【摘要】：隨著我國汽車產(chǎn)銷量的逐年增長,環(huán)境污染、能源危機(jī)與交通安全已經(jīng)成為我國汽車工業(yè)發(fā)展所面臨的重要問題,而這些問題都與汽車輕量化密切相關(guān)。連續(xù)變截面輥軋板(Tailor rolled blank,TRB)技術(shù)能根據(jù)零部件的受力或性能要求來靈活調(diào)整和優(yōu)化相應(yīng)的厚度分布,真正實(shí)現(xiàn)板厚分布的“量身定制”,為汽車輕量化設(shè)計(jì)提供了最佳的解決方案。然而,目前有關(guān)TRB結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、制造方面的研究才剛剛起步,相關(guān)的理論模型和優(yōu)化設(shè)計(jì)方法還沒有建立,離真正意義的指導(dǎo)TRB的生產(chǎn)設(shè)計(jì)和在汽車上的規(guī)模應(yīng)用還有相當(dāng)距離。因此,開展系統(tǒng)的變厚度車身關(guān)鍵安全結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法研究具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。為了深入了解這種新型連續(xù)變厚度結(jié)構(gòu)的基本力學(xué)特性,以便高效準(zhǔn)確地指導(dǎo)其輕量化與耐撞性能設(shè)計(jì),本文首先對TRB結(jié)構(gòu)的變形及吸能機(jī)理、高效數(shù)值建模方法、多工況可靠性設(shè)計(jì)方法和耦合“工藝-性能”的可靠性設(shè)計(jì)方法進(jìn)行系統(tǒng)的研究。最后,針對車身輕量化設(shè)計(jì)中多材料和板厚的最優(yōu)匹配等典型的離散優(yōu)化問題,開發(fā)了一種高效多目標(biāo)離散穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計(jì)算法。本文研究內(nèi)容如下:(1)TRB典型車身結(jié)構(gòu)的碰撞變形與吸能機(jī)理研究:本文首先通過實(shí)驗(yàn)手段初步探究了TRB典型車身結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)靜態(tài)/動態(tài)軸向碰撞特性及準(zhǔn)靜態(tài)彎曲特性。然后,通過單向拉伸實(shí)驗(yàn)獲取不同軋制量板料的應(yīng)力-曲線,進(jìn)而構(gòu)建TRB板料的有效應(yīng)力-應(yīng)變場。接著基于獲取的TRB材料數(shù)據(jù)提出一種同時(shí)考慮TRB結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)厚度和單元材料屬性的高效有限元建模方法,并通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了全面系統(tǒng)的驗(yàn)證。最后,在準(zhǔn)靜態(tài)/動態(tài)軸向壓潰工況和準(zhǔn)靜態(tài)彎曲工況下系統(tǒng)地研究了薄/厚區(qū)板厚和過渡區(qū)位置對TRB結(jié)構(gòu)輕量化與耐撞性能的影響規(guī)律,揭示了TRB結(jié)構(gòu)在輕量化和耐撞性能方面的潛力。(2)多工況可靠性設(shè)計(jì)方法及其在TRB車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究:為了提高TRB結(jié)構(gòu)輕量化與耐撞性設(shè)計(jì)效率及降低設(shè)計(jì)失效的風(fēng)險(xiǎn),本文基于非支配遺傳算法、蒙特卡洛模擬和徑向基函數(shù)模型等技術(shù)開發(fā)了一套通用的多目標(biāo)多工況可靠性設(shè)計(jì)方法。最后將該方法應(yīng)用于正面碰撞、偏置碰撞和側(cè)面碰撞等典型碰撞工況下的TRB結(jié)構(gòu)的多工況設(shè)計(jì)當(dāng)中,優(yōu)化結(jié)果表明:確定性優(yōu)化設(shè)計(jì)雖然可以提高TRB結(jié)構(gòu)的耐撞性能,但是所得到的最優(yōu)解的可靠度較低,僅為50%左右。與之相反,多目標(biāo)多工況可靠性設(shè)計(jì)方法的使用雖然導(dǎo)致TRB結(jié)構(gòu)的耐撞性能有一定犧牲,但該方法不僅提高Pareto解集的可靠性,還提高了多工況下最優(yōu)解的魯棒性。(3)耦合“工藝-性能”的可靠性設(shè)計(jì)方法及其在TRB車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究:為了實(shí)現(xiàn)沖壓工藝參數(shù)及沖壓效應(yīng)向耐撞性模型的高效傳遞,本文首先開發(fā)了一套沖壓-碰撞序列耦合仿真分析方法,并通過對比映射前后的厚度、殘余應(yīng)力/應(yīng)變分布等信息驗(yàn)證了該方法的精度。接著將該方法用于汽車前縱梁的耐撞性分析當(dāng)中,數(shù)值研究結(jié)果表明:沖壓效應(yīng),例如殘余應(yīng)變和板厚減薄等,對前縱梁的變形模式和耐撞性能均具有極大的影響。然后,基于開發(fā)的沖壓-碰撞序列耦合仿真分析方法,將多目標(biāo)粒子群算法、描述性蒙特卡洛抽樣和代理模型技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來,開發(fā)一套系統(tǒng)的耦合“工藝-性能”的車身結(jié)構(gòu)多目標(biāo)可靠性設(shè)計(jì)方法。最后,將該算法應(yīng)用于TRB雙帽形梁和TRB門檻梁的優(yōu)化當(dāng)中,結(jié)果表明:本文提出的算法雖然犧牲了部分耐撞性能,但是該方法能準(zhǔn)確考慮設(shè)計(jì)變量的波動性,獲得完全滿足工藝可靠度約束的最優(yōu)解。(4)車身結(jié)構(gòu)多目標(biāo)離散穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計(jì)方法及其應(yīng)用研究:為了高效求解工程中的多目標(biāo)離散穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計(jì)問題,本文基于多準(zhǔn)則決策技術(shù)和連續(xù)田口方法開發(fā)了一套高效多目標(biāo)離散穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計(jì)算法。在該算法中,將灰色關(guān)聯(lián)分析和主成分分析相結(jié)合作為多準(zhǔn)則決策模型,用于將多個(gè)目標(biāo)轉(zhuǎn)換成單個(gè)度量指標(biāo);連續(xù)田口方法被用作優(yōu)化器,它在設(shè)計(jì)迭代期間直接調(diào)用必要的函數(shù)評估。通過一個(gè)數(shù)學(xué)算例和標(biāo)準(zhǔn)十桿桁架設(shè)計(jì)問題驗(yàn)證算法的有效性;最后,將該算法用到復(fù)雜的全尺寸車身結(jié)構(gòu)的耐撞性設(shè)計(jì)和TRB車門系統(tǒng)的多目標(biāo)設(shè)計(jì)當(dāng)中,結(jié)果表明:該算法能夠以相當(dāng)高效的方式實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計(jì),并且最優(yōu)結(jié)果可直接應(yīng)用于工程實(shí)際而無需進(jìn)一步的設(shè)計(jì)選擇。此外,由于該算法不依賴于代理模型技術(shù),因此對于高維工程設(shè)計(jì)問題其具有相當(dāng)大的應(yīng)用前景。
【圖文】：

