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原文传递基于UGF的CFRP防撞梁结构可靠性设计优化

论文题名：	基于UGF的CFRP防撞梁结构可靠性设计优化
关键词：	汽车防撞梁;碳纤维增强复合材料;可靠性设计;结构优化;通用生成函数
摘要：	汽车数量不断增加会导致消耗的能源增多以及环境污染问题，为了解决能源问题和环境问题，有关汽车轻量化的研究越来越多。防撞梁作为重要的汽车零部件，对其进行轻量化研究是大势所趋。同时汽车防撞梁作为重要的碰撞件，其耐撞性直接关系到汽车整体的安全性，也需对其进行深入研究。在实际工程中，在尺寸，外力载荷和材料方面以及工艺制造等环节，往往会出现大量不确定因素，在设计优化时，若不考虑这些不确定因素，则会使优化方案缺乏可靠性，从而失去可行性，汽车的安全性也得不到保障。本文以汽车复合材料防撞梁为研究对象，针对传统矩方法处理随机变量非正态、功能函数非线性的问题时无法得到精确优化结果这一问题，在防撞梁可靠性设计优化中引入通用生成函数（UniversalGeneratingFunction,UGF）法进行可靠性分析。研究内容如下：　　（1）引入不受随机变量非正态、功能函数非线性影响的UGF法对防撞梁进行可靠性分析，通过与传统矩法和蒙特卡罗法进行对比分析，在处理复杂的实际问题时UGF法有着独特的优势。同时对UGF法在处理随机变量较多的实际工程问题时易产生组合爆炸问题，提出了非均匀聚类技术，通过对取值概率高的点以及靠近极限状态面附近的点进行加权，使设计点更加容易被选取且离极限状态面较近，之后以此点为聚类中心进行聚类，可确保求解的精度以及效率。　　（2）以复合材料防撞梁为对象，同时对结构与材料两个方面进行考虑，以防撞梁轮廓曲线控制点横坐标和铺层角度为设计变量，以复合材料的失效准则为约束，以保证防撞梁可靠度的前提下降低防撞梁质量为目的。结合正交试验设计法和响应面法，对防撞梁进行静强度结构可靠性设计优化。引入通用生成函数法（UGF）来进行可靠性分析。根据结果可得：在保证可靠度的前提下，减少了防撞梁的质量。其目标值降幅为17.2%。　　（3）根据国内GB17354-1998碰撞标准，以防撞梁轮廓曲线控制点横坐标、厚度以及复合材料铺层角度为设计变量，以防撞梁碰撞力峰值作为约束条件，以最大化比吸能为目标，对防撞梁进行碰撞可靠性设计优化。结合拉丁超立方试验设计方法与Kriging代理模型，对防撞梁进行碰撞可靠性设计优化。根据结果可得：引入UGF法进行可靠性设计优化在随机变量非正态、功能函数非线性的情况下可以得到准确的结果，防撞梁的比吸能提高21.6%。　　本文将UGF可靠性分析法引入汽车防撞梁可靠性设计优化中，并采用非均匀聚类技术在确保计算精度的同时进一步提高计算效率。通过4个算例验证非均匀聚类技术在应对功能函数高度非线性以及随机变量非正态问题时的效率和精度。使用UGF进行可靠性设计优化相较于传统矩法能够保证计算精度和收敛稳定性，相较于蒙特卡罗法能够显著降低计算成本。基于UGF的CFRP防撞梁结构可靠性设计优化方法优势突出。
作者：	刘展鹏
专业：	机械
导师：	周金宇
授予学位：	硕士
授予学位单位：	盐城工学院
学位年度：	2023