详情

原文传递汽车车身模块化概念设计理论与方法研究

论文题名：	汽车车身模块化概念设计理论与方法研究
关键词：	汽车车身;模块化概念设计;刚度链模型;回传波矩阵法;有限差分法
摘要：	汽车车身的研发是一项非常复杂的工作，通常可以分成：概念设计阶段和详细设计阶段。概念设计阶段需要对车身结构的静态特性、动态特性和耐撞性等进行早期地预测，为后期车身结构的详细设计提供有力的数据支撑，能够有效地减小制造风险和设计时间。然而，在传统的车身结构设计过程中，概念设计阶段能够获得的车身结构数据十分地有限，通常无法进行快速有效的结构性能验证，造成了以竞品车型为参照和工程师经验为主导的车身逆向设计成为了汽车制造企业中主流的设计方法。这种方法导致了车身的结构设计工作量大、可靠性低和周期长等不利因素。因此，在概念设计阶段寻找以结构参数为基础、全局优化为导向及结构性能为目标的正向设计方法对汽车车身的结构设计至关重要。　　本文以实现有效的汽车车身模块化概念设计为目的，对车身模块化概念设计的理论和方法进行了较为深入的研究。将简化的模块化车身模型作为对标车型，根据车身模型的结构特征并结合结构力学分析方法，建立了可行的模块化车身结构刚度链模型，考虑了车身接头柔度的影响，构建了车身接头代理模型。提出了新型的基于灵敏度分析的车身结构优化方法，对多种载荷工况共同作用下的车身结构进行了全局优化计算，实现了轻量化设计。为了促进车身模块化概念设计的研究，开发了相应的车身概念设计软件系统。论文的主要内容如下：　　（1）建立了概念设计阶段的模块化车身结构刚度链模型，实现以全局设计为导向的车身结构性能分析和优化。以简化的模块化车身模型的几何数据为载体，回传波矩阵法和遗传算法为基本分析和优化工具，将实体车身模型转化为由半刚性梁单元模块组成的空间线框模型，并实现车身的静态和动态性能分析及整体结构优化。结构优化以结构性能分析为基础，结构性能分析以结构优化为目标，相辅相成，建立了模块化车身结构刚度链模型，给整体设计为目标的车身结构性能分析和优化提供了可行的工具。　　（2）构建了能够反映柔度特性的车身接头代理模型，提高车身概念模型结构性能分析的准确度。根据车身接头的柔度特性，利用拉丁超立方抽样法提取了多组真实的车身接头样本，并以样本的几何数据为自变量、刚度分析数据为因变量，结合响应面法构建了以三个拉伸弹簧和三个扭转弹簧为基础的车身接头代理模型。将接头代理模型带入到车身结构刚度链模型中，使得在每一次车身结构性能分析和优化的计算过程中都能够准确地利用接头的柔度属性，有效地提高了车身的静态和动态性能分析精度，为建立可行的刚度链模型奠定了基础。同时，也为车身接头性能的研究提供了新的思路。　　（3）提出了新型的基于灵敏度分析的车身结构轻量化优化方法，提高了优化结果的有效性。以车身轻量化设计为目标，分析了白车身结构对轻量化设计的影响因素。以刚度链模型为基础框架，将回传波矩阵法和有限差分法相结合，计算了车身模型中每一根梁单元所包含的设计变量的变化对车身结构性能的影响程度，得到了每种工况条件下梁单元的灵敏度值。根据灵敏度值的大小，通过综合分析确定了每根梁单元在车身轻量化设计中的优化方向，并将梁单元灵敏度的分析结果引入到以遗传算法为基础的车身结构优化模型中，缩小了设计变量在优化计算过程中的寻优空间，降低了优化模型陷入局部最优的可能性，从而提高了优化计算结果的有效性，为车身结构轻量化设计提供了新的研究思路。　　（4）开发了专用于车身模块化概念设计的软件系统，并对比验证了该系统的有效性。以MATLAB提供的面向对象的软件开发平台为基础，对本文中提出的车身刚度链模型，接头代理模型和车身结构优化方法进行了软件实现，开发了一款具有图形用户界面的车身结构分析和优化的工具箱。软件中以车身模型的静态和动态性能值为计算目标，为验证计算结果的有效性，将数学仿真模型和初始的模块化车身模型以及优化的车身模型和初始的模块化车身模型之间的结构性能进行了对比分析，结果显示软件系统能够有效地实现车身结构性能的分析和优化，证实了应用刚度链计算方法进行车身模块化概念设计的可行性。
作者：	刘瑜
专业：	机械工程
导师：	刘子建
授予学位：	博士
授予学位单位：	湖南大学
学位年度：	2019
正文语种：	中文