論文 - 基于碰撞安全性的轎車車身結構輕量化設計

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1、 畢業(yè)設計報告(論文) 論文(設計)題目 基于碰撞安全性的轎車車身 結構輕量化設計 作者所在系別 機電工程學院 作者所在專業(yè) 車輛工程 作者所在班級 B13141 作 者 姓 名 作 者 學 號 指導教師姓名 指導教師職稱 講師 完 成 時 間 2017 年 5 月 北華航天工業(yè)學院教務處制 基于碰撞安全性的轎車車身結構輕量化設計 摘 　要 汽車的發(fā)展永遠離不開社會發(fā)展的需求，節(jié)能環(huán)保已成為當今的鮮明主題。汽車輕量化技術在基本性能不變的情況下，可

2、以提高車的動力性，減少能耗，降低排氣污染，最后實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保，因此汽車輕量化技術成為了汽車研究領域內的一項重要課題，有著十分迫切的需求和廣闊的發(fā)展前景。而車身結構輕量化作為整車輕量化的有效途徑之一,近年被廣泛研究應用。本文即是基于碰撞安全性，對轎車車身結構進行輕量化設計。在確保模態(tài)基本不變的條件下，追求車身質量最輕，選擇車身上的零件，進行厚度的減小，再綜合考慮板材的加工工藝和成本對零件進行第一階段的優(yōu)化。接下來，根據安全性再對第一階段的優(yōu)化結果進行調整，使輕量化的車身達到安全性的要求。以此實現(xiàn)了基于安全性的車身結構輕量化設計。 關鍵詞 : 輕量化設計 車身 安全性

3、 全套設計加153893706 Lightweight Design of Car Body Structure Based on Collision Safety Abstract The development of the car can never be separated from the needs of social development, energy conservation and environmental protection has become a bright theme today. Car lightweight tec

4、hnology in the basic performance of the same circumstances, can improve the vehicle's power, reduce energy consumption, reduce exhaust pollution, and finally achieve energy saving and environmental protection, so the car lightweight technology has become an important issue in the field of automotive

5、 research , Has a very urgent demand and broad prospects for development. The lightweight structure of the vehicle body as one of the effective way of lightweight vehicle, in recent years has been widely studied and applied. This paper uses a car to study, based on the collision safety, the car body

6、 structure lightweight design. To ensure that the basic state of the same conditions, the pursuit of the lightest body quality, select the parts on the body, the thickness of the reduction, and then consider the plate processing technology and cost of the first phase of the optimization of parts. Ne

7、xt, according to the safety of the first phase of the optimization results to adjust, so that the lightweight body to achieve the safety requirements. In order to achieve a security based on the lightweight structure of the body design. Key words: Lightweight design of body safety

8、 II 北華航天工業(yè)學院 本科生畢業(yè)設計（論文）原創(chuàng)性及知識產權聲明 本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設計（論文） 基于碰撞安全性的轎車車身結構輕 量化設計 是本人在指導教師的指導下，獨立進行研究工作取得的成果。除文中已經注明引用的內容外，本設計（論文）不含任何其他個人或集體已經發(fā)表或撰寫過的作品或成果。對本設計（論文）的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。因本畢業(yè)設計（論文）引起的法律結果完全由本人承擔。 本畢業(yè)設計（論文）成果歸北華航天工業(yè)學院所有。本人遵循北華航天工業(yè)學院有關畢業(yè)設計（論文）的相關規(guī)定，提交畢業(yè)設計（論文）的印刷本和

9、電子版本。本人同意北華航天工業(yè)學院有權保存畢業(yè)設計（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務；可以采用影印、縮印、數字化或其它復制手段保存論文；在不以營利為目的的前提下，可以公布非涉密畢業(yè)設計（論文）的部分或全部內容。 特此聲明 畢業(yè)設計（論文）作者： 指導教師： 年 月 日 年 月 日 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 目 錄 摘 　要 I Abstract II 第1章 緒論 1 1.1 引言 1

10、 1.2課題的研究背景和意義 1 1.3綜合安全性和輕量化的國內外研究現(xiàn)狀 2 1.4汽車車身輕量化的可行途徑 4 1.5本章小結 5 第2章 車身結構輕量化設計中運用的原理 6 2.1 引言 6 2.2 車身結構輕量化設計的有限元 6 2.3車身結構的基本知識 6 2.4小結 7 第3章 優(yōu)化設計與模態(tài)分析 8 3.1引言 8 3.2優(yōu)化分析簡介 8 3.2.1優(yōu)化設計簡述 8 3.3車身結構優(yōu)化設計 9 3.3.1優(yōu)化設計模型 9 3.3.2模態(tài)分析 9 3.4本章小結 15 第4章 輕量化設計 16 4.1引言 16 4.2劃分網格圖 16 4

11、.3輕量化前后模態(tài)分析比較 17 4.4優(yōu)化結果分析 19 4.5驗證第一階段的輕量化結果 19 4.6本章小結 23 第5章 總結和展望 24 5.1全文總結 24 5.2研究工作展望 24 致 謝 25 參考文獻 26 第1章 緒論 1.1 引言 汽車的出現(xiàn)，徹底的革新了人類生活方式。汽車出現(xiàn)至今，不再向以前那樣僅僅是一個交通工具那么簡單，它每時每刻都影響著我們的方方面面。從經濟角度談，汽車產業(yè)和汽車消費對一個國家經濟的影響都是顯著的；從日常生活講，汽車方便我們的生活?？墒窃谙硎苤N種便利的同時，汽車帶來的負面效應已經慢慢展現(xiàn)出來，而且越來越糟糕。于是汽車變

