基于多材料匹配的車身關鍵吸能結構輕量化設計研究.pdf

1、隨著新型輕量化材料的在汽車上的廣泛應用，尤其是高強度鋼和鋁合金以其優(yōu)良的吸能特性和輕量化效果被大量應用于車身關鍵吸能結構，因此不同屈服強度輕量化材料之間的匹配問題一直是研究的熱點。車身關鍵吸能結構是保證汽車被動安全性能的重要部件，在車身開發(fā)的不同階段對其進行輕量化設計的同時還要保證它的結構耐撞性能。在概念設計階段，設計周期較短，需要兼顧成本和輕量化效果并快速確定用材方案。多級吸能薄壁梁一般由多段薄壁梁通過焊接或螺栓連接組合而成，是汽車前

2、后端碰撞壓潰區(qū)最主要的吸能部件。通過大量昂貴的物理試驗或耗時的仿真優(yōu)化來確定它的用材方案并不理想，而經驗公式法則可以在滿足一定精度條件下幫助設計者快速而科學的確定用材方案。在詳細設計階段，車身結構和用材方案基本已經確定，此時仍可以通過優(yōu)化算法在保證車身性能的前提下使各零部件之間的厚度匹配更加合理，實現(xiàn)進一步的輕量化設計。因此，為了縮短該階段設計周期，選擇一種高搜索效率和高精度的優(yōu)化算法成為工程上亟需解決的問題。
　　概念設計階段，

3、針對多級吸能薄壁梁替換成輕量化材料后如何選擇最合理的厚度既保證它的結構耐撞性能又實現(xiàn)最佳的輕量化效果的問題，提出一種基于經驗公式的多材料匹配方法。將該方法應用于方形吸能盒和單帽型前大梁組合的實例后表明，各材料組合換材前后的平均碰撞力誤差基本控制在10％以內，且鋁合金和雙相鋼的材料組合輕量化效果最佳，減重達34.4％。此外，除了需要關注輕量化效果還需要考慮成本因素。因此，引入價值函數(shù)來評估不同材料匹配方案的綜合性能，以幫助汽車企業(yè)根據自身

4、發(fā)展需求選擇最佳的材料匹配方案。最后運用之前的實例分析了交換常數(shù)對選材方案的影響。研究結果表明，交換常數(shù)的取值與汽車廠商更加看重的是輕量化效果還是成本有關，并決定了最終的最佳材料匹配方案。
　　詳細設計階段，針對復雜耗時的黑匣子優(yōu)化問題，在混合元模型算法(Hybrid andAdaptive Meta-modeling Method，HAM)的基礎上，提出了一種搜索效率和精度更高的多組混合元模型的優(yōu)化方法（Multiple Hyb

5、rid Meta-modeling Method，MHM）。最后將該方法應用于某前艙子系統(tǒng)的關鍵吸能部件進行厚度匹配優(yōu)化。結果表明，相比初始設計質量減少5.4kg，下降比例達7.2％，而關鍵吸能部件的吸能特性并沒有下降以及整個子系統(tǒng)的加速度峰值沒有增加。
　　本文以車身開發(fā)流程為主線，針對不同的開發(fā)階段分別采用不同的多材料匹配方法對車身關鍵吸能結構進行輕量化設計。通過本文的研究為車身輕量化設計提供了一種新的思路，具有較好的工程應用