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原文传递商用车多材料驾驶室结构轻量化优化设计方法研究

论文题名：	商用车多材料驾驶室结构轻量化优化设计方法研究
关键词：	商用车驾驶室;轻量化设计;弯扭刚度;结构强度;仿真分析
摘要：	汽车轻量化技术是实现汽车节能减排的重要技术途径，驾驶室作为整车的重要组成部分，其结构降重在整车结构轻量化中占据重要的地位。目前我国商用车驾驶室用材单一，用材强度级别低，与国际同类车型驾驶室相比轻量化水平偏低，且新法规GB26512-2021《商用车驾驶室乘员保护》对驾驶室安全性提出了更高的要求，使得对多材料驾驶室结构正向轻量化设计方法的研究迫在眉睫。但多材料驾驶室的研发和应用是一项涉及性能分析与评价、结构选材、结构设计、连接设计和工艺优化的复杂系统工程，尚未建立起系统性的设计流程，还存在许多关键共性技术尚未解决，其中包括驾驶室复杂零件轻量化快速选材设计、异种材料连接参数对零件及驾驶室性能的影响和驾驶室结构-连接-性能一体化优化设计方法等问题。　　本文以“合适的材料用在合适的位置”为设计理念，原钢制驾驶室白车身为研究对象，提出了综合考虑驾驶室关键零件材料指数、承载、应力、变形和吸能的多材料选材方法，设计出考虑制造工艺的钢/铝多材料驾驶室结构，建立了钢/铝自冲铆连接成形-接头力学性能一体化快速优化设计方法与其简化模型，实现了多材料驾驶室结构-连接-性能一体化多目标轻量化优化设计。论文的主要内容概括如下：　　建立驾驶室白车身全参数化模型。采用隐式参数化技术创建了全参数化驾驶室白车身模型；并通过对比驾驶室固有模态特性、被动安全性仿真和试验的数据结果，验证了隐式全参数化驾驶室白车身模型的有效性，并基于该模型建立了驾驶室弯扭刚度和结构强度仿真分析。为后文的驾驶室结构选材和优化设计奠定基础。　　提出驾驶室零件多材料轻量化选材方法。以薄壁梁拉伸、弯曲小变形和薄壁梁轴向压溃、弯曲大变形为基础，推导了薄壁梁的结构刚度、强度和动态抗撞性能的材料指数。构建了零件级参数与驾驶室整体弯扭刚度、强度之间的关系。提出了动态结构抗撞性与等效静载荷相结合的零件解耦方法，确定了考虑制造工艺的不同零件材料与尺寸对应关系。随后建立了综合考虑选材零件质量和材料成本的价值函数选材评价方法。并通过薄壁梁轴向压溃和三点弯曲冲击试验验证了所建选材方法的准确性，为驾驶室骨架结构选材提供理论指导。　　确定驾驶室骨架结构选材方案和断面结构。考虑驾驶室关键零件承载变形、应力分布和冲击吸能，分析了关键零件的性能需求和关键零件参数变化对驾驶室整体性能的影响，确定出关键零件分类选材方案。然后建立了驾驶室结构刚度、强度性能与零件级选材指标之间的关系。考虑铝合金挤压工艺要求，提出变密度和折衷规划结合的多工况联合拓扑优化方法，确定铝合金选材零件断面结构及尺寸参数。随后根据所建的选材方法确定出各零件的不同选材方案。最后通过价值函数选材评价方法，确定了多材料驾驶室的选材方案及初始结构参数。　　构建驾驶室钢/铝自冲铆连接结构-工艺-性能一体化设计方法与接头简化分析模型。建立了自冲铆连接成形-接头拉拔/剪切/剥离力学性能一体化仿真分析模型，分析了自冲铆成形质量和接头力学性能指标，并通过试验验证了仿真模型的准确性。提出了一种组合序列优化方法，建立了钢/铝异种材料自冲铆连接结构-工艺-性能一体化优化设计方法，确定出最佳的铆接工艺参数，连接性能均得到有效提升。在此基础上，确定了优化后的钢/铝自冲铆连接接头简化模型，并分析了铆钉位置分布对钢/铝零件级力学性能的影响规律，为后文的驾驶室结构优化设计奠定基础。　　提出驾驶室结构-连接-性能一体化多目标轻量化自适应RBFNN优化设计。结合选材后参数化驾驶室白车身模型，考虑驾驶室结构和连接工艺参数作为变量，提出一种改进的灰色关联-TOPSIS 决策方法对该变量进行筛选，确定出多目标优化的设计变量。引入挤压成形工艺要求和用材成本为约束条件，综合考虑驾驶室白车身弯扭刚度、结构强度、固有模态特性和被动安全性能，提出了一种自适应 RBFNN 优化方法并进行驾驶室白车身结构-连接-性能一体化轻量化多目标优化设计，得到了Pareto前沿解。并使用改进的灰色关联-TOPSIS 决策方法确定了综合性能最优的方案。与初始模型相比，轻量化设计后驾驶室质量降低 9.58%。驾驶室各性能的预测最优解与仿真最优解的最大相对误差均在5%以内，从而验证了所提出的自适应RBFNN优化算法对驾驶室结构进行轻量化优化设计是可行且有效的。
作者：	谢冲
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