混合材料白车身结构开发理论与轻量化方法研究

摘要

轻量化是当今汽车设计的一种理念和手段，符合“安全、节能、环保”的发展方向。车身质量占汽车总质量的40％左右，车身的轻量化对于整车的轻量化起着举足轻重的作用，车身轻量化正成为21世纪汽车技术的前沿和热点。单一材料白车身结构，限于结构拓扑关系，不能很好地解决轻量化与高性能之间的矛盾。混合材料白车身采取材料替换与结构改进相结合的方法，在保证汽车整体性能不受降低的前提下，最大限度地减轻各零部件的质量。混合材料白车身结构是在传统的车身骨架钢质结构中，有些构件或组件用不同强度等级的高强度钢板代替，且可以通过优化设计和性能优化方法确定不同材料的匹配和它们在白车身结构上的分布规律，实现白车身结构的轻量化和高强度。
　　 通过剖析单一材料白车身结构的开发流程与开发方法，提出了混合材料白车身结构的开发流程与开发方法。建立了分两阶段进行优化的材料优化数学模型，第一阶段，先基于碰撞指标与材料成本两个约束，以材料作为变量组，进行优化，得到基于碰撞与材料成本的材料匹配模式；第二阶段，对选定的材料匹配车身结构组进行优化，以碰撞、刚度、强度及模态性能作为约束，以板厚作为变量组，优化后可以获得满足各种指标的轻量化方案。
　　 针对混合材料白车身结构开发的关键技术之一的连接技术进行了机理研究，研究了点焊建模问题，提出了虚拟节点法模拟点焊的方法，该方法能够更准确地模拟实际焊点的力学行为，而且保证了实际焊点位置的精度。应用有限元方法，分析了点焊、铆接、粘接等连接方式的优缺点。通过试验研究获得了无铆钉自冲铆接头力学特性的主要影响因素，并建立了以凸模侧板材厚度、凸模侧板材硬度、凹模侧板材厚度、凹模侧板材硬度及BD值为输入参数，最大剪切力与最大剥离力为输出参数的基于神经网络的无铆钉自冲铆接头力学性能预测模型，并引入遗传算法优化神经网络的权值，以提高预测模型的准确性。
　　 建立了混合材料白车身结构及主要开闭件CAE模型，对它们进行了静态扭转刚度、弯曲刚度及模态特性分析。完成了标杆车白车身结构模态实验，可作为白车身结构设计的参照。建立了混合材料整车碰撞CAE模型，对混合材料白车身结构进行了正面40％重叠ODB和侧面碰撞仿真分析。把惩罚函数算法应用于白车身板厚灵敏度优化问题中，分析优化了“以扭转刚度不变为约束，重量最轻为目标”与“以重量不变为约束，扭转刚度最高为目标”两个方案。对“以扭转刚度不变为约束，重量最轻为目标”方案进行了碰撞分析，分析结果表明，最轻方案在不降低碰撞指标时，轻量化系数低于竞争车型。上述研究成果应用于自主品牌整车企业SUV实车开发中，取得了满意的效果。

目录

文摘

英文文摘

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第一章 绪论

1.1 论文选题意义及课题来源

1.2 国内外车身轻量化技术发展现状

1.2.1 材料实现车身轻量化

1.2.2 结构优化实现车身轻量化

1.2.3 新的制造工艺与成形技术

1.3 混合材料车身框架结构技术发展

1.3.1 混合材料车身框架结构概述

1.3.2 新的成形工艺技术

1.3.3 异种材料的连接技术

1.3.4 基于安全的轻量化车身技术

1.3.5 混合材料车身结构开发理论的研究内容及关键技术

1.4 论文的主要研究内容及章节安排

第二章 混合材料白车身结构开发方法研究

2.1 引言

2.2 单一材料白车身结构的开发流程与方法

2.3 混合材料白车身结构开发流程与方法研究

2.3.1 开发流程研究

2.3.2 开发方法研究

2.4 前端吸能结构的材料优化

2.5 本章小结

第三章 混合材料车身结构连接机理研究

3.1 点焊连接结构虚拟节点建模及应用

3.1.1 焊点的建模

3.1.2 虚拟节点法的平衡方程

3.1.3 仿真结果与试验对比

3.1.4 应用实例

3.1.5 小结

3.2 混合材料车身结构几种连接形式FE分析

3.2.1 建模方案的确定

3.2.2 建模与FE分析

3.2.3 结果分析

3.2.4 小结

3.3 无铆钉自冲铆的试验研究

3.3.1 理论分析

3.3.2 试验设备与方法

3.3.3 结果与讨论

3.3.4 小结

3.4 无铆钉自冲铆的力学性能研究

3.4.1 基于BP神经网络预测无铆钉自冲铆的力学性能研究

3.4.2 遗传算法与BP神经网络结合的预测研究

3.4.3 小结

3.5 本章小结

第四章 车身结构静动态特性研究

4.1 白车身有限元模型的建立及材料属性

4.2 车身结构模态分析

4.2.1 理论模态分析

4.2.2 实验模态分析

4.2.3 理论模态与实验模态对比分析

4.3 白车身静刚度分析

4.3.1 加载及边界条件

4.3.2 弯曲刚度计算

4.3.3 扭转刚度计算

4.3.4 白车身静刚度计算结果与分析

4.4 主要开闭件模态与刚度分析

4.4.1 发动机罩模态与刚度分析

4.4.2 前侧门模态和刚度分析

4.4.3 后背门模态和刚度分析

4.5 本章小结

第五章 车身结构碰撞仿真研究

5.1 正面40％重叠可变形壁障碰撞模型的建立

5.1.1 碰掩CAE建立的约定

5.1.2 碰撞CAE模型

5.2 正面碰撞仿真分析结果

5.2.1 变形时序图

5.2.2 能量分析

5.2.3 质量增加曲线

5.2.4 碰撞加速度分析

5.2.5 侵入量分析

5.3 侧面碰撞仿真分析

5.3.1 侧面碰撞整车CAE模型

5.3.2 移动变形壁障(MDB)模型

5.3.3 侧面碰撞分析结果

5.4 本章小结

第六章 车身结构优化研究

6.1 车身结构板厚灵敏度的优化

6.1.1 有限元法优化车身结构的算法原理

6.1.2 基于板厚灵敏度的轻量化优化步骤

6.2 车身结构板件厚度灵敏度优化方案

6.2.1 优化方案的选择原则

6.2.2 重量最轻方案

6.2.3 扭转刚度最大方案

6.2.4 优化方案分析结果

6.3 重量最轻方案碰撞安全性验证

6.3.1 减薄件的等强度原则材料替换

6.3.2 正面40％重叠可变形壁障碰撞分析

6.3.3 重量最轻方案的侧面碰撞仿真分析

6.4 本章小结

第七章 结论与展望

7.1 论文结论

7.2 研究展望

参考文献

攻读博士学位期间取得的研究成果

致谢