基于耐撞性仿真的轎車車身零件拼焊板設(shè)計方法研究博士論文

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1、上海交通大學(xué)博士學(xué)位論文基于耐撞性仿真的轎車車身零件拼焊板設(shè)計方法研究姓名：施欲亮申請學(xué)位級別：博士專業(yè)：車輛工程指導(dǎo)教師：林忠欽;朱平20080601主海交遴大學(xué)媾±學(xué)位論文基于耐撞性仿真的轎車車身零件拼焊板設(shè)計方法研究摘要減輕汽車質(zhì)量以降低燃油消耗和減少排放污染是2l世紀汽車發(fā)展的核心問題。由于拼焊板結(jié)構(gòu)具有減輕重量、減少零件數(shù)量、提高材料利用率和提高結(jié)構(gòu)性能等優(yōu)點，在汽車車身的輕量化設(shè)計中，利用拼焊板結(jié)構(gòu)替代傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為主要方法之一。但是西前的零件拼焊板設(shè)計主要依賴于專家經(jīng)驗或以參照為

2、主，缺乏相關(guān)方面的定性或者定量的設(shè)計方法研究，因此為拼焊板結(jié)構(gòu)在車身零件上的應(yīng)用，汗展拼揮板車身零件輕量佬設(shè)計方法研究具有重要的意義和應(yīng)用價值。汽車零件的拼焊板輕量化設(shè)計絕不能以犧牲其關(guān)鍵力學(xué)性能為代價，尤其是關(guān)乎乘員安全的汽車耐撞性，而耐撞性數(shù)值仿真技術(shù)是汽車開發(fā)過程中不可缺少的重要工具。為了使得耐撞性數(shù)值仿真手段能夠快速、精確地指導(dǎo)拼焊板設(shè)計，本文首先對耐撞性數(shù)值仿真的關(guān)鍵技術(shù)進行了研究，提供了精確、高效的分析模型基礎(chǔ)，為耐撞性數(shù)值仿真正確指導(dǎo)零件拼焊板設(shè)計輕量化提供了保證。在此基礎(chǔ)上分別以

3、車身薄壁梁結(jié)構(gòu)部件和板殼結(jié)構(gòu)部件作為分析對象，進行了拼焊板輕量化設(shè)計方法研究，提出了綜合考慮零件強度、彎曲囂l度、扭轉(zhuǎn)剮度、吸能能力和材料成本的薄壁粱零件拼焊板輕量化設(shè)計方法，以及綜合考慮整車耐撞性能、零件強度、剛度和自然頻率的板殼零件拼焊板輕量化設(shè)計方法，并將所形成的方法應(yīng)用于車身具體零件的拼焊板輕量化設(shè)計。主要研究內(nèi)容及結(jié)論如下：1．汽車耐撞性數(shù)值仿真的關(guān)鍵技術(shù)研究重點研究了基于汽車碰撞仿真的點焊連接關(guān)系模擬以及網(wǎng)格規(guī)模控制方法研究。針對已有方法的不足，引入彈一塑性梁接觸模型來模擬點焊連接關(guān)

4、系，對比分析了以剛性梁和彈～塑性梁接觸模型來模擬點焊在沖擊過程中對于失效判斷的穩(wěn)定性和可靠性，仿真解析結(jié)果表鞠彈一塑性梁接觸模型更適合于模擬點焊沖擊行為。從溺格規(guī)?？刂频慕嵌?，提出了徐交區(qū)域網(wǎng)格布置方法和CPU計算時間控制方程，并通避正碰仿真試驗，驗證了結(jié)合以上兩種手段進行整車模型嬲格規(guī)摸控制在提高計算效率的同時并不減少計算精度，證明了該方法的可行性。2?；谄嚺鲎卜抡娴钠春赴搴缚p有限元模型建立針對隧前沒有合適的焊縫有限元模型來模擬拼焊板焊縫在汽車碰撞過程中的力學(xué)行為，提出了雙層梁模型來模擬焊

5、縫。采用不同建模技術(shù)，基于單軸拉伸仿真和摘要碰撞仿真對拼焊板焊縫有限元模型進行研究，進行了與汽車碰撞有關(guān)的失效位置、變形和吸能等方面的精度影響分析。結(jié)果顯示，不同的建模方式在有限元仿真中將對各種結(jié)果產(chǎn)生菲常敏感的影響，從而證明了拼焊板焊縫模型研究的重要性。通過仿真與實驗結(jié)采的比較與分析，驗證了本文所提出的雙層梁焊縫模型相對于現(xiàn)有的其它焊縫模型更合理。3．車身薄壁梁零件的拼焊板輕量化設(shè)計方法研究基予力學(xué)基本原理，推導(dǎo)了拼焊板薄壁梁的強度、彎益剛度、扭轉(zhuǎn)剛度和吸能能力輕量化控制方程。利用乘子罰函數(shù)方

6、法進行拼焊板薄壁梁優(yōu)化設(shè)計求解并提出了薄壁梁零件的拼焊板輕量化設(shè)計方法。在此基礎(chǔ)上以汽車前縱梁作為范例進行拼焊板輕量化設(shè)計，首先進行零件的分塊設(shè)計和材料的初選，然后根據(jù)所建立的輕量化方程對零件的厚度和材料進行約束控制，利用乘子罰函數(shù)方法獲得優(yōu)化結(jié)果并綜合考慮質(zhì)量和材料成本進行設(shè)計方案評價，最后對選取的輕量化方案進行了耐撞性數(shù)值仿真，驗證了輕量化設(shè)計方法的可行性。4．車身板殼零件的拼焊板輕量化設(shè)計方法研究從泛化能力的角度，對比了響應(yīng)面方法(RSM)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)兩種近似模擬方法對于拼焊板

7、設(shè)計中不同響應(yīng)的擬和效果。分析結(jié)果表明，RSM更適合于拼焊板設(shè)計中簡單響應(yīng)(零件質(zhì)量、剛度、自然頻率)的模擬，而ANN則對于耐撞性響應(yīng)有著雯大的優(yōu)勢。對板殼典型零件車門內(nèi)板進行實例設(shè)計，以零件質(zhì)量和側(cè)碰安全性能作為優(yōu)化遐標，以強度、剛度和自然頻率作為優(yōu)化約束，利用權(quán)重系數(shù)遺傳算法進行了多目標優(yōu)化計算，實現(xiàn)了車門內(nèi)板的拼焊板輕量化設(shè)計，在此基礎(chǔ)上提出集有限元數(shù)值模擬、近似模擬技術(shù)和遺傳算法于一體的板殼拼焊板輕量化設(shè)計方法。本文對基于汽車碰撞的幾個關(guān)鍵CAE技術(shù)進行了研究，目的在于提高CAE仿真精度

8、和計算效率，為車身零件的拼焊板輕量化設(shè)計提供準確、快速的模型基礎(chǔ)；根據(jù)薄壁梁和板殼零件不同的結(jié)構(gòu)特點提出了兩種不同類型的拼焊板輕量化設(shè)計方法，對拼焊板結(jié)構(gòu)在車身上的應(yīng)用具有很好的借鑒作用。關(guān)鍵詞：拼焊板結(jié)構(gòu)、輕量化、有限元方法、耐撞性、優(yōu)化設(shè)計、車身零件Il上海交遴大學(xué)簿圭學(xué)位論文STUDYONTHEDESIGNMETHODOFAUTOMOTIVEl諼RTSWITHTAlLOR．WELDEDBLANKSBASEDONCRASHWORTHINESSSIMULATIONABSTRACTReducti