基于近似模型的汽車輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

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1、湖南大學(xué)博士學(xué)位論文基于近似模型的汽車輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)方法姓名：張勇申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別：博士專業(yè)：車輛工程指導(dǎo)教師：李光耀20081206基于近似模型的汽印輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)方法摘要隨著汽車工業(yè)在國(guó)內(nèi)的蓬勃發(fā)展，使得能源日趨緊張、環(huán)境壓力加劇的問題日益凸顯，這必將成為汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的絆腳石。作為有效節(jié)能手段的汽車輕量化技術(shù)已成為汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展中的一項(xiàng)關(guān)鍵性研究課題，在不久的將來，它必將成為汽車公司的核心競(jìng)爭(zhēng)力之一。近年來國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者在汽車輕量化相關(guān)方面開展了較為廣泛的研究，并已取得諸多成果，但是汽車輕量化的相關(guān)研究仍然存在較多問題，研究方法仍然集中在對(duì)

2、汽車車身的一些零部件用低密度材料進(jìn)行替換，如鋁、鎂合金、復(fù)合材料等，這些方法大多數(shù)仍是憑經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)。本文在總結(jié)前人的研究基礎(chǔ)上，采用了近似模型技術(shù)結(jié)合數(shù)值優(yōu)化方法對(duì)汽車輕量化設(shè)計(jì)進(jìn)行了較為系統(tǒng)和深入的研究，在確保汽車綜合性能指標(biāo)的前提下，盡可能的降低汽車產(chǎn)品自身重量，達(dá)到減重、降耗、安全的綜合指標(biāo)。圍繞汽車輕量化這一主題，本論文主要開展了以下幾方面的研究?jī)?nèi)容：1．建立了一種基于移動(dòng)最小二乘的汽車正面碰撞響應(yīng)面近似模型，提出了針對(duì)不同的優(yōu)化設(shè)計(jì)響應(yīng)采用不同的近似模型技術(shù)來達(dá)到提高優(yōu)化效率的目的。通過與目前廣泛運(yùn)用的多項(xiàng)式響應(yīng)面與Kriging響應(yīng)面

3、的對(duì)比研究可知，多項(xiàng)式響應(yīng)面只是對(duì)空間試驗(yàn)點(diǎn)的逼近，擬合精度不高，故一般適用于替代非線性程度不高的響應(yīng)，而Kriging模型準(zhǔn)確的通過了空間擬合的采樣點(diǎn)，擬合精度高，但它容易受到數(shù)值噪聲的影響且計(jì)算成本高。而移動(dòng)最小二乘擬合的響應(yīng)面近似模型恰恰兼顧了兩者的優(yōu)點(diǎn)，故它非常適合于具有高度非線性且具有數(shù)值噪聲的汽車碰撞安全的優(yōu)化研究。最終把該模型成功運(yùn)用到汽車輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)中來驗(yàn)證了此模型的有效性。2．提出了一種基于近似模型和多目標(biāo)遺傳算法的高強(qiáng)度鋼板選材方法。雖然汽車制造工業(yè)中鋁合金等輕質(zhì)材料在逐漸增加，但是由于鋁合金等加工難度高，成形性能較差，又

4、由于鋁導(dǎo)熱性好，導(dǎo)致鋁合金的焊接性能差，關(guān)鍵是它的成本還比鋼材高。故目前在汽車制造中僅能部分代替鋼鐵材料。而厚度變薄的高強(qiáng)度鋼相對(duì)于普通鋼來說則具有高強(qiáng)度、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，而且還能提高車輛的安全性能，所以高強(qiáng)度鋼已成為普遍采用的汽車原材料。采用高強(qiáng)度鋼板代替普通鋼板制造的汽車車身，其重量可以得到較大幅度的降低。但是傳統(tǒng)的選材設(shè)計(jì)往往都是根據(jù)工程人員的經(jīng)驗(yàn)來選擇車輛各個(gè)部分的材料配置，導(dǎo)致車輛各個(gè)部分的材料選擇具有盲目性而不能最優(yōu)化，文中采用近似模型和多目標(biāo)遺傳算法相結(jié)合的選材方法對(duì)整車的正面碰撞和側(cè)面碰撞安全性進(jìn)行了深入研究，得到了汽車車身駕駛室

