基于多目标稳健性优化方法的SUV车身结构轻量化设计

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为实现车身轻量化,改善汽车安全性和提高稳健性,本文以某企业某新SUV车型为研究对象,开发了针对侧面碰撞前处理问题的流程自动化系统,对汽车车门刚度、车门模态、侧碰安全多方面的性能进行了有限元分析,确定了初始设计性能;针对侧面碰撞部分测量点侵入量、侵入速度过大的问题,结合车身结构轻量化的需要,提出了基于多目标稳健性优化方法的车身结构轻量化设计方案。  (1)为解决汽车侧面碰撞分析前处理过程的重复性工作多,工作繁琐,需要设置的参数过多的问题,结合TCL/TK语言与Process Manager工具开发了侧面碰撞流程自动化系统。  (2)利用流程自动化系统建立了整车有限元模型,进行了整车侧面碰撞、车门模态、车门刚度三个方面的有限元分析。分析结果表明侧碰安全性不符合设计要求,车门模态性能、刚度性能符合设计要求,存在较大的轻量化设计空间;并确定了通过提高B柱、前门、中门的强度改善碰撞安全性能的方案。  (3)提出了基于多目标稳健性优化方法的车身结构轻量化的方案。  首先对整车模型进行简化,初步选择16组设计变量,并采用参数实验设计方法筛选出10组灵敏度较高的变量,利用最优拉丁超立方试验设计方法抽取试验样本,建立了质量、刚度、模态、内能、B柱与车门测量点的侵入量、侵入速度等响应的近似模型。  然后利用近似模型,分别采用NSGA-Ⅱ、NCGA和AMGA三种多目标遗传算法,对整车进行了确定性优化,得到三组Pareto非劣解集;分别选取三组确定性优化解,利用蒙特卡洛抽样的方式对其进行了可靠性分析,结果三种算法的可靠度均不能达到质量水平的要求,需要进行稳健性优化。通过三种优化算法的Pareto解集与可靠度分析结果的对比,选择了AMGA算法作为稳健性优化的优化算法。  最终以AMGA确定性优化解作为初始值,结合蒙特卡洛抽样技术与AMGA算法以质量最小、内能最大及它们的标准差最小为目标进行了多目标稳健性优化。结果表明,稳健性优化后的侧面碰撞安全、车门模态、车门刚度三个方面的可靠度,与确定性优化相比由原来的64.8%提升到了100%,稳健性得到改善。  获得各目标函数的Pareto非劣解集,选取一组代入到有限元模型中进行仿真验证,结果发现车身结构设计变量总质量由原来的60.845kg下降到了53.992kg,质量减轻了6.853kg,降幅为11.263%,实现了车身的轻量化;内能吸收增加了0.229kJ,略有提升;B柱与车门关键点的侵入量和侵入速度整体下降,侵入量最大降幅达到了5.465%,侵入速度最大降幅达到了8.218%,侧面碰撞安全性能得到改善。
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