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基于密封胶条结构优化的车门关闭轻便性改善研究 摘要 近年来，我国的汽车行业在飞速发展，城市中的车辆越来越多，而各大汽车 厂商之间的竞争也越来越激烈。车辆的质量一直是人们关注的焦点，而车门关闭 轻便性、人体工程学、声音品质等感知质量也逐渐受到人们的高度重视。据j d p o w e r 的研究报告，车门关闭时感觉过“重 ，即车门关闭不够轻便一直是顾 客所抱怨的重大问题之一。国外的研究人员的研究人员在车门关闭轻便性已经做 了许多卓有成效的研究工作，而随着国内厂商对于汽车品质要求的日益提高，相 关研究也逐渐受到重视。 从设计的角度看，影响车门关闭轻便性的因素有许多，如密封胶条的材质、 结构特征所产生的作用力，铰链设计的形式和轴线的倾角，车门重心的位置，关 门过程中空气阻力的影响以及限位器和门锁。其中影响系数最大的为空气阻力和 密封胶条作用力的影响。由于改变空气阻力较为困难，耗费成本较多，而且还可 能带来其他一系列问题，文中提出通过改变密封胶条结构设计的角度达到改善车 门关闭轻便性的方法，并总结密封胶条结构优化的流程。 对车门密封胶条进行有限元仿真的方法在国内外的论文中已经研究了很多， 操作手段也比较成熟。车门密封胶条由海绵橡胶和密实橡胶构成，橡胶是一种超 弹性材料，这类材料构件具有强烈的非线性材料行为，在拉伸、剪切和压缩载荷 的作用下的力学响应是弹性、粘性、m u l l i n s 效应共同作用的结果。为了获取超弹 性力学特性的参数，通常采用对材料进行单、双向拉伸、压缩等实验获取数据。 但由于缺乏试验条件，国内多数汽车零配件的供应商并不能够提供足以描述材料 力学行为的试验数据，通常情况下仅能提供产品成品在相应实验下的相关数据( 如 密封胶条的c l d 曲线一一压缩载荷行程曲线) 。即使能够提供相关的橡胶试验， 也通常是费时费力，不利于在设计阶段指导密封胶条材质和结构的更改。 本文的创新之处在于将d o e ( 试验设计) 采样方法与遗传蚁群融合算法结合起 来，提出了一种材料参数识别的办法通过有限元仿真的手段获取密封胶条材料参 数。基于此，可以方便地建立相对较准确的胶条有限元分析模型，与c a d 相结 合指导密封胶条的结构优化。在文中就此建立了车门密封胶条结构优化的流程图， 为指导密封胶条结构仿真和优化提出了一种省时省事的方法。 关键词：车门关闭轻便性；车门密封胶条；材料参数识别；优化算法；遗传蚁群 融合算法；胶条结构优化 a b s t r a c t 上n 、r e c e n ty e a r s ，c h i n ah a sg o tt h e r a p i dd e v e i o p m e n to fa u t o m o t i v ei n d u s t r v in e r e sm o r ea n dm o r ev e h i c l e si nt h ec i t y ，w h i l et h ec o m p e t i t i o nb e t w e e nt h em a i o r c a rm a n u 士a c t u r e r sh a v eb e c o m e i n c r e a s i n g l yf i e r c e t h eq u a l i t yo fv e h ic i e sh a sb e e n t n e 士o c u so fc u s t o m e r s a t t e n t i o n ，a n dt h ep e r c e i v eq u a i i t y i n c l u d ed o o rc l o s i n ge f f o r t ， e c o n o m l c s ，s o u n dq u a l i t y ，e t c p e o p l ea l s oi n c r e a s i n 9 1 yg e th i g hp r i o r i t yo v e ro t h e r s a c c o r d i n gt oj dp o w e r ss t u d i e s ，t h eb a dp e r c e i v e dq u a l i t yw h i l ec l o s i n gd o o r h a s b e e nt n em a j o rp r o b l e m st h a t c u s t o m e r sc o m p l a i na b o u t r e s e a r c h e r sa b r o a dh a v e d o n eal o to ft h ed o o rc l o s i n g e f f o r t ，a n da sd o m e s t i cm a n u f a c t u r e sf o rt h ea u t o m o t i v e q u a l l t yr e q u l r e m e n t si n c r e a s i n g ，r e s e a r c ha b o u tt h ed o o r c l o s i n ge f f o r tp l a y i n ga i m p o r t a n tp a r t f r o mt h ev i e wo fd e s i g np o i l l t ，t h e r e sm a n y f a c t o r sa f f e c tt h ed o o rc l o s i n ge f f o r t ， s u c ha s s e a 】l n gm a t e r i a i s ，t h ef o r c eg e n e r a t e df r o ms t r u c t u r ef e a t u r e s ，t h es t r u c t u r e a n d h ea x i s i n c l i n a t i o no ft h eh i n g e ，t h ep o s i t i o no f t h e 。