12、成了一把雙刃劍，在推動經濟發(fā)展，方便人類生活的同時，它又出現(xiàn)了不利于可持續(xù)發(fā)展的嚴重隱患。 一方面，汽車的發(fā)展損耗著大量不可再生的自然資源。查閱相關資料發(fā)現(xiàn)，截止到2017年3月底，我國擁有的汽車數量已經達到了2億，全世界汽車的數量已經超過了13億，這表明汽車的影響已經很大；2016年我國的三大類成品油消費3.13億噸，其中汽油消費全年大約1.19億噸，95%以上為汽車消費；另一方面，汽車尾氣的排放已造成了嚴重的大氣污染，讓人類賴于生存和發(fā)展的自然環(huán)境得到了破壞；而且，汽車工業(yè)對環(huán)境的損害不但是此，它牽扯到了相當多的方面和領域。 總而言之，整個世界的汽車行業(yè)都在面臨著巨大挑戰(zhàn)，環(huán)境污染和能

13、源消耗十分嚴重，所以必須著眼于技術革新，方能得到可持續(xù)發(fā)展。目前迫切需要解決的兩大問題是減少環(huán)境污染與節(jié)約資源。西方國家大都采取了相關的措施，比如制定嚴厲的汽車排放法規(guī)、革新技術，實現(xiàn)節(jié)約型生產?？墒?，就目前的技術手段而言，只有汽車輕量化技術才是提高其燃油經濟性、降低能耗、減少污染排放的有效手段 ；所以，怎樣有效地減輕汽車重量成為了目前汽車工業(yè)面臨的最緊要的問題。為了今后汽車行業(yè)的健康發(fā)展，各個汽車廠家都越來越重視汽車的輕量化研究，所以直接推動了汽車輕量化的向前發(fā)展。相信在未來一段時間,輕量化將成為世界各汽車廠商的核心競爭技術。而車身結構輕量化設計作為有效途徑之一,近年來被大力研究。 1.2

14、課題的研究背景和意義 自1886年汽車出現(xiàn)至今，其發(fā)展歷史已經一百三十多年，汽車早已成為世界向前發(fā)展的推力，在使用汽車的這段時間，我們總是不斷完善其結構與外觀；提高其性能，來滿足我們的要求。隨著社會經濟的快速發(fā)展，當今汽車設計和生產的要求變得十分高，汽車發(fā)展和改進的主流方向逐漸朝著環(huán)保性、舒適性、安全性、輕量化、信息化等方面，當中對輕量化，安全性的要求最為關鍵也最為急迫，它也是有效改善環(huán)境問題，走向可持續(xù)發(fā)展的關鍵。 相關研究指出汽車輕量化技術可以顯著地提高汽車的性能。第一，輕量化設計使得轎車的質心高度下降，使得汽車的安全性和駕駛平穩(wěn)性得以提高。減輕汽車質量，還減小了動力和傳動系統(tǒng)的載荷，

15、表現(xiàn)出比以前更好的性能。倘若簧載質量可以下降，那就會提高平穩(wěn)性和舒適性。第二，國家的汽車碰撞安全法規(guī)逐漸嚴厲，大大提高了人們對轎車的安全性認識，而汽車輕量化技術可以使得汽車安全性增加；從安全性的角度來考慮，質量減少后汽車的慣性變小，從而縮短了制動距離。在此同時，汽車上應用了不少擁有較好吸能性能的輕量化材料，較大程度上吸收了碰撞時產生的能量，使得汽車的碰撞安全性提高了很多。第三，汽車輕量化能夠減小行駛過程中受到的阻力，從而減少燃油消耗，節(jié)約有限能源。 西方著名汽車研究院所發(fā)現(xiàn)，汽車行駛過程中約六成的燃油被汽車本身重量浪費掉，汽車質量每減小10%，可減少油耗 6%到8%，排放量降低 5%到6%。

16、而且，車身上大多數零部件的形狀都十分的不規(guī)則，加工工藝為沖壓成形，在汽車自身重量中又占有較高比例。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，車身質量較小的車輛，車身質量大約占到了整車重量的一半左右在車輛行駛工況下，約七成的燃油消耗被無情的浪費在車身質量上。于是，車身結構輕量化成了整車輕量化研究的關鍵部分，也是當前車身設計的主流方向。為了使汽車走上可持續(xù)發(fā)展的道路，向著節(jié)能環(huán)保與安全的大方向健康發(fā)展，汽車廠家大力研究汽車的輕量化技術，因此推動了汽車輕量化的發(fā)展。在此背景下我們選擇了此次的設計課題。 1.3綜合安全性和輕量化的國內外研究現(xiàn)狀 計算機有限元分析和仿真技術的快速發(fā)展，加快了汽車被動安全性的研究。經過全球汽車專家的

17、不斷攻克，在車身結構的輕量化和安全性方面有了比較深入的研究，下面介紹國內外的研究現(xiàn)狀： 孫宏圖等將轎車正面碰撞安全性和車身基本力學性能結合起來，對轎車車身上的零件先是進行靈敏度計算分析，找出靈敏度數值小的零件，減輕其質量，實現(xiàn)輕量化。接著運用有限元模擬仿真軟件，對轎車的正面碰撞和假人的實驗結果進行了分析計算。再與輕量化前的結果數值的進行比較，得出了輕量化的結果，車身質量減少5%。 施頤等將轎車的彎曲剛度力學性能與及轎車的側面耐撞的一些指標結合起來,利用數學方法成功的建立了主要指標接近的近似模型,克服了運用單純的數學理論進行優(yōu)化時計算工程量太大、短時間內得不到分析結果的困難。緊接著,基于自適

18、應的相關理論研究，它們又發(fā)現(xiàn)了一種十分好用的優(yōu)化方法,在保證各種主要指標的條件下,通過減輕重量或改變材料，實現(xiàn)車身零件的優(yōu)化,進而達到車身輕量化的研究目的。 欒家男采用正交試驗法對車輛輕量化進行處理和耐撞性的分析。在汽車輕量化研究過程中，他發(fā)現(xiàn)了 5 個可以用來衡量正面碰撞安全的主要指標?？紤]碰撞影響大小對車身前端的零部件進行篩選，選出后的零件再對其輕量化，選擇運用有限元軟件進行仿真分析，節(jié)省了實車碰撞所需大量資源。又對車身前艙進行了一系列的優(yōu)化研究，經過分析比較，同樣滿足碰撞安全性的要求。他在考慮正面碰撞的安全性的前提下，很好的實現(xiàn)了輕量化的設計優(yōu)化目標，為以后的研究分析提供了基礎。 張

