基于传力路径刚度的汽车正碰安全性正向设计方法研究

摘要

在当代汽车工业研究中，汽车碰撞安全性能的评估和优化是一项重要课题。国内汽车行业的车身设计通常采用逆向技术，在进行碰撞性能评估和优化时，主要参考对标车型数据，依靠工程经验进行设计，缺乏有效的理论指导。正向设计则是在早期阶段，根据性能目标给出结构设计要求，完成对车身结构的预测，指导详细阶段设计。由设计目标反求结构变量的问题属于正向设计范畴，这种问题通常采用优化算法迭代求解获得最优解，要求计算模型具备高效率和高精度的特点。而基于传统有限元模型进行高度非线性大变形仿真，单次计算耗时达数小时，在进行优化迭代计算时更加耗时。因此寻求快速、可靠的车身耐撞性设计方法具有重要的工程指导意义和研究价值。
　　在概念阶段，针对碰撞目标研究碰撞传力路径刚度匹配方法属于正向设计问题。为寻求高效率高精度的整车碰撞仿真方法，论文提出一种多刚体碰撞模型建模、修正及计算机优化方法。依据已通过实验对标的有限元模型，提取传力路径部件的关键参数建立初始多刚体模型。为进一步提升模型仿真精度，为碰撞仿真结果曲线定义置信度函数，利用计算机反求技术对多刚体模型铰链刚度进行修正。结果表明，修正后的多刚体模型与有限元模型精度相当，且计算效率显著提高，可用于快速评估整车正面碰撞性能。
　　基于修正后的多刚体碰撞模型，结合多目标遗传优化算法，根据加速度波形特点设置优化设计目标，将整车变形量作为约束条件构建优化平台，寻求使目标最优的刚度缩放因子组合，得到最优的关键传力路径刚度匹配方式。
　　为验证这种匹配方式的可靠性，探讨了金属薄壁直梁结构吸能量或碰撞平均力关于截面材料属性、厚度及尺寸的相关性，得到针对碰撞性能的最优传力路径刚度缩放因子与这三者的关系。依赖于这种相关性反求关键部件的材料属性、厚度、及截面尺寸，得到结构优化方案，基于有限元模型进行验证。结果表明，采用多刚体碰撞模型进行传力路径刚度优化不仅效率高，同时精度也可以得到保证。
　　这种基于多刚体简化模型，结合工程优化平台进行概念阶段车身碰撞性能的优化方法实现了车身刚度的正向设计，这种方法可以提高计算效率，避免设计时的重复性和盲目性，对整个车身设计过程有很重要的指导意义，也有助于汽车行业形成有效的被动安全正向优化策略和工程设计流程。

目录

声明

摘要

插图索引

附表索引

第1章 绪论

1．1 课题研究的背景和意义

1．1．1 课题的研究背景

1．1．2 课题的研究意义

1．1．3 课题的来源

1．2 正面碰撞安全设计研究现状

1．2．1 碰撞简化模型研究现状

1．2．2 汽车车身结构耐撞性优化技术研究现状

1．3 本文主要研究内容及章节安排

第2章 多刚体系统及汽车耐撞性相关理论

2．1 多刚体系统动力学理论

2．1．1 参考空间及多体系统

2．1．2 系统结构和自由度

2．1．3 刚体及铰接体运动学

2．1．3 多体系统运动方程推导

2．2 碰撞传力路径能量管理概述

2．3 碰撞过程中的三种非线性特性

2．3．1 几何非线性特性

2．3．2 材料非线性特性

2．3．3 接触非线性特性

2．4 数值优化方法简介及多目标优化算法概述

2．5 本章小结

第3章 多刚体正面碰撞模型建模研究

3．1 引言

3．2 建立多刚体模型的基本准则

3．3 有限元台车模型的建立和实验验证

3．4 多刚体建模原理

3．4．1 塑性铰概念及其刚度应用

3．4．2 塑性铰参数提取方法

3．4．3 刚体参数提取方法

3．5 多刚体模型拓扑结构及多体系统集成

3．5．1 多刚体模型拓扑结构

3．5．2 刚体间的接触特性

3．5．3 多刚体模型的求解

3．6 多刚体碰撞模型结果验证及刚度修正

3．6．1 多刚体正面碰撞模型结果验证

3．6．2 计算机反求原理及多刚体模型修正

3．7 本章小结

第4章 正面碰撞传力路径刚度正向优化设计

4．1 引言

4．2 被动安全设计流程及正面耐撞性能设计指标

4．3 基于多刚体模型的传力路径刚度正向优化策略

4．3．1 车身结构耐撞性能正向设计流程

4．3．2 基于多刚体模型的正向传力路径优化方法

4．4 优化结果分析

4．5 本章小结

第5章 传力路径关键部件优化设计

5．1 引言

5．2 厚度及材料对于金属直梁耐撞性能的影响

5．3 截面形状及尺寸对于直梁耐撞性能的影响分析

5．4 基于有限元模型的车身结构优化设计

5．4．1 传力路径关键组件刚度优化结果分析

5．4．2 纵梁压溃刚度优化方案设计

5．4．5 基于有限元模型的结构优化方案

5．5 优化结果

5．5．1 采用方案A结果分析

5．5．2 采用方案B结果分析

5．6 本章小结

参考文献

致谢

附录A 攻读硕士学位期间的学术成果