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车门结构多目标可靠性优化设计的随机有限元法
| 论文题名： | 车门结构多目标可靠性优化设计的随机有限元法 |
| 关键词： | 汽车车门;优化设计;稳健性;可靠性;随机有限元法 |
| 摘要： | 工程结构中广泛存在着依赖空间位置的随机性，这些不确定性因素对于结构的安全性能和服役状态有着很大的影响，因此，基于随机性有限元分析的结构优化研究引起了广大学者的关注。本文讨论了Galerkin多项式的随机场的离散理论数值方法，并结合Kirchhoff-Mindlin板理论，围绕汽车车门结构轻量化的问题，开展随机有限元动力分析，并在此基础上进行了稳健性与可靠性优化设计。论文的主要研究内容包括以下三方面: (1)随机场的表征离散化 针对二维空间中的随机场，文中用K-L级数法对变量进行离散化，对随机场的积分特征方程用高阶多项式单元的Gakerkin数值方法求解。在车门结构的数值案例中，实现了在不同的协方差函数类型下高斯型随机场的研究，并对比分析随机场均值和标准差的误差大小。此外，还探究了处理二维非高斯型随机场的数值方法，较好的实现了未知参数分布下的非高斯型随机场。 (2)车门的随机动力学有限元分析 结合Kirchhoff-Mindlin平面板理论，并基于随机场不确定性因素的条件下，进一步推导了随机场的结构有限元模型的单元矩阵表达式，得到了自由振动模态振型及其位移频率响应的动力方程。对车门几何模型参数化建模并进行映射网格划分，利用单元位置和节点坐标等内容，开展车门复杂结构的随机动力有限元分析，包括自由模态下的模态频率、振型和强迫振动下的谐响应的分析，以及研究了受外载荷下的静应力分布及刚度的大小，对随机动力响应进行不确定性下的均值估计，为结构的优化设计作进一步指导。 (3)稳健性优化设计与可靠性优化设计 对车门零部件厚度进行灵敏度分析，将对车门性能影响较大的板件厚度作为优化设计变量。在车门结构多目标优化模型的建立过程中，利用了拉丁超立方试验设计(DOE)、随机场离散(K-L)、响应面模型(RSM)、优化算法(SQP&GA)和蒙特卡洛模拟(MCS)等技术。将结构中的板厚、材料的弹性模量和密度等随机参数的变异性引入到优化分析中，从确定性优化和随机性优化角度对各部件的厚度进行优化设计，从而提高了设计变量的可靠性和目标函数的稳健性。 |
| 作者： | 梁海滨 |
| 专业： | 机械工程 |
| 导师： | 张旭方 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 东北大学 |
| 学位年度： | 2018 |
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