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原文传递多材料车身轻量化选材与概念设计方法研究

论文题名：	多材料车身轻量化选材与概念设计方法研究
关键词：	汽车多材料车身;轻量化设计;力学性能;仿真分析
摘要：	汽车轻量化是节能减排，实现“碳达峰”与“碳中和”的重要举措；也是提升汽车经济性、动力性和制动性能关键技术路径之一，受限于结构NVH特性与抗撞性的影响。车身质量约占汽车整备质量的30%-40%，车身轻量化是汽车轻量化的重要组成部分。以高强度钢、铝合金、碳纤维复合材料为代表的高强、轻质材料在汽车车身上的混合使用，是未来车身轻量化的发展方向。然而，多材料车身轻量化正向开发是一项涉及车身不同部位零部件选材、车身梁骨架概念设计与异种材料连接的复杂工程，尚未建立起系统性的多材料车身正向开发设计方法。因此，多材料车身轻量化选材、车身梁骨架概念设计以及车身梁骨架结构-连接-性能优化匹配，是多材料车身正向开发的共性关键技术，也是未来汽车车身轻量化的研究热点和难点。　　本文以某小型乘用车车身作为研究载体，针对未来汽车车身零部件多材料用材的结构特点，重点开展了结构力学性能驱动的多材料车身轻量化选材决策方法、多材料车身梁骨架概念设计方法与多材料概念车身梁骨架结构-连接-性能多维度协同优化方法研究。根据多材料车身梁骨架轻量化选材、概念设计与多目标优化结果，研制了概念车身梁骨架前端结构样件，并在第三方检测机构进行了正碰试验测试，验证了优化结果的可信性。论文的主要研究内容概述如下：　　首先，以某量产小型乘用车作为对标车，建立了对标钢制白车身有限元模型，搭建了对标整车100%正面碰撞与侧面碰撞有限元模型，并通过实车碰撞试验验证了所建有限元模型的准确性。仿真分析了对标钢制车身的弯曲刚度、扭转刚度、一弯一扭模态频率、正碰与侧碰结构抗撞性能，并提取了相关评价指标作为后续多材料概念车身正向研发技术目标。　　接着，提出了一种结构力学性能驱动的多材料车身轻量化选材决策方法。该选材决策方法包含三个子系统：1）建立了多材料车身轻量化选材决策准则。针对车身薄壁梁的线弹性小变形与塑性大变形两个范畴内的力学性能，分别采用数值解析法，分析了结构弯扭刚度、弯扭强度、轴向平均压溃力、横向失稳弯矩或失稳力，关于结构质量、断面形状、尺寸参数以及材料属性之间的内在关联机制，进而分别建立了六种结构力学性能驱动的轻量化材料指数联合材料价格作为选材决策准则。2）提出了耦合层次分析与模糊层次分析的车身轻量化选材质量功能展开赋权方法。使用该方法确定了车身不同位置零部件的力学性能设计要求，进而求解多材料车身轻量化选材决策准则的权重。3）采用灰色关联分析对车身零部件备选材料综合性能进行多准则决策，确定出最佳的车身零件材料。以车身前纵梁轻量化选材为例，对所提方法的具体应用进行了详细论述与选材效果评价与验证。　　其次，提出了一种多材料车身梁骨架概念设计方法。建立了概念车身梁骨架简化结构有限元模型，应用所提选材决策方法实现了概念车身梁骨架不同部位零部件的轻量化选材。接着，重点研究了多材料概念车身薄壁梁复杂断面设计方法，提出了一种多材料概念车身薄壁梁复杂断面多层次匹配优化设计方法。第一层，优化了概念车身薄壁梁简化断面，迅速满足了概念车身梁骨架性能设计要求；第二层，针对不同材质结构的成型工艺特点，建立了钢制薄壁梁复杂断面形状库，通过多工况联合拓扑优化设计，确定了铝制薄壁梁复杂断面形状，求解了薄壁梁复杂断面力学特性，以断面力学特性为桥梁，破解了多材料概念车身薄壁梁简化断面向复杂断面匹配转换的难题；第三层，建立了比例向量控制的复杂断面精细优化方法，通过节点坐标旋转比例缩放实现了复杂断面形状改变的数字化精准控制，提供了复杂断面轻量化优化设计的新途径。通过多层次递进式的断面匹配转换与优化，完成了多材料复杂断面薄壁梁设计，进而搭建了概念车身梁骨架模型并进行了性能分析。所建立的具有实际复杂断面的多材料概念车身梁骨架，相较初始多材料概念车身梁骨架，质量降低了8.4kg，减重比达6.9%，且多材料概念车身梁骨架弯扭刚度、一弯一扭模态频率、正碰与侧碰抗撞性能指标均满足设计要求，验证了所提方法的有效性。　　然后，完成了多材料概念车身梁骨架结构-连接-性能多维度协同优化设计。采用理论分析、仿真计算与试验测试等方法，研究了异种材料自冲铆接（Self-piercing riveting,SPR）接头力学性能与失效机理，建立了概念车身梁骨架中异种材料结构SPR接头简化模型。提出了铆钉集合编码技术，解决了SPR接头参数在优化过程中无法自动更新的问题，并综合运用模型参数化与网格变形技术构建了概念车身梁骨架参数化多目标优化模型。采用贡献度分析与试验设计相结合筛选出了优化设计变量。构建了概念车身梁骨架RBFNN-Kriging混合代理模型，联合NSGA-II优化算法，完成了概念车身梁骨架结构-连接-性能多维度自动迭代优化，获得了Pareto前沿。最后，采用AHP-TOPSIS法对Pareto前沿进行数据挖掘，选取了最佳优化方案。结果表明，优化后的概念车身梁骨架弯扭刚度分别提升了10.47%、5.89%，一弯一扭模态频率分别提升了0.56%、4.26%，侵入速度与冲击加速度有增有减，多个关键位置处正碰与侧碰侵入量降低了10%左右。多材料概念车身梁骨架最终质量为116.8kg，相较同尺寸对标车身梁骨架质量145.5kg降低了28.6kg，实现减重19.7%，取得了显著轻量化效果。　　最后，将优化后的最佳设计变量重新赋予到概念车身梁骨架有限元模型，并对其进行了基本静、动态性能、正碰与侧碰抗撞性能的仿真分析，性能指标均完全满足设计要求。根据多材料概念车身梁骨架轻量化选材、复杂断面设计和多目标优化结果，研制了概念车身梁骨架前端结构样件，并进行了100%重叠刚性墙正面碰撞试验。通过将前端结构正面碰撞仿真分析结果与试验结果进行对比评价，验证了本文所提出的多材料车身轻量化选材决策方法、薄壁梁复杂断面多层次匹配优化设计方法与概念车身梁骨架结构-连接-性能多维度协同优化设计方法的有效性。
作者：	李慎华
专业：	车辆工程
导师：	王登峰
授予学位：	博士
授予学位单位：	吉林大学
学位年度：	2022