车身结构轻量化与抗撞性多目标协同优化设计方法研究

车身结构轻量化与抗撞性多目标协同优化设计方法研究
汽车的轻量化和安全性设计是实现汽车节能、环保和安全三大设计发展主题的关键技术手段。

车身轻量化与抗撞性是相互矛盾和相互制约的两个重要性能,车身的轻量化与抗撞性优化设计,是汽车轻量化、安全性设计的重要组成部分和核心关键技术。

作为整车最关键的连接和承载部件,车身的轻量化与抗撞性优化设计须协同考虑车身的各项基本性能,是一项典型的多参数、多约束和多目标的复杂系统工程。

如何系统科学地开展车身的轻量化与抗撞性优化设计是当前汽车行业非常重要的研究课题,研究热点和难点。

目前,已有的研究工作中主要是针对车身单个或小部分零部件的轻量化或抗撞性优化设计居多,而以车身整体为研究对象进行系统地轻量化与抗撞性多目标协同优化设计的研究相对偏少,车身结构的轻量化与抗撞性优化设计仍然缺乏一个系统的设计方法和流程。

其次,现有的针对车身结构进行的轻量化或抗撞性优化设计中,较少考虑了材料成本或其他不确定性因素对优化设计结果的影响,导
致优化设计结果的可行性、可用性不足。

再次,现有的车身结构轻量化或抗撞性多目标优化设计中,并未将多目标优
化设计结果与多准则决策方法进行有效整合,使得多目标最优设计方案的选择常常缺乏一定的理论依据。

据此,本文以某自主品牌轿车车身为研究对象,采用有限元数值模拟和试验验证相结合手段,综合运用灵敏度与贡献度设计变量筛选方法、多目标试验设计方法、多目标优化代理模型方法、多目标优化算法以及多准则决策方法,结合结构-材料-性能-成本一体化优化设计方法,在考虑不确定性因素影响下,从车身零部件和车身总成水平上,对车身结构进行了分批次轻量化与抗撞
性多目标确定性与不确定性优化设计,从而建立了一种完整的车身结构轻量化与抗撞性多目标协同优化设计方法,实现了车身轻量化与抗撞性水平双重提升,解决了车身设计开发中的某些共性和关键问题,具有重要的理论方法意义和工程应用价值。

本文主要开展了以下几个方面的研究工作并得出了如下相关结论:(1)综述了当前车身轻量化与抗撞性优化设计领域的国内外研究现状,归纳了当前最主流的的车身轻量化与抗撞性设计技术,总结了现有研究中存在的不足之处,并据此提出了本文的主要研究内容并对本文的章节进行了安排。

(2)对本文涉及的多目标优化设计基础理论与方法,包括多目标试验设计方法、多目标优化代理模型方法、多目标优化算法,尤其是现有多目标优化设计研究中介绍和应用相对较少的多准则决策方法(包括IPM理想点法、熵-TOPSIS法和GRA灰色关联法等)进行了重点详细的介绍。

(3)建立了白车身有限元模型,并通过车身NVH(Noise,Vibration and Harshness)基本性能数值模拟与台架试验,验证了车身有限元分析模型的精度,并提取了车身质量和NVH基本性能优化设计指标。

在此基础上,采用模块化建模方法建立了整车有限元模型,并参照2012版C-NCAP碰撞安全法规,建立了整车100%重叠正面刚性壁障碰撞(简称100%-FRB正碰)、40%重叠正面可变形壁障碰撞(简称40%-ODB偏置碰)和侧面移动可变形壁障碰撞(简称MDB侧碰)有限元分析模型,分析了车身的正面和侧面抗撞性能,并通过实车碰撞试验验证了车身结构抗撞性能有限元分析结果的精度,进而提取了车身结构抗撞性优化设计指标。

(4)提取车身关键零部件之一的吸能盒作为研究对象,首先考虑了实际车辆碰撞工况中冲击角度不确定因素的影响,建立了吸能盒多角度冲击抗撞性分析模
型并进行了试验验证,从而对其初始抗撞吸能特性进行了详细分析。

然后,为进一步提高其抗撞吸能潜力,采用金属泡沫铝对原始空心薄壁吸能盒进行了填充,并详细分析比较了四种不同填充方式对吸能盒抗撞吸能特性的影响机制。

在此基础上,选取最佳泡沫铝填充吸能盒为研究对象,首先分析了其结构参数(吸能盒内、外板板厚,泡沫铝密度)对其抗撞吸能特性的影响,然后以其结构参数为设计变量,对泡沫铝填充吸能盒进行了轻量化与抗撞性多目标确定性优化设计,并对优化设计结果进行了有效性验证。

(5)仍然以泡沫铝填充吸能盒作为研究对象,主要考虑吸能盒结构参数(内、外板板厚、泡沫铝密度)或材料属性(密度、弹性模量、泊松比以及屈服强度)所具有的内在不确定性,分别采用6-Sigma多目标稳健性优化设计方法和本文提出的Grey-Taguchi(灰度-田口)多目标稳健性
优化设计方法对其进行了轻量化与抗撞性多目标稳健性优化设计,获取了更为可靠、稳健的泡沫铝填充吸能盒优化设计方案并进行了有效性验证。

(6)将上述车身关键零部件(吸能盒)的轻量化与抗撞性多目标不确定性最优设计结果集成到原车身结构,然后以车身总成为研究对象进行轻量化与抗撞性多目标确定性优化设计。

具体如下:首先依据车身总成零部件与车身抗撞性能的关联程度将车身总成零部件划分为正碰&偏置碰安全件、侧碰安全件和非安全件,并制定了相对应的分批次轻量化与抗撞性多目标确定性优化设计策略。

其次,针对车身总成非安全件,结合灵敏度分析方法、RBF代理模型方法、NSGA-II多目标遗传优化算法及IPM多准则决策方法,在考虑车身质量和NVH基本性能的情况下,对其进行了结构-性能一体化轻量化多目标确定性优化设计,并对优化设计结果进行了有效性验证。

再次,针对车身总成正碰&偏置碰安全件,结合贡献度分析方法、RBF-RSM混合代理模型方法、MOPSO多目标粒子群优化算法
及熵-TOPSIS多准则决策方法,在考虑车身质量、NVH基本性能、正面抗撞性能以及安全件材料成本的情况下,对其进行了结构-材料-性能-成本一体化轻量化与抗撞性多目标确定性优化设计,并对优化设计结果进行了有效性验证。

然后,针对车身总成侧碰安全件,结合贡献度分析方法和灰色关联分析法(GRA),在考虑车身质量、NVH基本性能、侧面抗撞性能以及安全件材料成本的情况下对其进行了结构-材料-性能-成本一体化轻量化与抗撞性多目标确定性优化设计,并对优化设计结果进行了有效性验证。

最后,合成上述车身总成非安全件和安全件轻量化与抗撞性多目标确定性优化设计结果,形成了最终车身总成轻量化与抗撞性多目标确定性优化设计方案并进行了有效性验证。

结果表明,车身在基本保证NVH基本性能和材料成本变化不大的前提下实现了轻量化与抗撞性水平双重提升改善效果。

因此,本文对车身结构的轻量化与抗撞性多目标优化设计,包括对车身关键零部件的确定性与不确定性优化设计和对车身总成的确定性优化设计,结果合理有效,从而建立了一种完整的、行之有效的车身结构轻量化与抗撞性多目标协同优化设计方法。