、能源和材料等多個(gè)產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展。因此，汽車工業(yè)的合經(jīng)濟(jì)實(shí)力的體現(xiàn)，也是一個(gè)國家工業(yè)發(fā)展水平的重要標(biāo)志業(yè)發(fā)展迅速，根據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示：在量為 2901.54 萬輛，銷量為 2887.89 萬輛，同比增長 3.19%和聯(lián)世界第一。另外，根據(jù)中國公安部交管局發(fā)布的 2017 年關(guān)數(shù)據(jù)，其中汽車保有量又創(chuàng)歷史新高，首次突破兩億輛，長 11.86%[2]，也就是說我國汽車保有量連續(xù) 6 年增幅均超。但隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，其所帶來的環(huán)境污染、能也日益凸顯。因此，環(huán)保、節(jié)能和安全已經(jīng)成為目前汽車問題，而這些問題都與汽車輕量化密切相關(guān)。世界鋁業(yè)協(xié)會每減 10%，燃油消耗以及排放可分別降低 6%~8%與 5%~6，二氧化碳排放量就會相應(yīng)地減少 2.45kg[3]。從實(shí)現(xiàn)節(jié)能減輕量化將永無止境，與之相關(guān)的材料、成形以及設(shè)計(jì)方面業(yè)中的前沿和熱點(diǎn)。

不確定性優(yōu)化方法研究及其在 TRB 車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用車本身造價(jià)不被提高的前提下，盡可能地減輕汽車的自重。實(shí)大途徑：一是結(jié)構(gòu)輕量化，即通過拓?fù)鋬?yōu)化、尺寸與形狀優(yōu)化進(jìn)的設(shè)計(jì)手段實(shí)現(xiàn)零件的復(fù)合化、薄壁化和中空化等，，例如圖合金多胞前縱梁和凱迪拉克 CT6 的蜂窩式前輪罩[4]；二是材料用輕質(zhì)高強(qiáng)的新型輕量化材料實(shí)現(xiàn)汽車大幅減重，例如圖 1.2 料、鎂鋁合金、蜂窩鋁和泡沫鋁等。而近些年來在汽車工業(yè)中的激光拼焊板(Tailor welded blanks，TWB)技術(shù)既可以實(shí)現(xiàn)零件用高性能材料對零件進(jìn)行局部加強(qiáng)，以達(dá)到最優(yōu)的材料或板厚的說 TWB 技術(shù)是兩種輕量化方法的集大成者。TWB 結(jié)構(gòu)是將不、甚至是不同材料的金屬薄板拼焊在一起，然后經(jīng)過后期加工圖 1.3 展示了 TWB 結(jié)構(gòu)在車身典型零部件上的應(yīng)用，例如車門梁等[6,7]。
【學(xué)位授予單位】：湖南大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：U463.82


本文編號：2662328