19、國勝等建立白車身的有限元模型，并通過有限元軟件進行模擬仿真分析，主要考慮了車身的力學性能和模態(tài)，驗證了計算機模擬仿真分析時，所使用的有限元模型的真是有效性。在驗證了模型有效的基礎之上，又綜合考慮車身相關的主要力學性能指標，考慮實際生產過程中的生產加工工藝和成本，對轎車車身零部件的制造板材厚度的進行改變，減輕一定質量。實現(xiàn)了轎車力學性能主要指標基本不變，輕量化后的車身質量大大降低，為以后的車身結構輕量化設計提出了一種可利用的研究方法。 陳曉斌等首次在車身輕量化設計的整車碰撞仿真研究中，綜合了正面碰撞與側面碰撞兩個方面，更加全面的考慮了整車安全性。通過正面碰撞試驗的主要衡量指標 B柱加速度曲線圖

20、的分析比較，驗證了正面碰撞的安全性得到滿足。再對側面碰撞主要衡量指標前后車門侵入量以及它們的侵入速度曲線圖進行分析計算，驗證了側面碰撞的安全性。從兩個方面更全面的考慮了安全性，并且實現(xiàn)了車身的輕量化目標，為以后的相關研究提供了指導。 葉輝等提出了車身零件靈敏度的分析方法，之后考慮側面碰撞的安全性，對轎車車身使用輕量化的設計手段。先以轎車車身零件的板材厚度為變量,以車身力學性能即模態(tài)和剛度作為約束,選取對靈敏度數值最小的幾個車身零件,減少其板材厚度。對白車身進行質量最小的優(yōu)化分析。最終取得的成果為白車身總重量減少14.8kg。最后對輕量化第一階段取得的成果進行碰撞分析調整，主要進行了的整車側面

21、碰撞的模擬計算,最后模擬仿真結果表明第一階段的輕量化滿足要求。這就是實現(xiàn)了在滿足碰撞安全性的要求的同時, 車身輕量化得到實現(xiàn)。 Ho等人使用了單與多目標的優(yōu)化方法對擁有泡沫狀鋁填充物的薄壁方形柱結構進行數值法的輕量化設計，以薄壁梁的板材厚度和填充物的使用密度作為設計變量，以比吸能和最值碰撞力為約束條件，運用數學理論中的一些平均方法得出了相關的數學形式方程式，最后實現(xiàn)了方形柱結構的輕量化設計。 Zhou等人以輕質材料的運用為基礎研究了轎車前縱梁的碰撞安全性能：前縱梁一部分使用輕質材料鋁，第部分為了安全性能仍然使用較高強度的鋼板材料。試驗結果指出，這樣的混合材料以及輕質材料的使用，可以大大的

22、提高縱梁碰撞時吸收碰撞能量的能力，同時使得前縱梁重量的重量大大的降低，實現(xiàn)了其輕量化。 Cui等人對車身上的薄壁結構進行優(yōu)化設計。主要方式為運用新型輕質材料，吸能較強的材料對原有材料進行替換。實驗結果現(xiàn)實，通過對零件以及車身部分零件進行新型輕質材料的更換，在考慮加工工藝和企業(yè)生產成本的情況下，盡可能的減少轎車車身質量，提高動力性，節(jié)能環(huán)保的同時優(yōu)化了汽車車身結構。 Zhang等提出了運用魯棒優(yōu)化的設計方法。文中主要運用這種方法對轎車前縱梁實現(xiàn)優(yōu)化設計的目標，一方面考慮響應面的因素，另一方面使用試驗設計方法，最后得以構造出轎車前縱梁的結構性能函數。經過計算分析得出優(yōu)化結果，然后再綜合考慮

23、板材厚度、材料類別以及加工生產的影響，應用數學理論中的序列二次規(guī)劃算法對結果進行調整，使轎車前縱梁的質量下降 29.36%。 1.4汽車車身輕量化的可行途徑 汽車車身的目的在于確保汽車的被動安全性能、模態(tài)和剛度等性能不變的前提下，輕量化汽車車身從而降低整車質量，由此減少車身材料及燃油的消耗，減少尾氣污染，提高汽車動力性能。目前，國內外汽車輕量化技術的方法主要包括：（1）使用輕質材料，如鋁-鎂合金、單獨鈦合金、高強度結構鋼、塑料、生態(tài)環(huán)保復合材料及陶瓷等的應用；（2）整車車身結構的優(yōu)化設計，根據以往經驗借助計算機有限元進行分析，選出想要分析的；對分析的部分做出最優(yōu)的調整，找出最合適最優(yōu)的方案

24、。（3）汽車生產制造過程中技術手段和新型工藝的不斷創(chuàng)新。例如零部件之間的連接新方法，零件的新工藝，車身結構新的優(yōu)化設計方法。 新型輕量化材料是指滿足原本需要的性能并且質量較原來減輕的新型材料，是當今車身輕量化的重要方式之一，它包含兩個大的種類：一種是密度較低但吸收能量強的輕質材料，如鋁-鎂合金、鈦合金、合成塑料等其他創(chuàng)新材料；另一種是高強度不易變形的材料，如高強度鋼等。根據最新研究統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，2010 年~2016年，美、日、英、德等發(fā)達國家在汽車生產中較多的運用了上述兩種材料。平均每輛車的使用材料重量變化都發(fā)生了較大改變，最后基本都實現(xiàn)了整車重量的大大降低。 車身結構優(yōu)化設計是指在對車身輕

