微型客车车顶结构综合性能分析及6σ稳健性多目标优化设计

摘要

当今世界环境日益恶化，能源逐渐枯竭，轻量化已成为当前汽车工程领域关注的焦点和亟需解决的重要课题。本文对某微型客车车顶结构的抗压强度、覆雪强度、低阶模态特性和抗凹性能等综合性能进行了分析和评价，并评估了加载顺序对车顶抗压强度的影响。此外，基于6σ稳健性多目标优化设计的理论和方法，考虑板件厚度的不确定性对车顶结构各项性能的影响，开展车顶结构轻量化设计研究。
　　(1)在HyperMesh中建立某微型客车的顶压有限元模型，并对建模过程进行了阐述。针对标准FMVSS216a并未规定双侧顶压加载顺序这一问题，采用先左后右和先右后左两种不同顺序的加载方式对车顶抗压强度进行有限元分析。研究结果表明，加载顺序影响顶压作用力峰值的大小，本车型先加载侧车顶结构的变形强化了后加载侧车顶结构的抗压强度。
　　(2)提出了将先左后右和先右后左两种加载方式得到的四个顶压作用力峰值中的最小值作为评价依据的车顶抗压强度评价方法:若四个顶压作用力峰值中的最小值不小于车辆整备重量的3倍，则车顶抗压强度符合标准FMVSS216a，否则不符合。对于本文研究的车型，两种不同顺序的加载方式得到的四个顶压作用力峰值中的最小值为车辆整备重量的3.5倍，因此车顶抗压强度符合标准FMVSS216a。此外，对车顶结构的覆雪强度、低阶模态特性、抗凹性能进行了数值分析和评价。车顶结构综合性能分析为后续车顶结构6σ稳健性多目标优化设计提供了支撑，同时也为车顶结构设计提供了参考。
　　(3)选择合适的近似模型对车顶结构各输出响应进行拟合，并检验近似模型的精度。然后基于已构建的近似模型，以顶压作用力峰值最大和设计变量总质量最小为优化目标，车顶结构的抗压强度、覆雪强度、抗凹性能、前三阶模态频率满足设计要求为约束条件，车顶结构关键结构件厚度为设计变量，采用NCGA算法进行确定性多目标优化，得到确定性多目标优化结果。
　　(4)考虑车顶结构板件厚度的波动，基于近似模型，采用蒙特卡洛模拟技术对确定性多目标优化结果进行6σ质量分析，发现车顶结构的一阶模态频率F1、车顶覆雪最大下陷位移Y1，车顶抗凹最大凹陷位移Y2均未有达到6σ质量水平，需要进行6σ稳健性优化。基于近似模型，采用NCGA算法和蒙特卡洛模拟技术对确定性多目标优化结果进行6σ稳健性优化。6σ稳健性优化结果表明，车顶结构在抗压强度、覆雪强度、抗凹性能、前三阶模态频率满足设计要求的前提下，设计变量总质量M减小3.59Kg，减幅达9.6％，同时各输出响应达到6σ质量水平，响应对设计变量和不确定性因素波动的敏感性降低，稳健性得到提高。基于综合性能的车顶结构6σ稳健性多目标优化设计方法切实可行，为车顶结构轻量化设计以及汽车开发提供了参考。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题的研究背景与意义

1．2 车顶准静态加载试验及法规FMVSS 216a

1．2．1 车顶准静态加载试验

1．2．2 法规FMVSS 216a

1．3 车顶结构性能国内外研究现状

1．4 汽车轻量化国内外研究现状

1．4．1 汽车轻量化实现方法

1．4．2 汽车轻量化研究现状

1．5 6σ稳健性优化设计研究现状

1．6 本文的主要研究目的和内容

第二章 6σ稳健性优化设计理论

2．1 稳健性优化设计理论

2．1．1 稳健性设计的原理

2．1．2 稳健性设计实现方法

2．2 6σ稳健性优化设计

2．2．1 6σ质量管理

2．2．2 6σ稳健性优化设计

2．2．3 6σ质量分析

2．3 试验设计

2．3．1 正交试验设计

2．3．2 全因子试验设计

2．3．3 拉丁超立方设计与最优拉丁超立方设计

2．4 近似模型基本理论

2．4．1 响应面(RSM)模型

2．4．2 径向基函数(RBF)模型

2．4．3 克里格(Kriging)模型

2．5 本章小结

第三章 车顶结构综合性能分析与评价

3．1 顶压有限元分析模型的建立

3．1．1 有限元网格划分与质量检查

3．1．2 有限元模型组件的连接

3．1．3 有限元模型的接触设置

3．1．4 定义结构件的材料特性

3．1．5 边界条件定义及刚性墙的建立

3．1．6 求解参数设置

3．2 车顶抗压强度分析

3．2．1 顶压能量变化分析

3．2．2 车顶抗压变形分析

3．2．3 顶压作用力峰值分析及结果评价

3．3 车顶覆雪强度分析

3．3．1 车顶覆雪强度评价方法

3．3．2 车顶覆雪强度分析有限元模型

3．3．3 车顶覆雪强度分析及结果评价

3．4 车顶结构模态分析

3．4．1 模态分析理论

3．4．2 车顶结构模态分析有限元模型

3．4．3 车顶结构模态分析及结果评价

3．5 车顶结构抗凹性能分析

3．5．1 车顶结构抗凹性能评价方法

3．5．2 顶结构抗凹性能分析有限元模型

3．5．3 车顶结构抗凹性能分析及结果评价

3．6 本章小结

第四章 车顶结构6σ稳健性多目标优化设计

4．1 多目标优化问题的概述

4．2 确定性多目标优化问题的建立

4．2．1 确定优化目标及约束条件

4．2．2 选取优化设计变量

4．2．3 多目标优化问题的确定

4．3 近似模型的建立

4．3．1 设计变量总质量的响应面模型构建

4．3．2 顶压作用力峰值的KFB模型的构建

4．3．3 车顶覆雪最大下陷位移的Kriging模型的构建

4．3．4 车顶前三阶模态频率的响应面模型构建

4．3．5 车顶抗凹最大凹陷位移的响应面模型的构建

4．4 6σ稳健性多目标优化设计

4．4．1 确定性多目标优化设计

4．4．2 确定性多目标优化结果的6σ质量分析

4．4．3 6σ稳健性多目标优化设计

4．4．4 6σ稳健性多目标优化结果分析

4．5 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的文章