基于多材料匹配的車身關(guān)鍵吸能結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)研究.pdf

1、隨著新型輕量化材料的在汽車上的廣泛應(yīng)用，尤其是高強(qiáng)度鋼和鋁合金以其優(yōu)良的吸能特性和輕量化效果被大量應(yīng)用于車身關(guān)鍵吸能結(jié)構(gòu)，因此不同屈服強(qiáng)度輕量化材料之間的匹配問(wèn)題一直是研究的熱點(diǎn)。車身關(guān)鍵吸能結(jié)構(gòu)是保證汽車被動(dòng)安全性能的重要部件，在車身開(kāi)發(fā)的不同階段對(duì)其進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)的同時(shí)還要保證它的結(jié)構(gòu)耐撞性能。在概念設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)周期較短，需要兼顧成本和輕量化效果并快速確定用材方案。多級(jí)吸能薄壁梁一般由多段薄壁梁通過(guò)焊接或螺栓連接組合而成，是汽車前

2、后端碰撞壓潰區(qū)最主要的吸能部件。通過(guò)大量昂貴的物理試驗(yàn)或耗時(shí)的仿真優(yōu)化來(lái)確定它的用材方案并不理想，而經(jīng)驗(yàn)公式法則可以在滿足一定精度條件下幫助設(shè)計(jì)者快速而科學(xué)的確定用材方案。在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，車身結(jié)構(gòu)和用材方案基本已經(jīng)確定，此時(shí)仍可以通過(guò)優(yōu)化算法在保證車身性能的前提下使各零部件之間的厚度匹配更加合理，實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的輕量化設(shè)計(jì)。因此，為了縮短該階段設(shè)計(jì)周期，選擇一種高搜索效率和高精度的優(yōu)化算法成為工程上亟需解決的問(wèn)題。
　　概念設(shè)計(jì)階段，

3、針對(duì)多級(jí)吸能薄壁梁替換成輕量化材料后如何選擇最合理的厚度既保證它的結(jié)構(gòu)耐撞性能又實(shí)現(xiàn)最佳的輕量化效果的問(wèn)題，提出一種基于經(jīng)驗(yàn)公式的多材料匹配方法。將該方法應(yīng)用于方形吸能盒和單帽型前大梁組合的實(shí)例后表明，各材料組合換材前后的平均碰撞力誤差基本控制在10％以內(nèi)，且鋁合金和雙相鋼的材料組合輕量化效果最佳，減重達(dá)34.4％。此外，除了需要關(guān)注輕量化效果還需要考慮成本因素。因此，引入價(jià)值函數(shù)來(lái)評(píng)估不同材料匹配方案的綜合性能，以幫助汽車企業(yè)根據(jù)自身

4、發(fā)展需求選擇最佳的材料匹配方案。最后運(yùn)用之前的實(shí)例分析了交換常數(shù)對(duì)選材方案的影響。研究結(jié)果表明，交換常數(shù)的取值與汽車廠商更加看重的是輕量化效果還是成本有關(guān)，并決定了最終的最佳材料匹配方案。
　　詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，針對(duì)復(fù)雜耗時(shí)的黑匣子優(yōu)化問(wèn)題，在混合元模型算法(Hybrid andAdaptive Meta-modeling Method，HAM)的基礎(chǔ)上，提出了一種搜索效率和精度更高的多組混合元模型的優(yōu)化方法（Multiple Hyb

5、rid Meta-modeling Method，MHM）。最后將該方法應(yīng)用于某前艙子系統(tǒng)的關(guān)鍵吸能部件進(jìn)行厚度匹配優(yōu)化。結(jié)果表明，相比初始設(shè)計(jì)質(zhì)量減少5.4kg，下降比例達(dá)7.2％，而關(guān)鍵吸能部件的吸能特性并沒(méi)有下降以及整個(gè)子系統(tǒng)的加速度峰值沒(méi)有增加。
　　本文以車身開(kāi)發(fā)流程為主線，針對(duì)不同的開(kāi)發(fā)階段分別采用不同的多材料匹配方法對(duì)車身關(guān)鍵吸能結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。通過(guò)本文的研究為車身輕量化設(shè)計(jì)提供了一種新的思路，具有較好的工程應(yīng)用