25、量化設計時，運用計算機有限元模擬分析仿真軟件，代替實車碰撞試驗，減少對能源和資源的浪費，對車身進行一系列的性能分析，大致包括模態(tài)，靜動力學等等，最后再對分析出來的的一些力學性能，進行理論分析研究。以此實現(xiàn)對車身的優(yōu)化設計。目前的優(yōu)化技術主要分為三種，即拓撲優(yōu)化、形狀優(yōu)化和尺寸優(yōu)化。在確保車身性能滿足設計要求的前提下，讓車身質量盡可能的變得更小。 除了以上兩種方法，采用先進的零件創(chuàng)新工藝也是車身結構優(yōu)化分析的一個主要方向。創(chuàng)新出來的技術有：變截面薄板技術、連續(xù)變截面薄板TRBS、空心連續(xù)變截面鋼管TRT、噴射成形技術、激光焊接技術、液壓成形、半固態(tài)鑄造技術等等。 這三種輕量化技術并不是獨立而

26、不存在任何關系的，反而是緊密相連，互相輔助的，僅僅使用當中的某一種雖然可以實現(xiàn)輕量化，但是不會取得特別滿意的輕量化結果。輕量化設計的最先即是對結構的優(yōu)化設計，再結合其他兩種輕量化方法或安全性，讓材料的利用效能達到最大化。進一步解釋即為，在綜合結構優(yōu)化設計和使用輕量化材料時，為了使汽車質量變得更小，往往需要使用創(chuàng)新型的生產加工工藝，而創(chuàng)新行工藝的出現(xiàn)反過來又會擴大優(yōu)化設計和新材料的適用范圍。 1.5本章小結 本章主要介紹了課題的研究背景，輕量化是當前實現(xiàn)環(huán)保，安全的最有效的技術手段，已經被世界各大汽車公司大力研究，這都有力的推動了輕量化技術的發(fā)展。接下來主要介紹了基于安全性的轎車車身結構輕量

27、化的國內外研究現(xiàn)狀，無論是國內還是國外，研究輕量化技術時，都考慮到了汽車現(xiàn)實中會發(fā)生碰撞，即考慮在汽車輕量化是考慮安全性的需要。最后介紹了實現(xiàn)輕量化的三種途徑，分別為使用新型的輕質材料，基于有限元軟件的結構優(yōu)化設計，革新零件的生產工藝。 第2章 車身結構輕量化設計中運用的原理 2.1 引言 本文在對轎車車身結構輕量化設計時考慮了基本力學性能的影響。通過對車身零部件進行有限元模態(tài)和頻率分析 ，再考慮零件的實際情況，選出對模態(tài)影響不大的一些零件。綜合生產成本、生產工藝、碰撞影響大小的情況下對這些零件進行厚度的優(yōu)化

28、調整，以此實現(xiàn)轎車車身結構的輕量化設計。 2.2 車身結構輕量化設計的有限元 有限元分析軟件是隨著計算機的迅速發(fā)展而出現(xiàn)的， 它是為了解決用數學方法分析過于復雜的難題。在有限元出現(xiàn)的初期，這種十分有用的有效的分析方法在結構的靜、動態(tài)特性分析中就被應用。后來科學家的大力研究費力推導，最后成功的導出了彈塑性矩陣，加快了有限元法在彈塑性方面的發(fā)展進程。1970 年，研究人員又成功的建立了全網格的不同以往小位移小應變，較大的彈塑性有限元法。1973有人年發(fā)現(xiàn)了剛塑性有限元法。同年， Chung 等人建立了熱粘彈塑性有限元法。這一時期對于有限元分析方法的大量研究使得當時出現(xiàn)了大量的研究有限元方法的理

29、論。這為有限元之后在計算機上或者是現(xiàn)實中的運用提供了強有力的指導。有限元法在汽車結構分析上的使用可以查找到1976年，可是早期的有限元分析大多僅僅對車身進行簡單的分析，而無法真正直線汽車的輕量化。1976 年，美國軟件開發(fā)公司成功開發(fā)出了一款通用的有限元程序 DYNA3D，為以后相關的有限元分析所用的有限元程序的產生提供了堅實的基礎。待軟件發(fā)展完善之后，顯式動態(tài)有限元方法為汽車整車碰撞安全性研究提供了有力工具，許多汽車研究者開始運用這種方法對汽車碰撞安全性進行一系列的深入研究和分析，還有一部分研究者開始對車身結構輕量化進行的相關設計。 2.3車身結構的基本知識 汽車的車身結構大多按照其受力

30、情況來進行分類。它可以劃分為三種承載方式，分別為非承載式，半承載式和承載式。這三種方式各有優(yōu)劣，需要根據具體要求來進行選擇。下面對這三種結構進行大致的介紹。非承載式的汽車車身具有一個剛性的車架。把動力傳遞系統(tǒng)的零部件以及車身上的零部件全都固定在這個剛性的車架上，車架再與車輪相互聯(lián)接。這種非承載式車身有一些較大的缺點，往往是比較笨重，提高了重心的高度。所以一般用在體型較大的車輛上；但是它有高的地盤，就算受到一定的沖擊力，也不會傳到車身之上。承載式車身的汽車說白了就是整個車身是一個整體的結構，沒有剛性車架。但是這種承載式車身的穩(wěn)定性較為強大，質心高度也較低，生產時也較為容易。經過不斷地研究創(chuàng)新，使

31、得這種方式的汽車更加平穩(wěn)和安全，所以現(xiàn)在的轎車基本上都采用了這種結構方式。半承載式車身就是介于兩者之間的一種結構，它是將車身與底部架子相互接觸，使其能夠起到車架的一些作用。 轎車的車身大致包括以下部件：1、發(fā)動機蓋 2、前檔泥板 3、前圍上蓋板 4、前圍板 5、車頂蓋 6、前柱 7、上邊梁 8、頂蓋側板 9、后圍上蓋板 10、行李箱蓋 11、后柱 12、后圍板 13、后翼子板 14、中柱 15、車門 16、下邊梁 17、底板 18、前翼子板 19、前縱梁 20、前橫梁 21、前裙板 22、散熱器框架 23、發(fā)動機蓋。其車身零部件位置圖如下圖1所示。

