S型框架結(jié)構(gòu)的耐撞性優(yōu)化設(shè)計(jì).pdf

1、在車輛設(shè)計(jì)領(lǐng)域的一個(gè)重要問(wèn)題是如何降低車身的重量和提高車身的碰撞安全性，以及增加乘員的安全性。車輛碰撞安全性的要求集中體現(xiàn)在保持車輛乘員室結(jié)構(gòu)完整性的同時(shí)，依賴于車身結(jié)構(gòu)的最大吸能特性。在確保乘員的有限生存空間極小縮減時(shí)，為了保證車輛的結(jié)構(gòu)輕巧及吸收碰撞能量的性能，調(diào)查S形車架縱梁的碰撞行為以減少其峰值力并提高其比吸能十分重要。本論文的目的是以適當(dāng)?shù)膬?nèi)部加固方式改善S形車架縱梁并實(shí)現(xiàn)最佳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。此外，發(fā)展了合適的優(yōu)化方法提高結(jié)構(gòu)的能量

2、吸收能力。因此，本論文的主要工作與創(chuàng)新點(diǎn)包括下列三個(gè)方面：
　　首先，針對(duì)受軸向動(dòng)態(tài)加載的S形框架結(jié)構(gòu)，發(fā)展了多角加強(qiáng)框架（MRF）及其基于多目標(biāo)粒子群優(yōu)化（MOPSO）算法的優(yōu)化設(shè)計(jì)。內(nèi)部硬化的方法是廣泛使用的截面增強(qiáng)方法之一。特別是，對(duì)于直梁結(jié)構(gòu)，左單斜線增強(qiáng)結(jié)構(gòu)顯示了高的比吸能。然而，對(duì)于 S形框架結(jié)構(gòu)，左單斜線增強(qiáng)方法難以防止或延緩彎曲崩潰，這會(huì)導(dǎo)致低能量吸收效率。為提高結(jié)構(gòu)內(nèi)部硬化方法的效果，提出了多對(duì)角加筋框架（MRF

3、）設(shè)計(jì)及其耐撞性多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)。在此優(yōu)化算法中，內(nèi)加強(qiáng)筋的厚度和壁厚被選擇作為設(shè)計(jì)變量，結(jié)構(gòu)的比吸能（SEA）和峰值壓縮力（PCF）被選擇作為優(yōu)化目標(biāo)。在優(yōu)化過(guò)程中，首先，全因子設(shè)計(jì)方法用于在設(shè)計(jì)空間中采取樣本點(diǎn)。然后，相應(yīng)的內(nèi)部加強(qiáng)的S形框架結(jié)構(gòu)的SEA和PCF通過(guò)采用非線性有限元軟件LS-DYNA得到?；谶@些采樣點(diǎn)的信息，多項(xiàng)式函數(shù)用來(lái)構(gòu)建SEA和PCF兩個(gè)最優(yōu)目標(biāo)的代理模型。通過(guò)比較這些代理模型的準(zhǔn)確性，發(fā)現(xiàn)SEA和PCF的四階

4、多項(xiàng)式函數(shù)代理模型是最準(zhǔn)確的。根據(jù)準(zhǔn)確的SEA和PCF的代理模型，利用多目標(biāo)粒子群優(yōu)化算法（MOPSO）算法對(duì)內(nèi)部加強(qiáng)S形框架結(jié)構(gòu)的耐撞性進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化。
　　第二，提出了在軸向動(dòng)態(tài)載荷作用下的泡沫填充S形框架的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。超輕金屬泡沫填充方法是強(qiáng)化S形框架構(gòu)件的有效方法之一。由于薄壁和泡沫填充物之間的接觸特性和泡沫填充物的塑性潰變特性，金屬泡沫填充物不僅可以提供高輕量化的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也可以增加S形框架結(jié)構(gòu)的能量吸收效率。另外，

5、能量吸收被認(rèn)為是高度依賴于泡沫的密度，其中所述泡沫體的密度較高，能量吸收亦較高。然而，據(jù)報(bào)道，泡沫填充結(jié)構(gòu)可以提高能量吸收，但也帶來(lái)峰值力的增加。為了克服這些缺點(diǎn)，本研究提出了使用局部泡沫填充的S形框架（PFSF）的一種結(jié)構(gòu)內(nèi)部加強(qiáng)方法，并提出一種基于代理模型和MOPSO算法的局部泡沫填充S形框架結(jié)構(gòu)耐撞性優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。對(duì)于局部泡沫填充的S形框架的優(yōu)化，薄壁厚度和泡沫密度的被選擇作為設(shè)計(jì)變量，而比吸能（SEA）和峰值壓縮力（PCF）被選

6、擇作為優(yōu)化目標(biāo)。在優(yōu)化過(guò)程中，全因子設(shè)計(jì)方法首先用于在設(shè)計(jì)空間中采樣。接著，采樣點(diǎn)相應(yīng)的局部泡沫填充S形框架結(jié)構(gòu)的SEA和PCF可以通過(guò)采用非線性有限元軟件LS-DYNA獲得?；谶@些采樣點(diǎn)的信息，采用多項(xiàng)式函數(shù)來(lái)構(gòu)建SEA和PCF兩個(gè)最優(yōu)目標(biāo)的代理模型。在預(yù)測(cè)SEA和PCF的代理模型中，通過(guò)比較這些代理模型的精度，發(fā)現(xiàn)三階多項(xiàng)式函數(shù)是最準(zhǔn)確的。基于SEA和PCF的精確代理模型，采用MOPSO算法對(duì)部分泡沫填充的S形框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了耐撞性

7、多目標(biāo)優(yōu)化。
　　第三，對(duì)功能梯度泡沫填充梁的彎曲塌陷行為和能量吸收特性進(jìn)行研究并提出了其優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。部分或全部的泡沫填充方法是通過(guò)使用均勻密度泡沫來(lái)填充空芯結(jié)構(gòu)的方法。然而，隨著薄壁結(jié)構(gòu)和泡沫密度不同，結(jié)構(gòu)的能量吸收能力變化大。為了獲得比均勻密度的泡沫填充空芯結(jié)構(gòu)更好的吸能效果，本研究提出開展研究功能梯度泡沫填充梁（FGFB）的三點(diǎn)彎曲行為的準(zhǔn)靜態(tài)數(shù)值模擬。首先，通過(guò)LS-DYNA非線性有限元分析，研究相同的重量的FGFBs和

8、均勻的泡沫填充梁（UFBs）的能量吸收特性。計(jì)算結(jié)果表明控制泡沫體密度的梯度指數(shù)參數(shù)（m）對(duì)結(jié)構(gòu)彎曲影響顯著。然后，基于響應(yīng)面法（RSM）和有限元法（FE），對(duì)FGFBs和UFBs進(jìn)行了優(yōu)化。在優(yōu)化設(shè)計(jì)中，梁的重量（W）被設(shè)定為設(shè)計(jì)目標(biāo)，梯度指數(shù)參數(shù)和梁的壁厚（t）被選擇為設(shè)計(jì)變量，并且梁的能量吸收（EA）被設(shè)定為設(shè)計(jì)約束。在優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，建立了FGFB和UFB的關(guān)于EA和W的三次多項(xiàng)式函數(shù)。將優(yōu)化結(jié)果應(yīng)于S形框架的結(jié)構(gòu)設(shè)置，并針對(duì)功