薄板結構成形與耐撞性優(yōu)化設計關鍵技術研究.pdf

1、薄板結構成形與耐撞性設計一直是制約汽車產(chǎn)品開發(fā)速度與品質的兩項關鍵技術。傳統(tǒng)的薄板結構成形與耐撞性設計主要依靠工程技術人員的經(jīng)驗進行“試錯”來提高產(chǎn)品設計的質量。這種試錯方法不僅耗時長、費用高，還往往難以保證產(chǎn)品設計的品質。隨著有限元方法的發(fā)展和成熟，CAE技術已經(jīng)廣泛用于薄板結構的成形與耐撞性設計。盡管有限元分析方法促進了車身類薄板結構件的成形性和耐撞性研究的進步，一定程度上避免了設計的盲目性、減少了設計成本以及縮短了車身結構的開發(fā)周

2、期，但是有限元方法本身僅作為一種分析手段，其主要功能只是對給定設計進行評價和校核。為了充分發(fā)揮CAE技術的潛能，將CAE技術與優(yōu)化算法相結合來提高薄板結構的成形性和耐撞性已成為國際上許多學者研究的前沿課題。本文主要圍繞如何提高薄板結構的成形性與耐撞性優(yōu)化設計的效率，精度以及結果的穩(wěn)健性等幾個關鍵技術展開研究。
　　 主要研究內容如下：
　　 (1)提出了一種能量化沖壓件起皺缺陷和拉裂缺陷的指數(shù)加權評價準則，該準則具有對不

3、同的潛在失效單元賦予不同權重的優(yōu)點，且權重隨著拉裂、起皺的嚴重程度成指數(shù)函數(shù)增長。和現(xiàn)有的其它評價準則相比，將該準則作為板料成形優(yōu)化設計的目標函數(shù)具有更強的針對性，優(yōu)化結果能顯著的提高板料的成形質量。在板料成形多目標優(yōu)化研究方面，本文提出了基于徑向基函數(shù)的板料成形多目標優(yōu)化方法。研究表明基于薄板樣條函數(shù)(Thin-plate spline)的徑向基函數(shù)模型非常適合作為板料成形仿真的代理模型。在多目標優(yōu)化迭代過程中，該方法調用的是代理模型

4、而非有限元模型，因此，提出的方法具有非常高的效率。同時，該方法能解決拉裂和起皺缺陷同時存在且相互沖突的問題。在薄壁結構耐撞性研究方面，提出了一種新型的功能梯度泡沫填充薄壁結構。該新型泡沫填充結構的泡沫密度沿著長度方向成冪指數(shù)連續(xù)變化。數(shù)值算例表明，冪指數(shù)m對該結構的耐撞性有重要的影響。在此基礎上，對該結構的冪指數(shù)m進行了優(yōu)化設計。優(yōu)化結果表明該結構在能量吸收、變形穩(wěn)定性和最大峰值碰撞力方面比同質量的均勻泡沫填充薄壁結構具有更佳的耐撞性，

5、是一種潛在的性能卓越的吸能結構。
　　 (2)提出了一種薄板結構成形與耐撞性序列代理模型優(yōu)化設計方法，并對逐步序列的增加樣本點數(shù)量和逐步序列減少設計空間這兩種序列策略進行了研究。研究表明在樣本點數(shù)量相同的情況下，無論是基于哪一種序列策略的序列代理模型優(yōu)化設計方法的優(yōu)化結果的精度均比傳統(tǒng)的基于代理模型的優(yōu)化設計方法的優(yōu)化結果的精度高。同時，提出的方法還具有對初始樣本的數(shù)量與分布的依賴性相對較弱等優(yōu)點。DP800高強度鋼材料參數(shù)的反

6、求優(yōu)化設計和拉延筋幾何參數(shù)的優(yōu)化設計結果表明了該方法具有非常高的精度和效率。在此基礎上，將單目標序列優(yōu)化方法拓展到了多目標優(yōu)化設計領域，提出了多目標序列代理模型優(yōu)化方法。并開展了拉延筋幾何參數(shù)多目標序列代理模型優(yōu)化設計和汽車結構耐撞性多目標序列代理模型優(yōu)化設計方法研究。
　　 (3)為了充分發(fā)揮高精度模型計算精度高和低精度模型耗時少的優(yōu)點，提出了一種基于代理模型的板料成形變復雜度優(yōu)化設計方法。該方法的核心是首先在高精度模型和低精

7、度模型間建立一個補償模型，然后對低精度模型進行補償，補償后的低精度模型的仿真結果的精度將得到大大的提高，在優(yōu)化過程中可以代替高精度模型的結果。采用提出的方法對某汽車內板的拉延筋進行了優(yōu)化設計研究，結果表明提出的方法的優(yōu)化效率盡管低于基于一步法的優(yōu)化效率，但優(yōu)化結果的精度卻得到了顯著的提高；與傳統(tǒng)的基于代理模型的優(yōu)化方法相比，在相同的求解效率下，提出的方法的求解精度更高。
　　 (4)由于薄壁結構成形與耐撞性變復雜度優(yōu)化在迭代過程

8、中調用的低精度模型仍為有限元模型，這些模型在仿真過程中存在數(shù)值噪聲，目標函數(shù)易陷入因數(shù)值噪聲引起的局部峰值中，最終的優(yōu)化結果難以直接用于指導實際的設計。薄壁結構成形與耐撞性數(shù)值模擬中，單元計算或接觸計算常常產(chǎn)生問題，導致在優(yōu)化過程中因單次仿真的失效而使整個優(yōu)化過程無法進行。為了解決上述問題，提出了兩步變復雜度優(yōu)化方法，并開展了板料成形和蜂窩結構耐撞性的二步變復雜度優(yōu)化方法研究。研究結果表明該方法具有較高的效率和精度，特別適合求解像板料成

9、形和汽車碰撞這類復雜的非線性工程優(yōu)化問題。
　　 (5)進行了汽車構件耐撞性可靠性優(yōu)化設計、薄壁構件耐撞性6sigma單目標穩(wěn)健優(yōu)化設計和薄板沖壓成形6sigma單目標穩(wěn)健優(yōu)化設計研究。在此基礎上，提出了基于雙響應面模型的6sigma多目標穩(wěn)健優(yōu)化設計方法。該方法不僅考慮了噪聲因素的波動對產(chǎn)品性能的影響，同時也解決了多個質量特性之間互相沖突的問題。應用該方法開展了汽車結構耐撞性和板料成形多目標穩(wěn)健優(yōu)化研究。研究結果表明提出的方法