详情

原文传递吸能结构拓扑构型优化设计方法研究

论文题名：	吸能结构拓扑构型优化设计方法研究
关键词：	汽车车身;薄壁吸能结构;拓扑构型;优化设计
摘要：	近年来，如何提高薄壁吸能结构的耐撞性和实现其轻量化已成为众多科研人员研究的一个热门课题。然而，目前薄壁吸能结构的耐撞性和轻量化设计大部分基于固定截面构型、等厚均匀设计理念，未考虑材料分布对吸能结构性能的影响。这种研究无法充分发挥吸能结构耐撞性和轻量化的潜力,也不利于开发具有更优异耐撞性能的截面形状。因此，如何合理设计吸能结构的截面形状和材料分布以最大限度地提高其耐撞性是研究者们重点关注的问题。　　基于此，本文围绕车身吸能结构拓扑构型优化设计开展了研究工作，以期为吸能结构拓扑构型设计提供一些有用方法，并且开发一系列新型吸能结构。首先针对吸能结构耐撞性研究中的典型离散优化问题，开发了基于序列正交方法的多目标离散优化策略并成功应用于车身结构的设计中。随后对薄壁吸能结构的拓扑构型优化设计进行了系统研究，针对现有优化方法存在的不足提出了一些改进方案，并进行了车身吸能结构的拓扑构型设计。本论文的工作主要包含以下四部分内容：　　(1)基于序列正交方法的多目标离散耐撞性优化研究：本文首先提出了一种两阶段设计方法(第一步通过多准则决策方法获得最优拓扑构型，第二步基于序列正交方法对其进行离散优化)，并将该方法应用于泡沫填充多胞管耐撞性拓扑构型设计中。又因为许多工程设计问题本质上是一个多变量，多水平的多目标优化问题。因此本文又提出了变步长多目标序列正交设计方法，并运用该方法开展了基于耐撞性的典型吸能结构离散优化研究。　　(2)基于智能算法的吸能结构拓扑构型优化设计：为了更好的优化薄壁吸能结构的截面构型和材料分布，本文提出了基于智能算法的离散拓扑构型优化方法。首先将这种方法应用于多工况条件下多胞薄壁结构的耐撞性研究中，结果表明，该方法可以有效地解决多工况条件下多胞薄壁结构的变厚度分布设计。随后又将这种方法应用于爆炸载荷下加筋板的拓扑构型优化中，得到了一系列具有优异拓扑构型的加筋板。优化后的加筋板具有更合理的材料分布，可以显著提高加筋板的抗爆性能。　　(3)基于代理模型的多胞结构拓扑构型耐撞性优化：针对涉及非线性大变形的多胞结构拓扑构型设计，提出了基于克里金模型的离散优化策略。为了提高代理模型的精度，该策略采用基于非支配关系排序的加点准则对代理模型进行并行加点。首先通过一系列标准测试算例对基于克里金模型的离散优化策略进行了测试。然后将该优化策略应用于多胞拓扑构型优化问题中，分别对九胞管和多胞管进行了离散拓扑构型优化设计。　　(4)基于单元能量的吸能结构拓扑构型设计：为了解决涉及到高度非线性和瞬态动力学的大变量非线性拓扑优化问题，本文提出了一种基于单元能量响应的非线性拓扑优化算法，通过分析工况加载条件下的单元能量响应，实现材料在空间中的合理分布。首先将这种方法应用到变厚度吸能结构的设计中，对多胞管和汽车保险杠进行了变厚度耐撞性拓扑构型设计。结果表明，这种方法在进行变厚度设计方面具有不错的效果。然后又将此方法应用到爆炸载荷下加筋板的拓扑优化设计中，同样取得了很好的效果。
作者：	刘唐英
专业：	机械工程
导师：	孙光永
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