基于耐撞性仿真的轎車車身零件拼焊板設(shè)計(jì)方法研究.pdf

1、減輕汽車質(zhì)量以降低燃油消耗和減少排放污染是21世紀(jì)汽車發(fā)展的核心問題。由于拼焊板結(jié)構(gòu)具有減輕重量、減少零件數(shù)量、提高材料利用率和提高結(jié)構(gòu)性能等優(yōu)點(diǎn)，在汽車車身的輕量化設(shè)計(jì)中，利用拼焊板結(jié)構(gòu)替代傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為主要方法之一。但是目前的零件拼焊板設(shè)計(jì)主要依賴于專家經(jīng)驗(yàn)或以參照為主，缺乏相關(guān)方面的定性或者定量的設(shè)計(jì)方法研究，因此為拼焊板結(jié)構(gòu)在車身零件上的應(yīng)用，開展拼焊板車身零件輕量化設(shè)計(jì)方法研究具有重要的意義和應(yīng)用價(jià)值。 汽車零件的拼

2、焊板輕量化設(shè)計(jì)絕不能以犧牲其關(guān)鍵力學(xué)性能為代價(jià)，尤其是關(guān)乎乘員安全的汽車耐撞性，而耐撞性數(shù)值仿真技術(shù)是汽車開發(fā)過程中不可缺少的重要工具。為了使得耐撞性數(shù)值仿真手段能夠快速、精確地指導(dǎo)拼焊板設(shè)計(jì)，本文首先對耐撞性數(shù)值仿真的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，提供了精確、高效的分析模型基礎(chǔ)，為耐撞性數(shù)值仿真正確指導(dǎo)零件拼焊板設(shè)計(jì)輕量化提供了保證。在此基礎(chǔ)上分別以車身薄壁梁結(jié)構(gòu)部件和板殼結(jié)構(gòu)部件作為分析對象，進(jìn)行了拼焊板輕量化設(shè)計(jì)方法研究，提出了綜合考慮零件

3、強(qiáng)度、彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度、吸能能力和材料成本的薄壁梁零件拼焊板輕量化設(shè)計(jì)方法，以及綜合考慮整車耐撞性能、零件強(qiáng)度、剛度和自然頻率的板殼零件拼焊板輕量化設(shè)計(jì)方法，并將所形成的方法應(yīng)用于車身具體零件的拼焊板輕量化設(shè)計(jì)。主要研究內(nèi)容及結(jié)論如下： 1.汽車耐撞性數(shù)值仿真的關(guān)鍵技術(shù)研究 重點(diǎn)研究了基于汽車碰撞仿真的點(diǎn)焊連接關(guān)系模擬以及網(wǎng)格規(guī)?？刂品椒ㄑ芯俊ａ槍σ延蟹椒ǖ牟蛔?，引入彈-塑性梁接觸模型來模擬點(diǎn)焊連接關(guān)系，對比分析了以剛

4、性梁和彈-塑性梁接觸模型來模擬點(diǎn)焊在沖擊過程中對于失效判斷的穩(wěn)定性和可靠性，仿真解析結(jié)果表明彈-塑性梁接觸模型更適合于模擬點(diǎn)焊沖擊行為。從網(wǎng)格規(guī)?？刂频慕嵌?，提出了徐變區(qū)域網(wǎng)格布置方法和CPU計(jì)算時(shí)間控制方程，并通過正碰仿真試驗(yàn)，驗(yàn)證了結(jié)合以上兩種手段進(jìn)行整車模型網(wǎng)格規(guī)?？刂圃谔岣哂?jì)算效率的同時(shí)并不減少計(jì)算精度，證明了該方法的可行性。 2.基于汽車碰撞仿真的拼焊板焊縫有限元模型建立 針對目前沒有合適的焊縫有限元模型來模擬

5、拼焊板焊縫在汽車碰撞過程中的力學(xué)行為，提出了雙層梁模型來模擬焊縫。采用不同建模技術(shù)，基于單軸拉伸仿真和碰撞仿真對拼焊板焊縫有限元模型進(jìn)行研究，進(jìn)行了與汽車碰撞有關(guān)的失效位置、變形和吸能等方面的精度影響分析。結(jié)果顯示，不同的建模方式在有限元仿真中將對各種結(jié)果產(chǎn)生非常敏感的影響，從而證明了拼焊板焊縫模型研究的重要性。通過仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較與分析，驗(yàn)證了本文所提出的雙層梁焊縫模型相對于現(xiàn)有的其它焊縫模型更合理。 3.車身薄壁梁零件的

6、拼焊板輕量化設(shè)計(jì)方法研究 基于力學(xué)基本原理，推導(dǎo)了拼焊板薄壁梁的強(qiáng)度、彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度和吸能能力輕量化控制方程。利用乘子罰函數(shù)方法進(jìn)行拼焊板薄壁梁優(yōu)化設(shè)計(jì)求解并提出了薄壁梁零件的拼焊板輕量化設(shè)計(jì)方法。在此基礎(chǔ)上以汽車前縱梁作為范例進(jìn)行拼焊板輕量化設(shè)計(jì)，首先進(jìn)行零件的分塊設(shè)計(jì)和材料的初選，然后根據(jù)所建立的輕量化方程對零件的厚度和材料進(jìn)行約束控制，利用乘子罰函數(shù)方法獲得優(yōu)化結(jié)果并綜合考慮質(zhì)量和材料成本進(jìn)行設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)，最后對選取的

7、輕量化方案進(jìn)行了耐撞性數(shù)值仿真，驗(yàn)證了輕量化設(shè)計(jì)方法的可行性。 4.車身板殼零件的拼焊板輕量化設(shè)計(jì)方法研究 從泛化能力的角度，對比了響應(yīng)面方法(RSM)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)兩種近似模擬方法對于拼焊板設(shè)計(jì)中不同響應(yīng)的擬和效果。分析結(jié)果表明，RSM更適合于拼焊板設(shè)計(jì)中簡單響應(yīng)(零件質(zhì)量、剛度、自然頻率)的模擬，而ANN則對于耐撞性響應(yīng)有著更大的優(yōu)勢。對板殼典型零件車門內(nèi)板進(jìn)行實(shí)例設(shè)計(jì)，以零件質(zhì)量和側(cè)碰安全性能作為優(yōu)化目標(biāo)

8、，以強(qiáng)度、剛度和自然頻率作為優(yōu)化約束，利用權(quán)重系數(shù)遺傳算法進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了車門內(nèi)板的拼焊板輕量化設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上提出集有限元數(shù)值模擬、近似模擬技術(shù)和遺傳算法于一體的板殼拼焊板輕量化設(shè)計(jì)方法。 本文對基于汽車碰撞的幾個(gè)關(guān)鍵CAE技術(shù)進(jìn)行了研究，目的在于提高CAE仿真精度和計(jì)算效率，為車身零件的拼焊板輕量化設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確、快速的模型基礎(chǔ)；根據(jù)薄壁梁和板殼零件不同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)提出了兩種不同類型的拼焊板輕量化設(shè)計(jì)方法，對拼焊板結(jié)