薄板結(jié)構(gòu)成形與耐撞性優(yōu)化設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、薄板結(jié)構(gòu)成形與耐撞性設(shè)計一直是制約汽車產(chǎn)品開發(fā)速度與品質(zhì)的兩項關(guān)鍵技術(shù)。傳統(tǒng)的薄板結(jié)構(gòu)成形與耐撞性設(shè)計主要依靠工程技術(shù)人員的經(jīng)驗進行“試錯”來提高產(chǎn)品設(shè)計的質(zhì)量。這種試錯方法不僅耗時長、費用高，還往往難以保證產(chǎn)品設(shè)計的品質(zhì)。隨著有限元方法的發(fā)展和成熟，CAE技術(shù)已經(jīng)廣泛用于薄板結(jié)構(gòu)的成形與耐撞性設(shè)計。盡管有限元分析方法促進了車身類薄板結(jié)構(gòu)件的成形性和耐撞性研究的進步，一定程度上避免了設(shè)計的盲目性、減少了設(shè)計成本以及縮短了車身結(jié)構(gòu)的開發(fā)周

2、期，但是有限元方法本身僅作為一種分析手段，其主要功能只是對給定設(shè)計進行評價和校核。為了充分發(fā)揮CAE技術(shù)的潛能，將CAE技術(shù)與優(yōu)化算法相結(jié)合來提高薄板結(jié)構(gòu)的成形性和耐撞性已成為國際上許多學(xué)者研究的前沿課題。本文主要圍繞如何提高薄板結(jié)構(gòu)的成形性與耐撞性優(yōu)化設(shè)計的效率，精度以及結(jié)果的穩(wěn)健性等幾個關(guān)鍵技術(shù)展開研究。
　　 主要研究內(nèi)容如下：
　　 (1)提出了一種能量化沖壓件起皺缺陷和拉裂缺陷的指數(shù)加權(quán)評價準則，該準則具有對不

3、同的潛在失效單元賦予不同權(quán)重的優(yōu)點，且權(quán)重隨著拉裂、起皺的嚴重程度成指數(shù)函數(shù)增長。和現(xiàn)有的其它評價準則相比，將該準則作為板料成形優(yōu)化設(shè)計的目標函數(shù)具有更強的針對性，優(yōu)化結(jié)果能顯著的提高板料的成形質(zhì)量。在板料成形多目標優(yōu)化研究方面，本文提出了基于徑向基函數(shù)的板料成形多目標優(yōu)化方法。研究表明基于薄板樣條函數(shù)(Thin-plate spline)的徑向基函數(shù)模型非常適合作為板料成形仿真的代理模型。在多目標優(yōu)化迭代過程中，該方法調(diào)用的是代理模型

4、而非有限元模型，因此，提出的方法具有非常高的效率。同時，該方法能解決拉裂和起皺缺陷同時存在且相互沖突的問題。在薄壁結(jié)構(gòu)耐撞性研究方面，提出了一種新型的功能梯度泡沫填充薄壁結(jié)構(gòu)。該新型泡沫填充結(jié)構(gòu)的泡沫密度沿著長度方向成冪指數(shù)連續(xù)變化。數(shù)值算例表明，冪指數(shù)m對該結(jié)構(gòu)的耐撞性有重要的影響。在此基礎(chǔ)上，對該結(jié)構(gòu)的冪指數(shù)m進行了優(yōu)化設(shè)計。優(yōu)化結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)在能量吸收、變形穩(wěn)定性和最大峰值碰撞力方面比同質(zhì)量的均勻泡沫填充薄壁結(jié)構(gòu)具有更佳的耐撞性，

5、是一種潛在的性能卓越的吸能結(jié)構(gòu)。
　　 (2)提出了一種薄板結(jié)構(gòu)成形與耐撞性序列代理模型優(yōu)化設(shè)計方法，并對逐步序列的增加樣本點數(shù)量和逐步序列減少設(shè)計空間這兩種序列策略進行了研究。研究表明在樣本點數(shù)量相同的情況下，無論是基于哪一種序列策略的序列代理模型優(yōu)化設(shè)計方法的優(yōu)化結(jié)果的精度均比傳統(tǒng)的基于代理模型的優(yōu)化設(shè)計方法的優(yōu)化結(jié)果的精度高。同時，提出的方法還具有對初始樣本的數(shù)量與分布的依賴性相對較弱等優(yōu)點。DP800高強度鋼材料參數(shù)的反

6、求優(yōu)化設(shè)計和拉延筋幾何參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計結(jié)果表明了該方法具有非常高的精度和效率。在此基礎(chǔ)上，將單目標序列優(yōu)化方法拓展到了多目標優(yōu)化設(shè)計領(lǐng)域，提出了多目標序列代理模型優(yōu)化方法。并開展了拉延筋幾何參數(shù)多目標序列代理模型優(yōu)化設(shè)計和汽車結(jié)構(gòu)耐撞性多目標序列代理模型優(yōu)化設(shè)計方法研究。
　　 (3)為了充分發(fā)揮高精度模型計算精度高和低精度模型耗時少的優(yōu)點，提出了一種基于代理模型的板料成形變復(fù)雜度優(yōu)化設(shè)計方法。該方法的核心是首先在高精度模型和低精

7、度模型間建立一個補償模型，然后對低精度模型進行補償，補償后的低精度模型的仿真結(jié)果的精度將得到大大的提高，在優(yōu)化過程中可以代替高精度模型的結(jié)果。采用提出的方法對某汽車內(nèi)板的拉延筋進行了優(yōu)化設(shè)計研究，結(jié)果表明提出的方法的優(yōu)化效率盡管低于基于一步法的優(yōu)化效率，但優(yōu)化結(jié)果的精度卻得到了顯著的提高；與傳統(tǒng)的基于代理模型的優(yōu)化方法相比，在相同的求解效率下，提出的方法的求解精度更高。
　　 (4)由于薄壁結(jié)構(gòu)成形與耐撞性變復(fù)雜度優(yōu)化在迭代過程

8、中調(diào)用的低精度模型仍為有限元模型，這些模型在仿真過程中存在數(shù)值噪聲，目標函數(shù)易陷入因數(shù)值噪聲引起的局部峰值中，最終的優(yōu)化結(jié)果難以直接用于指導(dǎo)實際的設(shè)計。薄壁結(jié)構(gòu)成形與耐撞性數(shù)值模擬中，單元計算或接觸計算常常產(chǎn)生問題，導(dǎo)致在優(yōu)化過程中因單次仿真的失效而使整個優(yōu)化過程無法進行。為了解決上述問題，提出了兩步變復(fù)雜度優(yōu)化方法，并開展了板料成形和蜂窩結(jié)構(gòu)耐撞性的二步變復(fù)雜度優(yōu)化方法研究。研究結(jié)果表明該方法具有較高的效率和精度，特別適合求解像板料成

9、形和汽車碰撞這類復(fù)雜的非線性工程優(yōu)化問題。
　　 (5)進行了汽車構(gòu)件耐撞性可靠性優(yōu)化設(shè)計、薄壁構(gòu)件耐撞性6sigma單目標穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計和薄板沖壓成形6sigma單目標穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計研究。在此基礎(chǔ)上，提出了基于雙響應(yīng)面模型的6sigma多目標穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計方法。該方法不僅考慮了噪聲因素的波動對產(chǎn)品性能的影響，同時也解決了多個質(zhì)量特性之間互相沖突的問題。應(yīng)用該方法開展了汽車結(jié)構(gòu)耐撞性和板料成形多目標穩(wěn)健優(yōu)化研究。研究結(jié)果表明提出的方法