32、 圖2-1汽車車身部件位置 2.4小結 本章主要介紹了轎車車身的大致分為三種結構以及其包含的主要零部件所在位置；車身結構輕量化優(yōu)化設計中運用到的有限元理論知識；有助于下文中的輕量化設計。這些介紹對于下文的輕量化設計，有這十分重要的幫助。選出對車身性能影響不大的零件，以達到車身質量減小的目標，又保證轎車的車身整體性能基本不變或在一定的允許范圍內。 第3章 優(yōu)化設計與模態(tài)分析 3.1引言 首先建立一些零件的模型，之后將其模型導入有限元軟件進行簡化和其他處理，使其符合相關的要求，可以進行模擬分析。分析車身零件的一些性能，例如模態(tài)分析、非靜力分析，選

33、取車身的幾個零件進行有限元分析，選取出影響較小的零件作為優(yōu)化對象，實現(xiàn)第一階段的輕量化設計。接下來再檢驗其是否滿足碰撞安全性，驗證輕量化設計的可行性。 3.2優(yōu)化分析簡介 結構優(yōu)化是眾多方案選擇最佳方案的技術。一般而言，產品的設計主要分為兩種形式，一種叫做功能設計，另一種叫做優(yōu)化設計。功能設計強調的是該設計能達到預定的設計要求，但仍能在某些方面進行改進；優(yōu)化設計是一種尋找確定最優(yōu)化方案的技術。 3.2.1優(yōu)化設計簡述 所謂“優(yōu)化”是指“最大化”或者“最小化”，而“優(yōu)化設計”，指是一種方案可以滿足所有的設計要求，而且需要的指出最少。 優(yōu)化設計有有兩種分析設計方法。由于解析法需要利用數學

34、的方法進行列微分方程，再求解微分方程，這對于復雜的問題來說往往十分的困難，而且計算工程量往往是巨大無比，所以這種方法通常只適合用于理論研究，無法成熟的簡單的應用到實際當中來。 以往的結構優(yōu)化設計往往比較簡單。通常是由有相關經驗的設計者編寫出幾個不一樣的優(yōu)化方案，一起討論分析作對比。以便于甄選出最佳的設計優(yōu)化方案。這種粗糙方法，往往只適合以前科學技術水平有限時，大多數只是一個有些許經驗的設計者提出的，往往不一定是最優(yōu)方案。但是計算機發(fā)展到今天，我們彎曲那可以依靠計算機完成這些復雜的工作，到目前為止能做這些方面的的軟件開發(fā)出來的也并不多，美國開發(fā)ANSYS軟件作為最好用的有限元分析軟件，它具有很

35、強大的優(yōu)化設計功能——結構尺寸優(yōu)化，其本身提供的算法能滿足工程的需求。 結構優(yōu)化設計時往往在保持產品的一些主要性能參數不變并對其進行添加約束的前提下，通過改變結構中其它一些可以改變的設計變量，是材料的參數或零件的力學特性，來實現(xiàn)目標，就是結構優(yōu)化設計。例如本文對一個小轎車的車身結構進行的優(yōu)化設計就是在保證小轎車主要力學指標和分析指標不變的前提下，對小轎車車身零件進行敏感度分析，減輕零件的質量來追求車身質量的最小化，再根據成本和技術對車身零件的厚度進行調整優(yōu)化，實現(xiàn)第一階段的輕量化設計。 3.3車身結構優(yōu)化設計 將生成的有限元模型導入有限元分析軟件中，對其進行分析。把車身力學性能模態(tài)作為優(yōu)

36、化設計的約束條件，先通過分析軟件測出其車身結構件的輕量化前后的模態(tài)，選出影響較小的零部件進行厚度變化，進行車身結構的輕量化設計。 3.3.1優(yōu)化設計模型 轎車車身結構優(yōu)化設計模型是將模態(tài)作為約束條件,把降低車身重量作為優(yōu)化目標,對轎車車身某些零部件的厚度進行優(yōu)化設計。我們經常用非線性策劃的方式表示,轎車車身結構優(yōu)化設計模型的數學函數可以分析為最小f(x),f(x)為目標函數,是車身結構質量的數學函數,x為車身零件厚度的參數。 優(yōu)化設計的約束條件可以表示為(x)≤ 0(j=1,2,3,… ,n), (x)為約束函數,包括模態(tài)頻率約束條件。 優(yōu)化設計的變量可表示為XL≤ X≤ XU,X =

37、(X1, X2 , X3…Xn,)。 （3-1） 公式 X﹣車身零件厚度組成的向量, XU﹣ 設計變量X的上限值, XL﹣為設計變量X的下限值。 優(yōu)化設計過程中,設計變量參數的初始選值往往不進行改變，而是直接選取為零件板材的厚度,對模型簡單的處理和解決后,利用輕量化前的早期數值進行一次計算,求得約束條件的數值允許范圍,最后建立相應的目標函數,提出最佳的優(yōu)化方案,首先在有限元分析模塊中進行模態(tài)分析。 3.3.2模態(tài)分析 模態(tài)分析是工程設計中經常用到的一個重要的結構設計參數，它主要用于計算結構的固有頻率和模態(tài)形狀。對于當今汽車的生產設計來講，模態(tài)分析往往是必不可少的，更是經

38、常應用在輕量化設計之中。在使用有限元軟件進行模態(tài)分析時，我們無需自己根據模態(tài)分析的基礎理論知識進行求解，系統(tǒng)自己可以幫我們求解得到最后結果。 模態(tài)分析的一般步驟如下，我們這次模態(tài)分析以前圍板為例，不進行所有零件模態(tài)分析的全部介紹。 （1）前處理是模態(tài)分析之前對零件模型的簡單的處理，也是進行模態(tài)分析的基礎，它主要包括以下5個操作。 ①創(chuàng)建分析項目 在win7操作系統(tǒng)中打開ANSYS Workbench17.0，進入主頁面。選擇其中的分析系統(tǒng)中的Model，即ANSYS模態(tài)分析；加入到項目工程區(qū)創(chuàng)建分析項目，如下圖3-1所示。這就成功的創(chuàng)建了模態(tài)分析項目。

