汽車車身結構概念設計關鍵技術研究.pdf

1、隨著我國汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展,中國已經(jīng)成為汽車制造大國,但是由于自主研發(fā)能力的欠缺,還遠不是汽車強國。汽車車身開發(fā)在汽車研發(fā)體系中占有主導地位,它是提高我國汽車自主設計水平的重要突破口和核心競爭力。作為車身研發(fā)水平的重要體現(xiàn),車身研發(fā)周期、車身質量、車身重量和成本一直是各大汽車廠商重點關注的目標。為了進一步縮短車身研發(fā)周期、提高車身質量、降低車身重量和成本,并行工程CE(Concurrent Engineering)在車身研發(fā)中得到了快速

2、而廣泛的應用,而概念設計階段正是并行工程能否成功實施的關鍵環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的車身研發(fā)模式下,由于概念設計階段產(chǎn)品信息不完備,結構工程師較難建立詳細的車身結構模型,只能根據(jù)經(jīng)驗進行一些試探性的設計工作,盲目性較大；缺乏結構工程師提供的數(shù)模輸入,CAE仿真工程師往往也不能進行有效的分析和優(yōu)化工作。這樣就導致結構工程師既得不到有效的虛擬仿真支持,CAE仿真工程師也浪費了大量的時間來等待車身數(shù)模的輸入,各個部門之間沒有有效的溝通交流,在開發(fā)的前期階段

3、很難考慮到后續(xù)設計環(huán)節(jié),這實際就形成了順序開發(fā)的模式。
　　 針對車身概念設計階段順序開發(fā)的問題,本著并行工程“盡早開始工作”和“多領域共同參與”的思想,只有在車身概念設計階段就展開有效的仿真分析和優(yōu)化工作,加強各個部門的合作交流,強調整體目標的最優(yōu)化,實現(xiàn)車身開發(fā)的并行工程,才能達到縮短車身研發(fā)周期、提高車身質量、降低車身重量和成本的目的。針對汽車車身結構的概念設計階段,本文完成了車身概念模型參數(shù)優(yōu)化設計、車身關鍵截面生成優(yōu)化

4、、車身關鍵接頭結構優(yōu)化設計、車身疲勞壽命分析優(yōu)化設計等幾個方面的工作,本文的主要創(chuàng)新點包括:
　　 (1)在汽車概念設計階段,提出了_種基于真實接頭的車身概念有限元模型(簡稱ZJ)。該模型是根據(jù)車身總布置尺寸等相關信息,調用車身關鍵截面特性數(shù)據(jù)庫和車身真實接頭數(shù)據(jù)庫中相似車型的數(shù)據(jù),以梁單元和真實接頭模型為主體并輔以大尺寸殼單元構成。在車身開發(fā)的初期階段,將ZJ中關鍵截面等效厚度和真實接頭中的加強板厚度作為變量,通過靈敏度分析找

5、出了對接頭強度和車身扭轉剛度影響最大的變量作為設計變量。利用拉丁方試驗設計方法對ZJ進行樣本數(shù)據(jù)設計,然后采用移動最小二乘響應面方法構建了其扭轉剛度和強度近似模型。應用連續(xù)二次規(guī)劃優(yōu)化方法對近似模型進行尋優(yōu),在滿足車身扭轉剛度和車身強度的前提下,減輕了車身的重量。通過算例證明,ZJ是一種易于構建、修改方便且滿足工程應用精度要求的車身概念有限元模型。
　　 (2)提出了一種面向設計的車身關鍵截面形狀生成與優(yōu)化方法。該方法根據(jù)概念設

6、計階段的車身造型、內部空間以及總布置等方面的尺寸約束條件,同時考慮截面飯金件沖壓成型等方面的形狀約束要求,采用螞蟻行進的路線來模擬截面生成的過程。采用網(wǎng)格法思想將截面設計的可行域離散為若干節(jié)點,通過節(jié)點來控制截面的形狀,基于蟻群優(yōu)化算法建立了相關的數(shù)學模型并編制了相應的程序。通過某車型門檻梁截面的算例驗證了方法的有效性與實用性。
　　 (3)在汽車概念設計階段,針對車身中常見且較為重要的T型接頭提出了一種快速優(yōu)化思路和方法。該方

7、法根據(jù)T型接頭的結構特點,將接頭劃分為3個分支區(qū)域、3個過渡區(qū)域和1個本體區(qū)域,并建立7個相應的六面體作為各區(qū)域的控制體,通過六面體頂點的位置變化來實現(xiàn)各區(qū)域結構尺寸的關聯(lián)變化。首先提取車身剛度和整車強度分析工況下接頭的邊界載荷,然后利用拉丁方試驗設計方法對接頭有限元模型進行樣本數(shù)據(jù)設計,采用移動最小二乘響應面方法構建了接頭的近似優(yōu)化模型。將接頭中3個分支區(qū)域的整體尺寸和零部件厚度作為設計變量,并且保證了本體區(qū)域的尺寸隨3個分支區(qū)域的尺

8、寸關聯(lián)變化,應用遺傳優(yōu)化方法對近似模型進行尋優(yōu),在實現(xiàn)接頭輕量化的前提下,大大提高了接頭的剛度和強度。
　　 (4)在汽車概念設計階段,基于虛擬道路試驗場首次建立了以ZJ為核心且包含車輛懸架和輪胎的整車耐久性分析模型。該模型考慮了系統(tǒng)中各種結構和材料的非線性情況,以虛擬路面為基礎,對整車系統(tǒng)進行瞬態(tài)響應分析,以獲得車身結構較為準確的動態(tài)應力應變歷程,在汽車設計的早期階段實現(xiàn)了對車身關鍵區(qū)域的疲勞壽命分析與優(yōu)化。最后以某車型的C柱