着很大的影响,而梁单元模型相对于共节点模型和刚性连接模型更贴近实际状况,仿真模型更加准确、可靠。2、为了能够描述车门有限元分析(静态和动态)中的输入和输出关系,采用近似模型技术对所研究的问题进行拟合。从泛化能力的角度,分别用响应面法(二阶、三阶和四阶)、Kriging法和人工神经网络法对车门的静、动态分析进行逼近。研究结果表明,对于车门质量、静刚度位移等简单静态仿真来讲,二阶响应面法的拟合和泛化效果更为出众;对于车门耐撞位移等动态强非线性仿真来讲,人工神经网络法能够体现出更为明显的优势。3、在满足车门的静、动态性能指标的前提下,以某轿车左前车门为研究对象,使采用拼焊结构的汽车车门质量能够达到轻量化。将二阶响应面法所拟合的车门静态性能指标和人工神经网络法所逼近的车门耐撞性能指标作为优化的约束条件。最后通过遗传算法进行全局优化找出最优解。研究结果表明,在满足车门使用性能的同时,采用拼焊结构的车门质量减少效果比较明显。本文的研究方法初步解决了汽车车门结构设计和CAE分析中所遇到的一些问题,为汽车车身结构设计和轻量化提出了比较新颖的方法和思路,对拼焊板结构在汽车车门、车身上的工程研究和应用奠定了一定的基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.2 拼焊板发展过程及研究现状
• 1.2.1 拼焊板发展过程
• 1.2.2 拼焊板结构轻量化的研究现状
• 1.2.3 基于耐撞性的拼焊板结构有限元仿真技术的研究现状
• 1.3 本文总体研究思路和主要内容
• 第2章 有限元仿真基本理论和研究方法
• 2.1 引言
• 2.2 有限元仿真技术的发展和理论基础
• 2.3 板壳弯曲基本理论
• 2.4 显示非线性有限元控制方程
• 2.5 拼焊板焊缝有限元模型介绍
• 2.5.1 共节点焊缝有限元模型
• 2.5.2 刚性连接焊缝有限元模型
• 2.5.3 梁单元焊缝有限元模型
• 2.6 本章小结
• 第3章 拼焊板焊缝有限元模拟研究
• 3.1 引言
• 3.2 有限元冲击仿真对比试验
• 3.2.1 采用低碳钢作为母板材料的矩形梁冲击仿真试验
• 3.2.2 采用高强钢作为母板材料的矩形梁冲击仿真试验
• 3.2.3 仿真结果对比和分析
• 3.3 实验验证
• 3.4 本章小结
• 第4章 近似模型对拼焊板静动态响应逼近研究
• 4.1 引言
• 4.2 近似模型技术介绍
• 4.2.1 响应面法
• 4.2.2 Kriging 法
• 4.2.3 人工神经网络法
• 4.3 近似模型拟合效果及泛化效果评价方法
• 4.4 试验设计
• 4.5 近似模型拟合效果对比
• 4.5.1 近似模型对拼焊板静态分析的拟合效果对比
• 4.5.2 近似模型对拼焊板动态分析的拟合效果对比
• 4.6 本章小结
• 第5章 采用拼焊结构的汽车车门轻量化设计
• 5.1 引言
• 5.2 优化设计步骤
• 5.3 车门结构需要满足的性能指标
• 5.3.1 静刚度性能指标
• 5.3.2 一阶模态性能指标
• 5.3.3 耐撞性能指标
• 5.3.4 拓扑分析
• 5.4 建立优化设计模型
• 5.4.1 设计目标函数
• 5.4.2 设计变量及其取值范围
• 5.4.3 约束条件
• 5.5 拉丁超立方试验设计
• 5.5.1 对静态分析的试验方案设计
• 5.5.2 对耐撞性分析的试验方案设计
• 5.6 建立近似模型
• 5.6.1 二阶响应面法拟合车门静态分析响应
• 5.6.2 人工神经网络法拟合车门动态分析响应
• 5.7 遗传算法优化及结果分析
• 5.8 本章小结
• 总结和展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录