39、 圖3-1創(chuàng)建分析項目 ②定義材料數據 想要進入材料參數設置界面，只需要在項目A中雙擊Engineering Data選項即可進入，如圖3-2所示，在次界面之中，你可以對零件的材料進行改變參數的不同設置。在改變材料參數時往往需要根據實際工程設計中所選用的材料特性來修改。本次設計中可采用默認值，材料庫添加完畢，關閉界面返回主頁面即可。 圖3-2定義材料數據 ③添加幾何模型 右鍵點擊項目A中A3欄中的Geometry，就可以在快捷菜單中選擇Import Geometry﹥Browse,這個時候就會出現(xiàn)打開對話框，將幾何

40、體文件導入即可。這時你會發(fā)現(xiàn)A2欄中的Geometry后面的？變?yōu)椤?，這就表示模型已經導入成功。但是雙擊進入DM界面可能會出現(xiàn)并未生成模型的情況，故此我們往往要點擊左上角的Generate按鈕，手動生成模型；如果進入之后自動生成了模型，就不需要進行再次操作。如下圖3-3所示。生成之后即可關閉DM界面，返回主頁面。 圖3-3添加幾何模型 ④定義零件行為 通過項目A中A4欄Model項，就可以進入Mechanical界面，在這個界面我們可以進行網格的劃分，分析設置和結果查看等操作。但是再此之前我們先要定義零件的行為。選擇左側Outline樹結構圖Geometry下的body，就會在左下角

41、出現(xiàn)其細節(jié)窗口，在這個細節(jié)窗口中就可以給模型添加材料。需要設置材料時選擇Assignment會出現(xiàn)相關選項，選擇之后即可添加。當樹結構圖Geometry前的？變?yōu)椤?，就表示添加成功，本次所選模型的材料即為默認的Structural Steel，不需要修改。最后將面體厚度Thickness設為1.4mm。這就完成了定義零件行為的操作。如下圖3-4所示。 圖3-4定義零件行為 ⑤劃分網格 網格的劃分是進行任何分析都不可以缺少的工作，網格的好壞直接影響到分析的結果，所以在進行網格劃分時，我們要注意觀察。在剛才的界面，點擊Outli

42、ne樹結構圖中的Mesh選項，即劃分網格選項。就會在左下方出現(xiàn)劃分網格的細節(jié)窗口，在這個窗口修改網格參數，將Element Size即網格單元尺寸設置為1mm。之后右鍵點擊Mesh，在彈出的快捷操作菜單中選擇Generate Mesh，就會生成網格，如下圖3-5所示。 圖3-5網格劃分效果 （2）模態(tài)分析 經過上述（1）所做的前處理工作之后，就可以開始對零件進行模態(tài)分析。它主要包括以下4個操作，分別為定義邊界條件、分析選項設置、求解和查看求解結果。 ①定義邊界條件 在上述界面中選擇Outline樹結構圖中的Model（A5）選項，就會出現(xiàn)Environment工具欄。選擇

43、工具欄中的Supports﹥Displacement，就會在左下角出現(xiàn)Displacement的細節(jié)窗口。選中Displacement，選擇X方向坐標為0的邊緣，單擊Geometry選項下的Apply按鈕，就可以在選中的邊緣施加約束。此時設置X方向的位移為零，按照上述方法對Y和Z方向再施加約束。完成后點擊Outline樹結構圖中的Model（A5）選項，查看邊界條件，示意圖如3-6所示。 圖3-6邊界條件示意圖 ②分析選項設置 在左側Outline樹結構圖中的Analysis Settings項，設置Max Modes to Find為6，如下圖3-7所示。

44、 圖3-7設置模態(tài)分析選項 ③求解 當做完上述所有的操作之后，我們就到了模態(tài)分析的最后求解步驟了，在求解時系統(tǒng)會根據自帶的幾種算法自動求解，操作如下。在Outline樹結構圖中的Model（A5）選項單擊右鍵，在彈出的菜單中選擇Solve，這時會彈出進度條，說明系統(tǒng)正在求解，完成后它會自動消失。當求解工作完成之后，可以選擇Solution Information查看求解過程信息，如下圖3-8所示。 圖3-8求解結果數據圖表 ④查看分析結果 選擇Mechanical界面左側樹結

45、構圖中的Solution(A6)選項，此時會出現(xiàn)其工具欄。選擇Solution工具欄中的Deformation﹥Total，這時在樹結構圖中你會發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)了Total Deformation選項，在此選項上單擊右鍵，在彈出的菜單中選擇Solve，之后就會得到模態(tài)變形圖，如下圖3-9所示。 圖3-9模態(tài)振型圖 3.4本章小結 本章首先介紹了優(yōu)化設計的基本概念以及相關的基礎理論知識，對優(yōu)化設計做了一個簡單的介紹，主要是以前圍板為例介紹了其模態(tài)分析的主要過程，方法與步驟，接下來所有的零件都以此為例進行了模態(tài)的分析。 第4章 輕量化設計

46、 4.1引言 本章選取幾個零件，首先對其劃分網格進行模態(tài)分析，通過輕量化前后模態(tài)分析的對比以及靈敏度的分析，選出變化不大的零件對其進行厚度減薄的輕量化設計，再考慮零件生產成本以及加工工藝，對輕量化的零件厚度進行修正，最后通過簡化碰撞為受力分析，驗證之前的輕量化設計結果符合安全性的要求。 4.2劃分網格圖 在進行有限元分析時，無論進行那種類型的分析，網格的劃分都是十分的重要，網格劃分的好壞，往往會影響最后求解結果的好壞，所以網格劃分這一步往往有很多的要求，下面是進行分析的一些零件的網格劃分圖，如下圖4-1所示，這些網格都是正確符合要求的。

