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原文传递汽车变厚度前纵梁的轻量化和耐撞性设计方法研究

论文题名：	汽车变厚度前纵梁的轻量化和耐撞性设计方法研究
关键词：	汽车工程;变厚度板;前纵梁;耐撞性;轻量化
摘要：	随着我国汽车年产销量的逐年增加，能源危机和环境恶化成为我国汽车产业面临的重要问题。汽车轻量化是解决以上问题的重要途径，然而在实现汽车轻量化的同时必须保证整车碰撞安全性的要求。汽车前纵梁是整车正面碰撞最重要的吸能部件和传力结构，可以说前纵梁结构的设计好坏直接决定着整车正面碰撞安全性能。随着汽车轻量化和碰撞安全性法规的日趋严格，兼顾前纵梁的轻量化和耐撞性设计成为新的研究课题。面对前纵梁轻量化和耐撞性设计的双重压力，将连续变厚度轧制工艺（Tailor-Rolled Blank，TRB）引入前纵梁的结构优化设计成为解决该问题的最佳手段。然而，目前针对TRB前纵梁的轻量化和耐撞性设计还没有形成系统的方法体系，尚存在一系列问题有待解决。　　为了更好的解决变厚度前纵梁的结构设计问题，本论文从TRB前纵梁的基础力学性能、厚度最优分布、基于隐式全参数化技术的 TRB前纵梁截面形状、尺寸和拓扑位置的协同优化以及 TRB前纵梁的多目标系统可靠性优化设计等方面开展了相应的研究工作。通过本论文系统的研究，形成了变厚度前纵梁轻量化和耐撞性设计的理论体系，本文的研究工作和创新性成果主要体现在：　　（1）提出了一种新型 TRB帽型薄壁结构（简称“TRB-TH结构”），并推导了其厚度分布、重量模型和几何约束条件的数学模型，解决了TRB前纵梁吸能缓冲区的结构设计问题。随着几何参数的不断变化，TRB-TH结构可以演变出8种不同类型的变厚度结构，该结构的主要优势在于具有多种灵活变化的厚度分布形式。本文分别从参数研究和多目标优化设计等角度研究了等厚区厚度、过渡区长度和位置等参数对TRB-TH结构的耐撞性和轻量化潜力的影响，并对不同优化问题下TRB-TH结构的最优厚度分布形式和变形模式进行了对比研究。　　（2）进行了 TRB前纵梁功能区域划分，建立了功能区域与等效双梯形波之间的关系，实现了TRB前纵梁碰撞能量管理和TRB前纵梁厚度分布最优化设计。以 TRB前纵梁内板的厚度最优分布问题为研究对象，在 TRB前纵梁的几何约束条件、等效双梯形波以及整车碰撞指标的约束条件下，建立了TRB前纵梁的数学优化方程，利用支持向量回归机技术构建整车正面碰撞动态响应的高精度回归模型，利用人工蜂群算法作为 TRB前纵梁优化设计问题的求解器，首次实现了对TRB前纵梁等厚区厚度、过渡区长度和位置等10个几何参数的优化设计。　　（3）建立了高精度正面碰撞局部参数化子系统模型，实现了 TRB前纵梁截面形状、尺寸和拓扑位置的全参数化建模和优化设计。为了最大程度的实现TRB前纵梁的超轻量化和耐撞性设计，本文从减少前纵梁的零件数量、优化前纵梁内板的厚度分布、截面形状和拓扑位置等四个方面进行 TRB前纵梁的结构设计，利用隐式参数化技术实现了TRB前纵梁截面形状、尺寸和拓扑位置等设计变量的全参数化，搭建了实验设计数据采集全自动化流程框架，利用ε-支持向量回归机技术和非支配排序遗传算法实现了对TRB前纵梁截面形状、尺寸和拓扑位置的协同优化设计。　　（4）提出了一种改进多模式径向基重要抽样方法（MRBIS），该方法结合了重要抽样和径向基重要抽样方法的优点，在分析精度和计算效率方面取得了很好的平衡，成功地解决了变厚度前纵梁多概率约束的系统可靠性分析问题。本文对 TRB前纵梁进行可靠性设计时，把系统可靠性概率作为约束函数，将 MRBIS方法集成于 TRB前纵梁的多目标系统可靠性优化方法（MOSRBDO）中。该MOSRBDO方法采用双循环优化策略，其中外层循环进行确定性优化，内层循环进行系统可靠性分析。利用 MRBIS方法作为多约束问题的系统可靠性求解器，利用 NSGA-II算法作为外层循环的确定性优化求解器，该方法成功解决了 TRB前纵梁的多目标系统可靠性设计问题。研究结果表明：基于 MRBIS方法的MOSRBDO方法相比传统方法在获得相同优化精度的前提下大大地提升了其收敛时间。
作者：	段利斌
专业：	机械工程
导师：	李光耀
授予学位：	博士
授予学位单位：	湖南大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文