w e i 曲tc e n t e r ，a i rr e s i s t a n c e d u 。1 n gt h ed o o m p a c t ，t h ec h e c kl i n ka n ds t o p p e r a n dt h eb i g g e s ti n f l u e n c e c o e t 士1 c l e n t1 st h ea i rr e s i s t a n c ea n dt h e f o r c e g e n e r a t e df r o ms e a l i n g s i n c et h e c n a n g e sma l rr e s l s t a n c em o r ed i 衔c u i t ，m o r e c o s t l y ， a n dm a ya l s o b r i n go t h e r p r ob l e m s ，t h l sp a p e rp r e s e n tt h em e t h o d sb yc h a n g i n gt h es t r u c t u r a ld e s i g nf 乏l c t o r so f d o o r ss e a l l n gt o1 m p r o v et h ed o o rc l o s i n ge f 如r t ，a n dt h e ns u m m a r i z e dt h e d r o c e s so f t h es e a l i n go p t i m i z a t i o n i a n yr e s e a r c h e r sd o m e s t i ca n da b o a r de n l p l o y e dt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o dt o s t u d yt h ed o o rs e a l i n gs y s t e m ，a n dg o tal o tm a t u r eo p e r a t i o n a lm e a n s h o w e v e r t h e d o o rs e a l i n gs t r i pc o n s i s to ft h es p o n g er u b b e ra n d d e n s er u b b e r ，a n dr u b b e ri sak i n d o 士h y p e r e l a s t i cm a t e r i a l ，s u c hm a t e r i a lc o m p o n e n th a sas t r o n gn o n l i n e a rm a t e r i a l b e h a v i o r w i t ht h e1 0 a d so ft e n s i l e ，s h e a ra n dc o m p r e s s i o n ，t h er u b b e r sm e c h a n i c a l r e s p o n s el st h ei n t e r a c t i o ne f i f e c to fe l a s t i c ，v i s c o u sa n dm u l l i n sr e s u l t i n o r d e rt o o b t a l nt h em e c h a n i c a i p r o p e r t i e s o fr u b b e f s h y p e r e l a s t i cp a r a m e t e r s ，t h eg e n e r a l m e a n s1 sb a s e do nt h et r a d i t i o n a lu n i a x i a lt e n s i l e ，b i a x i a ls t r e t c h i n ga n d o t h e rm e t h o d s 工j u et ot h ea b s e n c eo ft e s tc o n d i t i o n s ，m o s td o m e s t i ca u t o m o t i v ea c c e s s o r i e s s u p p l i e r s a r en o ta b l et op r o v i d es u f 拜c i e n td e s c r i p t i o n o ft h em e c h a n i c a lb e h a v i o ro ft h er u b b e r m a t e n a l s ， u s u a l l yo n l ya v a i l a b l e行n i s h e d p r o d u c t s d a t au n d