基于参数化方法的车门性能分析及车门轻量化优化

摘要

汽车车门作为整车的一个重要组成部分，几乎占据了整个车身的侧面，其性能的好坏直接影响着整车性能的好坏，因此对车门性能进行仿真分析研究，及时发现并修正车门结构的不足很有必要。另外，车门质量在整车质量中占据着很大的比例，车门轻量化对整个车身的轻量化具有很大的贡献，且以往的车门轻量化研究只优化了车门板材的厚度，并未对车门部件的形状和位置进行优化，但车门部件的形状和位置对车门性能具有重要影响，因此基于形状、位置和厚度的轻量化优化研究具有一定的意义。
　　本文以某国产轿车车门为研究对象，首先基于传统的有限元方法对车门进行了模态、横向刚度、内板腰线刚度、外板腰线刚度、外板表面刚性和抗凹性分析，其目的一方面是检验车门的结构设计是否合理，另一方面为基于参数化方法的车门性能分析提供参考。分析结果表明车门外板的表面刚性不足，经过改进车门结构后，最终提高了车门表面刚性性能;车门其他性能指标均满足了设计要求。
　　其次基于参数化方法进行了车门性能分析。利用参数化软件SFE-Concept建立车门参数化几何模型和参数化有限元模型，并对车门进行了模态和横向刚度分析;通过对比分析由传统有限元方法计算的车门性能数据，验证了参数化模型的可靠性;并在此模型的基础上研究了车门把手布置对车门性能的影响关系。
　　最后基于参数化方法进行了车门结构轻量化单目标优化。确定了以车门质量最轻为主要优化目标，以车门一阶弯曲模态频率、一阶扭转模态频率、横向刚度、内板腰线刚度和外板腰线刚度为约束条件，以5个厚度变量和4个形状变量为设计变量的优化问题。采用优化拉丁超立方试验设计方法进行了试验设计，并以模型精度最高为依据建立各近似模型，并对各近似模型精度进行了评价。然后采用混合整型序列二次规划法算法(MISQP)对车门轻量化单目标优化问题进行求解，并对优化结果进行了仿真验证;结果表明车门在性能不降低甚至有所提高的情况下，质量减重了0.58％。为了进一步减重车门质量，本文强制减薄了车门部件的部分板材厚度，并根据工程经验对车门部分结构做了调整。
　　最后的仿真结果表明，在车门的一阶弯曲模态频率和横向刚度都提高且一阶扭转模态频率基本不变的情况下，车门质量减重了648g，减重率为3.50％，轻量化效果明显。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 论文研究背景

1．1．1 论文研究背景及意义

1．1．2 课题来源

1．2 国内外研究现状

1．2．1 车门性能主要研究方法

1．2．2 车门轻量化主要研究方法

1．3 论文研究的主要内容

第二章 车门性能有限元分析

2．1 车门有限元模型的建立

2．1．1 单元类型及网格质量

2．1．2 有限元模型连接方式简化处理

2．1．3 车门有限元模型

2．2 车门模态分析

2．2．1 模态分析理论

2．2．2 车门模态分析结果

2．3 车门横向刚度分析

2．3．1 车门横向刚度分析方法

2．3．2 车门横向刚度结果分析

2．4 车门内板腰线刚度分析

2．4．1 约束及载荷条件

2．4．2 结果分析

2．5．1 约束及载荷条件

2．5．2 结果分析

2．6 车门外板表面刚性分析

2．6．1 车门外板表面刚性分析方法

2．6．2 车门外板表面刚性结果分析

2．6．3 结构优化及结果分析

2．7 车门外板抗凹性分析

2．7．1 边界条件

2．7．2 结果分析

2．8 本章小结

第三章 基于参数化方法的车门性能分析

3．1 车门结构隐式参数化建模

3．1．1 参数化技术

3．1．2 车门隐式参数化几何建模

3．1．3 车门隐式参数化有限元模型的快速生成

3．2 参数化车门性能分析及验证

3．2．1 模态分析

3．2．2 车门横向刚度分析

3．2．3 结果对比分析

3．3 车门把手布置快速评估

3．3．1 车门把手布置方案

3．3．2 各布置方案快速性能评估

3．3．3 结果分析

3．4 本章小结

第四章 车门轻量化目标优化模型研究

4．1 车门轻量化单目标优化问题概述

4．2 车门单目标优化问题的建立

4．2．1 优化目标

4．2．2 约束条件

4．2．3 优化设计变量的选取

4．2．4 单目标优化问题的确定

4．3 本章小结

5．1 试验设计

5．1．1 试验设计概述

5．1．2 试验设计方法介绍

5．1．3 样本点采集

5．2 近似模型方法

5．2．1 近似模型拟合方法

5．2．2 车门近似模型的建立

5．3 车门轻量化目标优化求解与验证

5．3．1 MISQP算法

5．3．2 优化求解及结果验证

5．4 基于工程经验的车门结构再优化

5．4．1 车门结构调整

5．4．2 结果分析

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 主要研究工作及结论

6．2 论文主要创新点

6．3 研究展望

致谢

参考文献

在校期间发表的论著及取得的科研成果