单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,基于多目标稳健性优化方法的,SUV,车身结构轻量化设计,基于多目标稳健性优化方法的,SUV,车身结构轻量化设计,答辩人,:,苏占龙,导 师,:,王 霄 教授,专 业,:,机 械 工 程,基于多目标稳健性优化方法的答辩人:苏占龙,1,汽车工程领域,三大,主题,安全,节能,环保,课题研究背景及课题提出,最为有效的途径,汽车轻量化,提高汽车碰撞安全性,1.,降低燃油消耗,2.,减少尾气排放,车辆碰撞类型,正碰,偏置碰,侧碰,后碰,侧翻,轻质材料,先进加工工艺,结构优化,实现轻量化的方法,同时保证,1,、致伤率,64.5%,，居第一位,2,、致死率,35%,，仅次于正碰,实现轻量化不能以牺牲安全性为代价，,因此要同时保证碰撞安全性,同时保证,被动安全,主动安全,汽车工程领域安全节能环保 课题研究背景及课题提出最为,2,课题,研究现状及,课题提出,汽车结构轻量化,单目标,确定性优化,多目标,确定性优化,多目标,稳健性优化,以轻量化为目标。,以轻量化与提高碰撞安全性为目标；,同时保证其他方面性能。,以轻量化、提高碰撞安全性与,提高稳健性为目标,；,同时保证其他方面性能。,同时考虑由于,加工不确定性,引起,的性能波动,少,提高汽车碰撞安全性,引入近似模型,课题研究现状及课题提出汽车结构轻量化单目标多目标,3,汽车侧面碰撞流程自动化系统的开发,2,SUV,有限元模型的建立与有限元分析,3,基于多目标稳健性优化方法的车身轻量化设计,4,总结与展望,本文主要研究内容,1,汽车侧面碰撞流程自动化系统的开发2SUV有限元模型的建立与有,4,汽车侧面碰撞,流程自动化,系统的开发,整车侧面碰撞有限元模型的建立,车门静态有限元模型的建立,Hypermesh通用前处理平台,SUV整车侧面碰撞性能分析,SUV车门模态性能分析,SUV车门刚度性能分析,汽车侧面碰撞流程自动化系统平台,初选,变量,参数试验设方法进行灵敏度分析，,筛选变量,最终,变量,基于拉丁超立方试验设计方法的,样本采样,响应面,近似,模型,与,Kriging,近似模型,的建立,基于多学科多目标确定性优化的车身结构轻量化,基于蒙特卡洛抽样的可靠性分析与质量水平检查,基于多学科多目标稳健性优化的车身结构轻量化设计,初步,了解,初始,设计,性能,总结与展望,本文技术路线,1,2,3,4,汽车侧面碰撞整车侧面碰撞有限元模型的建立车门静态有限元模型的,5,汽车侧面碰撞流程自动化系统的开发,开发,平台,Windows 7/Windows XP-(TCL/TK,脚本语言,),Hyperworks(Hypermesh,，,Hyperview),Process Manager,(,Process Manager,，,Process Studio,、,Framework),基于,Hyperworks,的汽车侧面碰撞分析流程自动化系统,材料、载荷数据库,1,汽车侧面碰撞流程自动化系统的开发开发平台Windows 7/,6,汽车侧面碰撞流程自动化系统的开发,1,图,1.1,侧面碰撞分析流程自动化系统流程树,通用前处理：,1,、导入模型，,2,、自动抽取中面,3,、赋予属性与材料,建立连接：,1,、焊点,2,、螺栓,3,、粘胶,建立接触与刚性墙：,1,、刚性墙,2,、自接触,3,、焊点接触,4,、粘胶接触,边界条件：,1,、初始,速度,2,、重力场,控制卡片：,1,、结束时间,2,、控制时间步,3,、单元控制,4,、接触、沙漏、能量控制等,输出卡片：,1,、二进制文件,2,、输出控制,开发,流程树,汽车侧面碰撞流程自动化系统的开发1图1.1 侧面碰撞分析流程,7,汽车侧面碰撞流程自动化系统的开发,自动抽取中面工具,材料与载荷数据库,钣金件：,N,零件号,_,项目代号,_T,厚度*,100;,实体件：,S,零件号,_,项目代号,1,CAD,模型中的连接信息,CAE模型中的连接信息,自动建立连接,(1),焊点连接,(2),螺栓连接,(3),粘胶等其他连接,（,粘胶、缝焊、铆接,）,汽车侧面碰撞流程自动化系统的开发自动抽取中面工具材料与载荷数,8,汽车侧面碰撞流程自动化系统的开发,建立连接的用户主界面,成果：,实现了,CAD,模型导入、抽取中面、建立连接、建立刚性墙与接触、施加边界条件、定义控制卡片与输出卡片的,流程自动化,，,大幅度提高了侧面碰撞有限元建模的效率,。