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原文传递汽车车身结构概念设计关键技术研究

论文题名：	汽车车身结构概念设计关键技术研究
关键词：	汽车车身;并行工程;概念设计;疲劳寿命
摘要：	随着我国汽车工业的迅猛发展,中国已经成为汽车制造大国,但是由于自主研发能力的欠缺,还远不是汽车强国。汽车车身开发在汽车研发体系中占有主导地位,它是提高我国汽车自主设计水平的重要突破口和核心竞争力。作为车身研发水平的重要体现,车身研发周期、车身质量、车身重量和成本一直是各大汽车厂商重点关注的目标。为了进一步缩短车身研发周期、提高车身质量、降低车身重量和成本,并行工程CE(Concurrent Engineering)在车身研发中得到了快速而广泛的应用,而概念设计阶段正是并行工程能否成功实施的关键环节。传统的车身研发模式下,由于概念设计阶段产品信息不完备,结构工程师较难建立详细的车身结构模型,只能根据经验进行一些试探性的设计工作,盲目性较大；缺乏结构工程师提供的数模输入,CAE仿真工程师往往也不能进行有效的分析和优化工作。这样就导致结构工程师既得不到有效的虚拟仿真支持,CAE仿真工程师也浪费了大量的时间来等待车身数模的输入,各个部门之间没有有效的沟通交流,在开发的前期阶段很难考虑到后续设计环节,这实际就形成了顺序开发的模式。　　针对车身概念设计阶段顺序开发的问题,本着并行工程“尽早开始工作”和“多领域共同参与”的思想,只有在车身概念设计阶段就展开有效的仿真分析和优化工作,加强各个部门的合作交流,强调整体目标的最优化,实现车身开发的并行工程,才能达到缩短车身研发周期、提高车身质量、降低车身重量和成本的目的。针对汽车车身结构的概念设计阶段,本文完成了车身概念模型参数优化设计、车身关键截面生成优化、车身关键接头结构优化设计、车身疲劳寿命分析优化设计等几个方面的工作,本文的主要创新点包括: 　　 (1)在汽车概念设计阶段,提出了_种基于真实接头的车身概念有限元模型(简称ZJ)。该模型是根据车身总布置尺寸等相关信息,调用车身关键截面特性数据库和车身真实接头数据库中相似车型的数据,以梁单元和真实接头模型为主体并辅以大尺寸壳单元构成。在车身开发的初期阶段,将ZJ中关键截面等效厚度和真实接头中的加强板厚度作为变量,通过灵敏度分析找出了对接头强度和车身扭转刚度影响最大的变量作为设计变量。利用拉丁方试验设计方法对ZJ进行样本数据设计,然后采用移动最小二乘响应面方法构建了其扭转刚度和强度近似模型。应用连续二次规划优化方法对近似模型进行寻优,在满足车身扭转刚度和车身强度的前提下,减轻了车身的重量。通过算例证明,ZJ是一种易于构建、修改方便且满足工程应用精度要求的车身概念有限元模型。　　 (2)提出了一种面向设计的车身关键截面形状生成与优化方法。该方法根据概念设计阶段的车身造型、内部空间以及总布置等方面的尺寸约束条件,同时考虑截面饭金件冲压成型等方面的形状约束要求,采用蚂蚁行进的路线来模拟截面生成的过程。采用网格法思想将截面设计的可行域离散为若干节点,通过节点来控制截面的形状,基于蚁群优化算法建立了相关的数学模型并编制了相应的程序。通过某车型门槛梁截面的算例验证了方法的有效性与实用性。　　 (3)在汽车概念设计阶段,针对车身中常见且较为重要的T型接头提出了一种快速优化思路和方法。该方法根据T型接头的结构特点,将接头划分为3个分支区域、3个过渡区域和1个本体区域,并建立7个相应的六面体作为各区域的控制体,通过六面体顶点的位置变化来实现各区域结构尺寸的关联变化。首先提取车身刚度和整车强度分析工况下接头的边界载荷,然后利用拉丁方试验设计方法对接头有限元模型进行样本数据设计,采用移动最小二乘响应面方法构建了接头的近似优化模型。将接头中3个分支区域的整体尺寸和零部件厚度作为设计变量,并且保证了本体区域的尺寸随3个分支区域的尺寸关联变化,应用遗传优化方法对近似模型进行寻优,在实现接头轻量化的前提下,大大提高了接头的刚度和强度。　　 (4)在汽车概念设计阶段,基于虚拟道路试验场首次建立了以ZJ为核心且包含车辆悬架和轮胎的整车耐久性分析模型。该模型考虑了系统中各种结构和材料的非线性情况,以虚拟路面为基础,对整车系统进行瞬态响应分析,以获得车身结构较为准确的动态应力应变历程,在汽车设计的早期阶段实现了对车身关键区域的疲劳寿命分析与优化。最后以某车型的C柱上接头为例,在概念设计阶段采用数值模拟方法对该接头结构进行了疲劳寿命分析和优化,并通过实车道路试验验证了该方法的有效性。
作者：	宋凯
专业：	车辆工程
导师：	钟志华
授予学位：	博士
授予学位单位：	湖南大学
学位年度：	2010
正文语种：	中文