5、前部關(guān)鍵部件與側(cè)圍的高強(qiáng)度鋼板及其板厚的合理配置，并達(dá)到使車輛的II博lj學(xué)位論文安全性能提高和車身輕量化的目的。．3．提出了一種基于近似模型和多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化相結(jié)合的整車輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。汽車輕量化的首要前提是應(yīng)保持汽車原有的性能不受影響，既要有目的地減輕汽車自身的重量，又要保證汽車行駛的安全性、耐撞性、抗振性及舒適性等。但是傳統(tǒng)的汽車設(shè)計(jì)模式往往采取的是一種串行設(shè)計(jì)模式，在不同的設(shè)計(jì)階段設(shè)計(jì)人員將選擇不同的重點(diǎn)來對(duì)汽車進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，這就把影響汽車性能的空氣動(dòng)力學(xué)、振動(dòng)、噪聲、耐撞性、安全性以及舒適性等學(xué)科人為的割裂開來，并沒有利用和考慮到

6、各個(gè)學(xué)科之間存在的相互耦合而可能產(chǎn)生的協(xié)同效應(yīng)，這樣將導(dǎo)致得到的優(yōu)化結(jié)果往往不是系統(tǒng)整體的最優(yōu)解。同時(shí)，如果輕量化設(shè)計(jì)中一起考慮到的汽車安全性、振動(dòng)、剛度等各學(xué)科的相互作用來進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，這樣勢(shì)必遭遇優(yōu)化設(shè)計(jì)的瓶頸(單次CAE計(jì)算仿真時(shí)間過長(zhǎng)而引起的時(shí)間問題)。正是基于上述傳統(tǒng)串行設(shè)計(jì)與CAE仿真時(shí)間過長(zhǎng)的缺陷，文中提出了汽車的輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)過程也必是一個(gè)多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化的過程，并建立了將響應(yīng)面和多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法相結(jié)合的汽車輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)近似模型，成功解決了單次優(yōu)化時(shí)間過長(zhǎng)的優(yōu)化瓶頸問題，并將該方法成功運(yùn)用到某車型的輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)中。4．建立了

7、基于可靠性設(shè)計(jì)理論的汽車薄壁縱梁輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)模型。車身薄壁縱梁不僅是汽車車身設(shè)計(jì)的基本承載部件，而且也是車身發(fā)生正面碰撞時(shí)的主要吸能部件。同時(shí)，薄壁縱梁的變形模式和吸能特性直接決定了車體在碰撞時(shí)的加速度和力的響應(yīng)，也就直接影響到車內(nèi)乘員的安全性。此外，由于它的使用環(huán)境較為惡劣，這就對(duì)它的設(shè)計(jì)提出了更高的可靠性要求。傳統(tǒng)的優(yōu)化過程往往忽略了工程設(shè)計(jì)中的不確定性，如幾何尺寸、材料屬性、載荷和邊界條件以及操作環(huán)境等相關(guān)的多種不確定因素的影響，而使設(shè)計(jì)目標(biāo)超出設(shè)計(jì)界限而失效，從而降低了產(chǎn)品的可靠性。文中提出將薄壁梁設(shè)計(jì)看著是一個(gè)需要考慮安全性、靜態(tài)承

8、載特性與一階振動(dòng)模態(tài)等方面的多學(xué)科可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)過程，并將該方法成功運(yùn)用到帽型薄壁縱梁的輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)中。關(guān)鍵詞：輕量化；近似模型；移動(dòng)最小二乘；多學(xué)