,1,汽车侧面碰撞流程自动化系统的开发建立连接的用户主界面成果：实,9,SUV,有限元模型的建立与有限元分析,SUV,整车有限元模型的建立,CAD模型归类,与导入,电器,底盘,车身,附件,抽取,中面,网格,划分,网格,质量检查,整车,模型装配连接,螺栓,粘胶,焊接,万向铰,等其它,基于include文件的整车网格,材料、单元,属性定义,属性,卡片定义,材料,卡片定义,材料曲线,输入,积分,类型选择,Y,N,刚性墙与,接触的建立,几何,清理,粘胶、焊点,等其他接触,自接触,刚性墙,控制卡片,单元,控制,时间步,控制,结束,时间,沙漏,控制等,输出卡片,二进制文件,输出频率,d3plot,文件输出,其他文件,输出控制,初始条件,重力加速度,初始速度,导出子系统,k文件,2,红色框,-,流程自动化；网格划分手动完成,SUV有限元模型的建立与有限元分析SUV整车有限元模型的建立,10,汽车侧面碰撞流程自动化系统的开发,SUV,整车有限元模型的建立,底盘,车门,白车身,2,汽车侧面碰撞流程自动化系统的开发SUV整车有限元模型的建立底,11,汽车侧面碰撞流程自动化系统的开发,SUV,整车有限元模型的建立,整车有限元模型,2,汽车侧面碰撞流程自动化系统的开发SUV整车有限元模型的建立整,12,SUV,有限元模型的建立与有限元分析,SUV,整车侧面碰撞性能分析,(1),碰撞系统总能量分析,碰撞系统能量曲线,(2),整车变形分析,沙漏能与滑移界面能占总能量的百分比分别为,4.020%,和,2.269%,，小于,10%,的要求,前门、,B,柱、中门下部发生严重变形，,分析可靠,通过提高,B,柱、前门、中门附件结构的强度改善碰撞安全性能,2,SUV有限元模型的建立与有限元分析SUV整车侧面碰撞性能分析,13,SUV,有限元模型的建立与有限元分析,SUV,整车侧面碰撞性能分析,(3),前门与,B,柱测量点侵入量与侵入速度分析,测量点编号,代号,测量点最大侵入量,/mm,代号,测量点最大侵入速度,/ms-1,分析值,目标要求,分析值,目标要求,P1,Bd1,138.387,150,Bv1,8.153,8.5,P2,Bd2,154.249,160,Bv2,7.863,8.5,P3,Bd3,176.901,180,Bv3,7.715,9.5,P4,Bd4,184.464,190,Bv4,8.003,9.5,P5,Bd5,193.171,190,Bv5,9.762,10.5,P6,Dd6,49.364,100,Bv6,5.402,7.5,P7,Dd1,180.978,190,Dv1,8.851,9.5,P8,Dd2,189.070,200,Dv2,9.468,10.5,P9,Dd3,182.050,210,Dv3,10.246,10.5,P10,Dd4,195.853,210,Dv4,10.626,10.5,P11,Dd5,186.794,190,Dv5,10.044,10.5,测量点位置,测量点侵入量曲线,测量点侵入速度曲线,测量点最大侵入量与最大侵入速度表,2,SUV有限元模型的建立与有限元分析SUV整车侧面碰撞性能分析,14,SUV,有限元模型的建立与有限元分析,SUV,车门模态性能分析,前门一阶阵型,中门一阶阵型,前门二阶阵型,中门二阶阵型,前门三阶阵型,中门三阶阵型,车门前三阶模态振型图,2,SUV有限元模型的建立与有限元分析SUV车门模态性能分析前门,15,SUV,有限元模型的建立与有限元分析,SUV,车