47、 4-1劃分網格圖 4.3輕量化前后模態(tài)分析比較 車身結構的輕量化設計主要通過對車身零件的厚度進行減薄，但并不是要對所有的零件全都進行輕量化；同樣零件的減薄也不可能一直進行下去，完全沒有限制；這也是不合實際的。我們通過分析所選取零件的模態(tài)變形圖，觀察輕量化后的零件對其模態(tài)是否有較大的影響。再結合下面對零件模態(tài)靈敏度的計算，選出合適零件，減薄其厚度，實現(xiàn)車身結構的輕量化設計。按照上述所介紹的模態(tài)分析方法，下面我們選取了前圍板、保險杠、機蓋、踏腳板和B柱進行模態(tài)分析，它們輕量化前后的模態(tài)振型圖如下圖4-1所示。

48、 圖4-2輕量化前后模態(tài)變形圖 通過對上述模態(tài)分析的結果圖進行分析，發(fā)現(xiàn)前圍板、機蓋、保險杠和踏腳板的模態(tài)振型圖變形情況雖然都出現(xiàn)了一些較小的變化，有所增加，但是變形情況是一致的，而B柱的模態(tài)振型圖產生了稍大的變化，但是這種變化還在可以接受的范圍之內。再對零件的固有頻率進行比較分析，發(fā)現(xiàn)車蓋、踏腳板、保險杠和B柱的變化值都較小，變化率都在0.02之內；而前圍板的數值相比來說變化較大，變化率為0.06；但是這種變化仍在允許的范圍之內。這些變化是由于厚度的減薄所必然會導致的，但是都在允許的范圍之內。故此從模態(tài)分析的角度來看，可以對這幾個零件來進行輕量化。此次輕量化

49、模態(tài)分析時零件厚度變化的選擇都為0.2mm，如下表4-1所示。 表4-1輕量化前后零件厚度 序號 零件 輕量化前厚度/mm 輕量化后厚度/mm 1 機蓋 1.6 1.4 2 B柱 1.4 1.2 3 保險杠 1.8 1.6 4 前圍板 1.6 1.4 5 踏腳板 1.6 1.4 4.4優(yōu)化結果分析 之前輕量化設計的結果不可以直接作為最終輕量化設計的結果，還要考慮這些零件的可制造性、生產加工工藝和生產加工成本。因為不是所有厚度的板材都可以在工廠加工出來的，特殊厚度規(guī)格板材的加工是需要特殊的生產線，不但會降低板材的生產效率，還會極大的提高生

50、產成本。所以我們還要根據企業(yè)工廠現(xiàn)有的能加工制造的板材規(guī)格對優(yōu)化后的板厚做出最后的修正。然后根據零件厚度的變化量和鋼材的比重計算出所減輕的重量，輕量化的結果一并在下表列出，最后得到第一階段輕量化設計的結果，如下表4-2所示。當然，這只是第一階段的結果。因為接下來還需要對車身進行簡化正面碰撞為受力的分析。若是分析為變形并未發(fā)生較大改變，則可以認為輕量化的車身滿足簡化正面碰撞的安全性，則這些數據可以作為最后的分析結果；如若不滿足安全性的要求，則需要將分析過程中變形不合要求的零件的相關參數與輕量化前的相關參數進行比較分析，最后按照這部分零件的加工手段和板材厚度加工成本及規(guī)格，對該零件的厚度進行再一次

51、的修正，一直到它輕量化后的車身能夠達到安全性的要求。 表4-2第一階段輕量化的結果 序號 零件 輕量化前厚度/mm 輕量化后厚度/mm 減輕質量/kg 1 機蓋 1.6 1.4 2.9 2 B柱 1.4 1.2 0.4 3 保險杠 1.8 1.6 1.4 4 前圍板 1.6 1.4 1.5 5 踏腳板 1.6 1.4 1.2 從表4-2中可以看出，對這些零件進行了0.2個毫米的減薄，輕量化后雖然模態(tài)振型圖有點改變，一階模態(tài)固有頻率也出現(xiàn)減小的情況，這都是減薄厚度之后所必然會發(fā)生的。但是，輕量化前后這些零件模態(tài)的變化在允許的范圍之內

52、，可以近似認為并沒有發(fā)生變化，而轎車車身的質量得到了減輕，質量減少了7.4kg。因此得到第一階段的車身優(yōu)化設計結果，可以達到轎車車身結構輕量化設計的目標。 4.5驗證第一階段的輕量化結果 從碰撞安全性的角度來驗證第一階段的優(yōu)化結果，使得車身輕量化更具有實際意義。本文將碰撞簡化為受力的研究分析。根據相關資料查找得到，當汽車按照碰撞法規(guī)C-NCAP規(guī)定，以50km/s的速度進行實車碰撞瞬間會產生較大的碰撞力。根據動能定理有以下公式式中 F﹣合外力、m﹣質量、v﹣速度、S﹣變形量，根據查閱資料大致估算出碰撞時會產生6600N大小的力。接下來通過分析各個零件輕量化前后的受力變形是否有較大差別，以

53、此來判斷是否滿足碰撞的安全性。如若變形程度并沒有發(fā)生較大變化，就認為滿足了安全性的要求，第一階段的輕量化設計不需要修改，可直接作為最后的輕量化結果。反之，對第一階段的輕量化結果進行修正，直到滿足安全性的要求。 通過觀察多種不同的實車正面碰撞試驗，發(fā)現(xiàn)車門、B柱這些距離車身前端較遠的部位雖然受到了一些沖擊但是變形基本不可見，不如車身前端保險杠、前圍板或機蓋等部件發(fā)生的變形較大，較為顯著。通過ANSYS分析系統(tǒng)對這幾個零件的受力分析，得到了輕量化前后的受力分析對比圖，其中位移變化圖如下圖4-3所示。應變圖如下圖4-4所示。

54、 圖4-3位移圖 通過比較輕量化前后的位移圖，發(fā)現(xiàn)位移的方式和方向都基本一致，并且所有零件的位移量都有所增加，這主要是零件減薄所引起的。但是數值變化都較小，變化率都在0.02之內。而且這種位移的變化量本身就很小，也在允許的范圍之內。故此認為幾個零件的變形圖是符合要求的。 圖4-4應變圖 通過分析圖4-4，可以發(fā)現(xiàn)輕量化后變形和應力確實都有較小的改變，這也是由于零件變薄所引起的，但是應

