梯度薄壁結構設計方法及其在車身設計中的應用.pdf

1、近年來，車身輕量化結構設計已經成為汽車發(fā)展的核心問題，在眾多的輕量化結構中，有一類性能優(yōu)良的薄壁結構，其材料等級或者厚度屬性具有某種離散或連續(xù)梯度分布形式，比如激光拼焊板結構和連續(xù)變厚度結構等。理論上來講，梯度特性可以使工程師們根據不同典型結構的性能特點和要求定制出特定的車身零部件，進而使結構設計在最大程度上達到“剛柔并濟”、“軟硬兼施”。與傳統(tǒng)均質結構相比，梯度薄壁結構在未來汽車輕量化的實踐開發(fā)中必將發(fā)揮其重要的作用。目前的梯度結構設

2、計主要依賴于經驗或不斷的“試錯”，還處于起步階段，缺乏有效的設計方法研究。為了更好地了解梯度薄壁結構的基本特性以便快速、準確地指導其輕量化設計，并進一步使得梯度結構能夠在車身零部件上得到廣泛的應用，開展車身梯度結構的輕量化設計方法研究具有重要的工程意義和應用價值。
　　為此，本文對激光拼焊板結構和連續(xù)變厚度結構在車身設計方法中涉及到的諸如焊縫參數(shù)反求、焊縫位置布局以及材料匹配等關鍵工程問題進行了研究，旨在為車身結構設計提供有力支持

3、。首先研究了拼焊板結構焊縫材料參數(shù)識別設計方法;并對其焊縫布局進行合理優(yōu)化設計;研究了在安全性能目標要求下的拼焊板結構的材料匹配設計方法;最后對連續(xù)變厚度管尤其是厚度冪指數(shù)分布管狀結構進行了優(yōu)化設計和參數(shù)分析。基于此思路，本論文開展和完成了以下研究工作:
　　(1)基于試驗、仿真和計算反求等技術手段提出了拼焊板結構焊縫材料參數(shù)識別設計方法。給出了基于壓痕試驗和數(shù)字圖像相關技術的微米級尺度材料參數(shù)識別方法，沿著焊縫寬度方向選取若干點

4、進行壓痕測試，并建立基于冪指數(shù)本構模型的壓痕數(shù)值模型;根據塑性力學理論推導出應變硬化指數(shù)與主應變值之間的關系，通過數(shù)字圖像相關技術測得焊縫處的全局應變值。最后采用計算反求技術獲取強度系數(shù)和應變硬化指數(shù)，對焊縫處的材料參數(shù)進行了詳細識別，得到的塑性應變與試驗值之間的誤差保持在5％左右，比傳統(tǒng)方法更加精確，在一定程度上提高了拼焊板的仿真精度。焊縫區(qū)域材料參數(shù)的精確獲取對于研究該處周圍應力分布等其它局部特性尤為重要，是提高數(shù)值仿真精度的一個重

5、要方面。
　　(2)提出了一種基于剛度性能目標的拼焊板車門結構焊縫布局設計方法。以雙向漸進結構拓撲優(yōu)化方法為參考藍本，在深入分析其存在的問題和不足的基礎上，根據車門結構的不同剛度性能目標等工程要求，將以往對彈性模量的插值函數(shù)轉換為針對厚度函數(shù)的插值模型，并推導出統(tǒng)一的靈敏度計算公式，優(yōu)化目標是在給定載荷及體積分數(shù)等約束條件下使得結構具有最小平均柔度值，即剛度最大。結果表明，不同厚度區(qū)域得到最優(yōu)分布，進而確定拼焊板車門結構的最佳焊縫

6、布局，剛度性能目標達到最優(yōu)，即具有最大承受單一或多種載荷的剛度特性，質量急劇降低且不削弱結構剛度，有效解決了拼焊板車門結構焊縫布局設計問題。
　　(3)針對安全性能目標提出了車身側圍拼焊板結構耦合系統(tǒng)（包括車門和B柱）的設計方法。首先，根據拼焊板結構的焊縫布局設計方法定性給出拼焊板車門結構的焊縫位置布局;建立了拼焊板車門和B柱組成的側圍耦合系統(tǒng)數(shù)值模型并驗證其精確性;工程問題的不同會引起近似模型的模擬效果和擬合精確程度也不同，討論

7、了幾種不同近似模型技術對側碰安全響應的擬合效果和模擬精度。分析結果表明，徑向基函數(shù)模型更適合于耦合系統(tǒng)的安全性能設計，并采用相關算法對側碰過程進行優(yōu)化計算，給出了車身側圍多部件拼焊板耦合系統(tǒng)的設計思路。通過優(yōu)化不同部位的參數(shù)特性，側圍拼焊板耦合系統(tǒng)的安全性能得到了進一步的提升，證明了拼焊板技術的引入和運用能夠提供一種柔性且有效的工程設計思路。
　　(4)提出了一種車身拼焊板前縱梁結構的安全性設計方法。拓展并靈活運用傳統(tǒng)正交試驗設計

8、，在優(yōu)化迭代過程中構造并不斷迭代更新三水平正交表，給出了拼焊板前縱梁離散參數(shù)優(yōu)化匹配的設計思路。在離散空間內給定拼焊板前縱梁的材料類型和厚度屬性，考慮并定義了帶約束的目標特征函數(shù)，通過均值分析判定并重新構造下一迭代步的三水平正交表。設計過程中迭代調用有限元模型的次數(shù)明顯減少，降低了計算成本并提高了計算效率，設計結果提升了拼焊板前縱梁的安全性能。該離散設計方法能夠有效避免傳統(tǒng)方法較高計算成本的不足及無法適用于多變量高水平的拼焊板結構設計等

9、問題，故能有效指導車身拼焊板前縱梁結構的安全性設計，可進一步拓展應用于其它復雜工程問題，具有一定應用價值。
　　(5)為了避免拼焊板結構諸如應力集中、材料匹配等固有缺陷及難點，從設計準則、參數(shù)分析和優(yōu)化設計等技術層面提出了厚度為冪指數(shù)分布管狀結構的安全性設計方法?；诘荣|量條件推導出冪指數(shù)分布管和均勻管、錐管之間的定量解析關系，給出了冪指數(shù)分布管狀結構的設計準則;引入一種新的安全性能指標，即單位空間內能量吸收值，該指標提供了對具有

10、相同質量但不同占據空間面積的管狀結構空間效率的度量方法;分析并比較了不同截面管在軸向以及多角度載荷下的動態(tài)壓潰響應，梯度變化特性使得冪指數(shù)分布管更容易發(fā)生漸進式變形模式，從而進一步提高其在更大載荷角度下抵抗彎曲變形的承載能力。在兩個設計區(qū)間內對設計變量即梯度指數(shù)進行采樣，采用遺傳算法作為優(yōu)化求解器，優(yōu)化結果表明厚度梯度能夠得到合理設計，冪指數(shù)分布管比均勻管具有更加理想的耐撞特性，證明薄壁結構安全性能的提高可以通過對管壁厚度進行合理的梯度