汽车接触碰撞仿真中的关键技术研究

论文摘要

计算机仿真技术在汽车设计制造中得到了越来越广泛的应用,特别是在汽车碰撞安全性设计中,仿真技术为缩短开发周期、降低成本起着很重要的作用。计算效率和计算精度是汽车接触碰撞仿真技术的关键。本文对参数反求方法、壳单元和沙漏控制算法、多时间步长算法等影响效率和精度的关键理论和方法进行了系统研究。本文的主要创新点包括以下几个方面:（1）材料参数的精度是影响仿真精度的关键因素。本文利用遗传算法的全局优化的优势,提出了一种基于改进遗传算法IP -μGA（a modified micro genetic algorithm with the strategy of Intergeneration Projection）和计算机仿真技术的参数反求方法,编制了相应的计算程序。为了克服遗传算法计算耗时多的问题,本文提出一种直接从冲压成形过程反求材料参数的方法。试验测量值为冲头的力-位移曲线,而待求的参数包括材料的特性参数和本构参数,采用移动最小二乘响应面法作为优化方法以减少调用正问题计算的次数。为了进一步提高计算效率,本文提出用解析式和有限元仿真结合的方法从冲压过程直接反求材料塑性参数。算例表明本方法在保证精度的前提下大幅度提高了计算效率。（2）壳单元算法是汽车接触碰撞仿真的核心算法之一。针对汽车碰撞和冲压成形过程的特点,本文提出了一种新的壳单元算法,编制了相应程序并集成到自主研发的碰撞仿真软件之中。该算法采用面内一点积分、物理稳定沙漏控制的计算格式,针对物理稳定单元存在的翘曲构型计算不精确和翘曲构型膜锁定问题,提出了两种翘曲构型沙漏控制策略,即:沙漏稳定性因子法、非翘曲影响域法。大量的算例和试验验证表明本文的壳单元算法提高了计算精度和稳定性。（3）对汽车碰撞和冲压成形过程的仿真基本上采用显式时间积分的格式。对于复杂的系统,采用多时间步长积分方法能很大程度地提高计算效率。在深入研究多时间积分方法即子循环法的基础上,本文提出了阻尼子循环法。该方法在常速度子循环法的基础上引入阻尼项以消除由于使用子循环法引起的计算误差和不稳定因素。对刚性连接的子循环方法也进行了深入的研究和处理,以满足碰撞过程仿真的需要。算例表明了阻尼子循环法的有效性。（4）本文提出用遗传算法进行某微车的约束系统改进优化,初始约束系统模型经过试验验证后被用来进行相关参数的优化。对于整车安全性的改进,采用结合结构碰撞安全性分析改进和约束系统遗传算法优化的方法进行。结构改进的好坏最终由车身变形的指标和假人的伤害指标来评判。综上所述,本文在参数反演方法、壳单元和沙漏控制技术、子循环方法和应用仿真技术优化实车安全性方面取得了一些成果,提出了三种材料参数反求的方法,为材料参数的准确获取提供了新的途径;提出了一个新的壳单元计算格式和两种翘曲结构沙漏控制方法,为提高汽车碰撞仿真精度探索了新的方法和途径;提出了阻尼子循环方法,为提高计算效率和减少误差提供了手段;提出了一条应用仿真技术和遗传算法解决微车碰撞安全性问题的切实可行的技术路线。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 材料参数反求方法概述
• 1.1.1 反求问题概述
• 1.1.2 基于仿真的材料参数反求概述
• 1.2 壳单元算法概述
• 1.3 子循环算法概述
• 1.4 基于碰撞仿真和遗传算法的微车安全性优化概述
• 1.5 课题研究的主要内容
• 第2章 车身材料参数反求新方法
• 2.1 引言
• 2.2 传统的材料参数获取方法存在的问题
• 2.2.1 材料模型
• 2.2.2 传统的材料参数获取方法及存在的问题
• 2.3 基于IP-μGA 遗传算法的材料参数反求
• 2.3.1 IP-μGA 算法和反求策略
• 2.3.2 由单轴拉伸试验反求铝镁合金5754-O 材料塑性参数
• 2.3.3 由单轴拉伸试验反求结果的试验验证
• 2.3.4 由吸能管碰撞试验反求DP800 材料参数
• 2.4 基于响应面方法和冲压试验的材料参数反求
• 2.4.1 响应面设计基本概念
• 2.4.2 基于响应面的参数反求策略
• 2.4.3 球头冲压矩形板试验反求结果
• 2.4.4 结论与讨论
• 2.5 材料参数直接反求方法
• 2.5.1 反求策略
• 2.5.2 遗传算法求解未知参数
• 2.5.3 数值算例
• 2.5.4 结论
• 2.6 小结
• 第3章 汽车接触碰撞仿真新型壳单元
• 3.1 引言
• 3.2 沙漏模式
• 3.3 一点积分物理稳定壳单元计算格式
• 3.3.1 坐标系
• 3.3.2 运动方程
• 3.3.3 应变率公式
• 3.3.4 弹塑性应力的计算
• 3.3.5 节点内力公式
• 3.4 稳定性因子
• 3.4.1 稳定性因子方法计算格式
• 3.4.2 数值算例
• 3.5 翘曲构型影响域
• 3.5.1 翘曲影响域定义
• 3.5.2 数值算例
• 3.6 小结
• 第4章 汽车接触碰撞仿真阻尼子循环算法
• 4.1 引言
• 4.2 子循环算法介绍
• 4.2.1 Belytschko 常速度子循环算法
• 4.2.2 常加速度子循环算法
• 4.2.3 Smolinski 常速度子循环算法
• 4.3 子循环算法比较
• 4.4 刚性连接的子循环算法
• 4.5 阻尼子循环算法
• 4.6 计算结果与比较
• 4.7 小结
• 第5章 基于遗传算法的微车碰撞安全性改进
• 5.1 引言
• 5.2 某微车初始经验设计整车试验结果及存在的主要问题分析
• 5.3 碰撞仿真分析模型验证
• 5.3.1 仿真与试验的变形对比
• 5.3.2 车身加速度比较
• 5.3.3 约束系统验证
• 5.4 结构和参数优化
• 5.5 优化后试验结果以及仿真结果验证
• 5.6 小结
• 结论
• 展望
• 参考文献
• 附录 A 攻读学位期间所发表和已投稿的学术论文目录
• 附录 B 材料参数反求适应度函数及输入输出子程序
• 致谢