55、變發(fā)生的位置以及區(qū)域都沒有明顯的變化，應力的大小也只是產生了較小的變化。在這種變化中并沒有出現(xiàn)較大的改變，而且變化率都在0.02之內，因其本身應變量就較小，所以往往可以忽略這種輕微的變化。再結合位移圖的變化結果，可以認為輕量化前后的碰撞安全性沒有發(fā)生改變，即第一階段的輕量化設計可以滿足安全性的要求，可以直接作為最后階段的輕量化設計。 4.6本章小結 本章主要對選取的零件在有限元軟件中進行模態(tài)分析。將輕量化前后的分析結果進行分析比較，發(fā)現(xiàn)輕量化前后零件的模態(tài)可以近似認為沒有發(fā)生變化；綜合生產成本和加工工藝修正了零件的厚度，對其進行了第一階段的輕量化設計。最后通過簡化碰撞為力分析，驗證了第一階

56、段的輕量化設計結果滿足安全性的要求，可以最為最終的輕量化設計結果。 第5章 總結和展望 5.1全文總結 為了推動車身輕量化設計的全面發(fā)展，本文從際出發(fā)，考慮正面碰撞安全性的要求對某轎車的車身結構進行了優(yōu)化設計。該優(yōu)化設計方法綜合考慮了輕量化以及零件的可制造性和加工成本，為車身結構輕量化設計提供

57、了一種參考。 本文主要研究內容和主要成果如下。 （1）研究得出了基于碰撞安全性的轎車車身結構輕量化的設計方法,探討了基于碰撞安全性的車身結構輕量化設計的可行性。 （2）本文主要分析了零件的模態(tài),在保證模態(tài)性能基本不變的情況下，實現(xiàn)車身結構的輕量化設計。選取車身部分結構件進行厚度減薄,優(yōu)化所選取的零部件，使車身質量共減輕了7.4Kg。 （3）運用有限元方法進行了簡化碰撞的為受力的分析計算,檢驗優(yōu)化后的車身是否滿足正面碰撞的安全性，再根據分析結果修正第一階段所取成果。最后使優(yōu)化后的車身滿足了安全性的要求,實現(xiàn)了轎車車身結構的輕量化設計。 5.2研究工作展望 本文的研究工作，雖然取得了一

58、些成果，但是由于水平有限，在今后的研究中可以在以下幾方面加以完善： （1）本文僅僅從四種碰撞方式中選擇了正面碰撞來進行輕量化的研究，還可以從其它碰撞的工況來研究。 （2）改進后的結構還需要做強度的分析和其他一些所必須考慮的要求來分析驗證其可行性。 （3）車身的輕量化還可以從運用創(chuàng)新型的加工工藝和新型輕質吸能較好材料的使用這兩個方面進行研究。 致 謝 時間過得真是很快，眨眼間四年就過去了，在此我收獲了很多。學到了很多的專業(yè)知識，認識了很多同學，交到了很多朋友，明白了很多做人做事的道理。華航“進德修業(yè)、精益求精”的校訓讓我學會了做人與做事；懂得了負責與追求。我感覺

59、自己變成了一個有知識有素養(yǎng)的青年。當然，這些都跟家人、老師、同學的幫助有關。借助這次畢業(yè)設計完成的機會，我想對父母、同學以及親愛的老師們表以我最真誠的感謝。謝謝你們！ 我的畢業(yè)設計是在指導教師許文娟老師的幫助下完成的。老師經常跟我們交流，抽出自己的時間來指導我們，常說有什么不懂得就來問。從選擇課題到開題報告再到我們做完畢業(yè)設計，許老師都給我了很大的幫助。許老師不僅只是在此次畢業(yè)設計中對我們有較大的幫助，在日常的生活學習上，也常常給予我們無微不至的關懷；她總是十分熱情，十分有愛。借此機會，我向許老師表示感謝。當然，這四年來也離不開其他老師的教導與幫助，謝謝老師們，你們辛苦了?！　?

60、 由于我自己的學習水平有限，在本次的畢業(yè)設計之中難免有很多不足的地方，請老師們批評與指正。 參考文獻 ［１］ 孫宏圖．考慮碰撞安全性的汽車車身輕量化設計．機械科學與技術，2010，29(3)：379-386. ［２］ 施頤．基于剛度與耐撞性要求的車身結構輕量化研究．汽車工程，2010，32(9)：757-762. ［３］ 張國勝．轎車車身結構輕量化．公路交通科技，2012，29(1)：154-158. ［４］ 葉輝．基于靈敏度和碰撞仿真的汽車車

61、身輕量化優(yōu)化設計．農業(yè)機械學報，2010，41(10)：18-27. ［５］ 袁國偉．基于碰撞安全性的車身輕量化研究．現(xiàn)代制造技術與裝備，2014，19(6)：12-13. ［６］ 欒家男．基于正面碰撞安全性的車身結構輕量化研究．上海：上海工程科技大學，2012： ［７］ 陳曉斌．基于現(xiàn)代設計方法和提高整車碰撞安全性的車身輕量化研究．吉林：吉林大學，2011： ［８］ 趙建軒．考慮NVH性能與碰撞安全性的轎車車身輕量化設計．機械設計與研究，2016，,32（6）：153-160. ［９］ X. T. Cui,S. X. Wan,S. J.Hu. A method for optima

62、l design of automotive body assembly using multi-material construction[J].Materials and Design,2008(29):381-387 ［１０］ Y. Zhang,P. Zhu,G. L. Chen. Lightweight Design of Automotive Front Side Rail Based on Robust Optimisation[J].Thin-Walled Structures,2007(45):670-676. ［１１］ S.J.Hou,Q.Li,S.Y.Long,Crashworthiness design for foam filled thin-wall structures[J]. Materials and Design,2009(30):2024-2032. 28