汽车车架耐撞性分析及其结构优化设计研究

论文摘要

对于非承载式车身结构的汽车,发生正面碰撞时,50%以上的碰撞能量由车架吸收,车架的耐撞性决定着整车的碰撞安全特性。随着汽车保有量的与日俱增,能源短缺和环境污染等问题也日益突出,采用结构优化技术降低车架质量对汽车节能和环保都具有重要意义。为避免经验设计带来的盲目性,将结构拓扑优化技术方法引入到车架开发中,可以带来更大的经济效益。本文以某越野车车架为研究对象,对车架几何模型进行网格划分,通过试验方法得到了车架材料的Johnson-Cook本构方程,最终建立了车架碰撞分析有限元模型。分析了该车架耐撞性不足问题,并对车架进行延长前纵梁、添加诱导槽、增加加强板等结构改进。改进后车架的碰撞变形有明显改善,碰撞的最大加速度从8×105mm/s2减小到4×105mm/s2以下,车架耐撞性显著提高。对改进后的车架进行初步的刚度和模态分析,验证了车架弯曲刚度和扭转刚度符合设计要求,并发现该车架一阶模态频率和发动机怠速运转频率非常接近容易引起共振这一问题。基于灵敏度分析方法,以车架质量最小为目标函数,在保证车架弯曲刚度、扭转刚度、低阶模态频率和耐撞性不降低的前提下,优化车架零部件厚度。优化结果表明：车架的总质量下降7.68%,同时弯曲刚度提高5.71%,扭转刚度提高1.12%,一阶模态频率从24.95提高到27.10,避开了发动机的怠速运转频率（25Hz）,优化效果较为显著。以车架体积分数为约束条件,车架柔度最小为目标函数,对车架常见的四种载荷工况进行了单工况拓扑优化设计。为避免单目标优化时目标过于单一,同时为了保证优化能得到Pareto最优解,最后提出一种基于折衷规划的多目标拓扑优化设计方法,对车架进行了四种载荷工况下的多目标拓扑优化设计研究,优化结果可为车架开发设计提供参考。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景和意义
• 1.2 国内外相关领域研究现状
• 1.2.1 结构耐撞性研究现状
• 1.2.2 结构优化研究现状
• 1.3 主要研究工具
• 1.4 主要研究内容
• 第2章 碰撞有限元分析及拓扑优化理论基础
• 2.1 碰撞有限元分析理论
• 2.1.1 基本方程
• 2.1.2 Belytschko-Tsay壳单元
• 2.1.3 时间步长
• 2.1.4 沙漏控制
• 2.1.5 接触问题
• 2.2 拓扑优化理论
• 2.2.1 常见拓扑优化方法
• 2.2.2 变密度法拓扑优化数学模型
• 2.2.3 SIMP密度插值模型
• 2.2.4 拓扑优化常用算法
• 第3章 车架耐撞性分析及改进
• 3.1 概述
• 3.2 车架有限元模型的建立
• 3.2.1 车架CAD模型
• 3.2.2 网格模型建立
• 3.2.3 材料模型
• 3.2.4 连接定义
• 3.3 车架耐撞性分析
• 3.3.1 相关参数设定
• 3.3.2 车架耐撞性分析
• 3.4 车架耐撞性改进及分析
• 3.4.1 车架耐撞性改进
• 3.4.2 改进后车架耐撞性分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 车架结构尺寸优化设计
• 4.1 概述
• 4.2 车架刚度和模态初步分析
• 4.2.1 车架刚度分析
• 4.2.2 车架模态分析
• 4.3 车架尺寸优化设计
• 4.3.1 优化设计模型
• 4.3.2 灵敏度分析
• 4.3.3 优化结果
• 4.4 本章小结
• 第5章 车架结构拓扑优化设计
• 5.1 概述
• 5.2 车架单工况拓扑优化设计
• 5.2.1 弯曲工况
• 5.2.2 左前轮悬空工况
• 5.2.3 左后轮悬空工况
• 5.2.4 前轮右后轮同时悬空工况
• 5.3 车架多工况多目标拓扑优化设计
• 5.3.1 线性加权法
• 5.3.2 折衷规划法
• 5.4 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文