门模态性能分析,车门,模态阶数,代号,分析值,/Hz,目标要求,/Hz,振型描述,前门,1,Fmode,1,32.67,30,一阶扭转模态,2,Fmode,2,41.85,35,窗框,+,外板局部模态,3,Fmode,3,66.02,45,内板局部模态,中门,1,Rmode,1,30.81,30,一阶扭转模态,2,Rmode,2,37.54,35,内板,+,外板局部模态,3,Rmode,3,48.01,45,内板局部模态,车门前三阶模态频率与振型描述,SUV,车门刚度性能分析,窗框侧弯工况,Y,向位移云图,下垂工况,Z,向位移云图,(1),前门刚度,满足要求，存在轻量化设计空间,2,SUV有限元模型的建立与有限元分析SUV车门模态性能分析车门,16,SUV,有限元模型的建立与有限元分析,SUV,车门刚度性能分析,扭转工况,Y,向位移云图,(,窗框后下角,),扭转工况,Y,向位移云图,(,车门后下角,),(1),前门刚度,前门刚度各工况,加载位置,代号,分析位移值,/mm,LCBZ201301,目标位移值,/mm,窗框刚度,窗框后上角,Fstiffness1,4.320,8,扭转刚度,窗框后下角,(,上扭,),Fstiffness2,3.564,7,车门后下角,(,下扭,),Fstiffness3,3.738,7,下垂刚度,锁芯处,Fstiffness,4,1.835,5,前门刚度分析结果汇总表,远低于目标值，存在较大轻量化空间,2,SUV有限元模型的建立与有限元分析SUV车门刚度性能分析扭转,17,SUV,有限元模型的建立与有限元分析,SUV,车门刚度性能分析,(2),中门刚度,侧弯工况,Y,向位移云图,(,窗框前上角,),侧弯工况,Y,向位移云图,(,窗框后上角,),下垂工况,Z,向位移云图,(,窗框前上角,),下垂工况,Z,向位移云图,(,窗框后上角,),2,SUV有限元模型的建立与有限元分析SUV车门刚度性能分析(2,18,(2),中门刚度,下垂工况,Z,向位移云图,下垂工况,Z,向位移云图,(,窗框前上角,)(,窗框后上角,),中门刚度,加载位置,代号,位移值,/mm,SQGM,目标值,/mm,余量系数,窗框刚度,窗框前上角,chuangkuang_L,7.158,10,0.40,窗框后上角,chuangkuang_R,5.448,8,0.47,扭转刚度,车窗上角,(,上扭,),niuzhuan_up,12.736,16,0.26,车门下角,(,下扭,),niuzhuan_down,4.944,6.5,0.32,下垂刚度,前锁芯处,chuizhi_F,0.058,1.5,24.00,后锁芯处,chuizhi_R,0.189,3,14.79,中门刚度分析结果汇总表,SUV,有限元模型的建立与有限元分析,SUV,车门刚度性能分析,远离目标值，存在较大的轻量化空间,2,(2)中门刚度下垂工况Z向位移云图 下垂工,19,多目标稳健性优化方案的提出,3,基于多目标稳健性优化方法的车身轻量化设计,多目标稳健性优化方案提出,子模型建立,初始设计变量,变量筛选,（参数试验设计）,最优拉丁超立次方实验设计,构造,Kriging+,响应面近似模型,增加样本点,精度检验,NSGA-,NCGA,AMGA 多目标确定性优化,质量水平,检验,稳健性多目标优化,稳健性优化方案确定,更新近似模型,各优化算法的优化,结果与可靠性对比,蒙特卡洛抽样,简化模型，,降低单次抽样计算时间,减少变量，降低抽样次数,最终设计变量,可靠性分析,选择稳健性优化算法,多目标稳健性优化方案的提出3基于多目标稳健性优化方法的车身轻,20,侧面碰撞子模型的建立与验证,基于多目标稳健性优化方法的车身轻量化设计,子模型建立流程图,子模型边界条件提取,保证精度的条件下，降低了计算代价,3,侧面碰撞子模型的建立与验证基于多目标稳健性优化方法的车身轻量,21,侧面碰撞子模型的验证,基于多目标稳健性优化方法的车身轻量化设计,子模型,整车模型