详情

原文传递 S型框架结构的耐撞性优化设计

论文题名：	S型框架结构的耐撞性优化设计
关键词：	汽车工程;S型框架车架;优化设计;耐撞性
摘要：	在车辆设计领域的一个重要问题是如何降低车身的重量和提高车身的碰撞安全性，以及增加乘员的安全性。车辆碰撞安全性的要求集中体现在保持车辆乘员室结构完整性的同时，依赖于车身结构的最大吸能特性。在确保乘员的有限生存空间极小缩减时，为了保证车辆的结构轻巧及吸收碰撞能量的性能，调查S形车架纵梁的碰撞行为以减少其峰值力并提高其比吸能十分重要。本论文的目的是以适当的内部加固方式改善S形车架纵梁并实现最佳结构设计。此外，发展了合适的优化方法提高结构的能量吸收能力。因此，本论文的主要工作与创新点包括下列三个方面：　　首先，针对受轴向动态加载的S形框架结构，发展了多角加强框架（MRF）及其基于多目标粒子群优化（MOPSO）算法的优化设计。内部硬化的方法是广泛使用的截面增强方法之一。特别是，对于直梁结构，左单斜线增强结构显示了高的比吸能。然而，对于 S形框架结构，左单斜线增强方法难以防止或延缓弯曲崩溃，这会导致低能量吸收效率。为提高结构内部硬化方法的效果，提出了多对角加筋框架（MRF）设计及其耐撞性多目标优化设计。在此优化算法中，内加强筋的厚度和壁厚被选择作为设计变量，结构的比吸能（SEA）和峰值压缩力（PCF）被选择作为优化目标。在优化过程中，首先，全因子设计方法用于在设计空间中采取样本点。然后，相应的内部加强的S形框架结构的SEA和PCF通过采用非线性有限元软件LS-DYNA得到。基于这些采样点的信息，多项式函数用来构建SEA和PCF两个最优目标的代理模型。通过比较这些代理模型的准确性，发现SEA和PCF的四阶多项式函数代理模型是最准确的。根据准确的SEA和PCF的代理模型，利用多目标粒子群优化算法（MOPSO）算法对内部加强S形框架结构的耐撞性进行了多目标优化。　　第二，提出了在轴向动态载荷作用下的泡沫填充S形框架的优化设计方案。超轻金属泡沫填充方法是强化S形框架构件的有效方法之一。由于薄壁和泡沫填充物之间的接触特性和泡沫填充物的塑性溃变特性，金属泡沫填充物不仅可以提供高轻量化的优点，同时也可以增加S形框架结构的能量吸收效率。另外，能量吸收被认为是高度依赖于泡沫的密度，其中所述泡沫体的密度较高，能量吸收亦较高。然而，据报道，泡沫填充结构可以提高能量吸收，但也带来峰值力的增加。为了克服这些缺点，本研究提出了使用局部泡沫填充的S形框架（PFSF）的一种结构内部加强方法，并提出一种基于代理模型和MOPSO算法的局部泡沫填充S形框架结构耐撞性优化设计方法。对于局部泡沫填充的S形框架的优化，薄壁厚度和泡沫密度的被选择作为设计变量，而比吸能（SEA）和峰值压缩力（PCF）被选择作为优化目标。在优化过程中，全因子设计方法首先用于在设计空间中采样。接着，采样点相应的局部泡沫填充S形框架结构的SEA和PCF可以通过采用非线性有限元软件LS-DYNA获得。基于这些采样点的信息，采用多项式函数来构建SEA和PCF两个最优目标的代理模型。在预测SEA和PCF的代理模型中，通过比较这些代理模型的精度，发现三阶多项式函数是最准确的。基于SEA和PCF的精确代理模型，采用MOPSO算法对部分泡沫填充的S形框架结构进行了耐撞性多目标优化。　　第三，对功能梯度泡沫填充梁的弯曲塌陷行为和能量吸收特性进行研究并提出了其优化设计方法。部分或全部的泡沫填充方法是通过使用均匀密度泡沫来填充空芯结构的方法。然而，随着薄壁结构和泡沫密度不同，结构的能量吸收能力变化大。为了获得比均匀密度的泡沫填充空芯结构更好的吸能效果，本研究提出开展研究功能梯度泡沫填充梁（FGFB）的三点弯曲行为的准静态数值模拟。首先，通过LS-DYNA非线性有限元分析，研究相同的重量的FGFBs和均匀的泡沫填充梁（UFBs）的能量吸收特性。计算结果表明控制泡沫体密度的梯度指数参数（m）对结构弯曲影响显著。然后，基于响应面法（RSM）和有限元法（FE），对FGFBs和UFBs进行了优化。在优化设计中，梁的重量（W）被设定为设计目标，梯度指数参数和梁的壁厚（t）被选择为设计变量，并且梁的能量吸收（EA）被设定为设计约束。在优化设计过程中，建立了FGFB和UFB的关于EA和W的三次多项式函数。将优化结果应于S形框架的结构设置，并针对功能梯度泡沫填充S形框架和均匀的泡沫填充S形框架的能量吸收特性进行了比较分析，结果表明前者的能量吸收效果比后者好。总而言之，本论文提出的设计方法和分析结果对于具有能量吸收要求的S形框架的工程设计具有指导意义。
作者：	NGUYEN VAN SY
专业：	运载工程
导师：	文桂林
授予学位：	博士
授予学位单位：	湖南大学
学位年度：	2014
正文语种：	中文