e r c o r r e s p o n d i n g e x p e n m e n t ( s u c ha sc l dc u r v eo fs e a l i n g ) e v e ni ft h et e s td a t ac a nb ep r o v i d e d ，b u t m a j s os p e n tm u c ht l m ea n de n e r g y ，a n dn o tc o n d u c i v et ot h e g u i d a n c ei nt h ed e s i g n p h a s ef o rt h ec h a n g e so ft h es t r u c t u r ea n dm a t e r i a lc o m p o s i t i o no ft h es e a l i n gs y s t e m t h ei n n o v a t i o no ft h i sp a p e ri st h ec o m b i n a t i o no fd o e ( d e s i g no fe x p e r i m e n t s ) s a m p l i n gm e t h o da n dh y b r i da i g o r i t h mc o m b i n i n ga n tc o l o n ya l g o r i t h ma n d g e n e r i ca i g o r i t h m am a t e r i a lp a r a m e t e r si d e n t i f l c a t i o nm e t h o db vm e a n so ff i n i t e e l e m e n tm e t h o dh a sb e e ne m p l o y e dt oo b t a i nt h ep a r a m e t e r so f s e a l i n gs t r i p b a s e do n t h i s m e t h o d ，t h ed e s i g n e rc a ne a s i l ye s t a b l i s hr e l a t i v e l ya c c u r a t ef i n i t ee l e m e n t s a n a l y s i sm o d e l s ，c o m b i n e dw i t ht h ec a dt o g u i d et h es t r u c t u r eo p t i m i z a t i o no f s e a l i n g i nt h i s p a p e r ， w ep r o v i d ean o wc h a i r to ft h ed o o r s e a l i n gs t r u c t u r e o p t i m i z a t i o n ，w i t ht h i sn o wc h a r tt h es i m u l a t i o na n do p t i m i z a t i o no ft h es e a l i n gs t r i p w i l lp r e s e n t sat i m e - s a v i n ga n d t r o u b l e s a v i n gw a y k e yw o r d s ：d o o rc l o s i n ge f i r t ；d o o rs e a l i n g ；m a t e r i a lp a r a m e t e ri d e n t m c a t i o n ； o p t i m i z a t i o na l g o r i t h m ；h y b r i da l g o r i t h mc o m b i n j n ga n tc o l o n ya l g o r i t h ma n d g e n e r i ca 1 9 0 r i t h m ；s e a l i n gs t r u c t u r eo p t i m i z a t i o n i 、， 硕： 二学位论文 1 1 选题背景与意义 第1 章绪论 随着我国经济的快速发展，汽车已经越来越成为不可或缺的交通工具。同时， 由于汽车产业在带动钢铁、能源等其他产业的发展起到的重大作用，汽车业已经 成为了我国的支柱产业。由于现代汽车工业的发展，汽车集成了其他行业门类如 材料、冶金、化工、电子等行业的顶尖技术，因此整个汽车业的规模和产品质量 不仅代表一个国家制造业的发展水平，也成为了衡量一个国家科学技术水平的一 个重要指标。 目前我国的汽车行业总体呈上升趋势，年产量年年大增长，国内外各个汽车 公司都争先恐后的增加资金投入，引入更多先进技术，力争使汽车尽善尽美，竞 争极其激烈。为了在竞争中占据有利地位，各个汽车产商越来越关注自身产品的 质量，越来越重视客户的满意度。在国内外厂商中，广泛地应用t s l 6 9 4 9 标准， 在企业外还有独立的第三方机构进行安全性评估、客户满意度调查等，标准、监 督日益苛刻，为了在日后处于不败之低，各厂商都应不断提高引入高科技技术， 不段努力提高产品质量。 车身是汽车上最重要的总成之一，车身技术的发展、车身质量的可靠性关系 到厂商整车生产能力的发展和汽车产品的换代升级。车门系统是车身上最重要的 子总成部件之一，其质量优劣反应了车身设计制造水平，同时也是顾客对汽车产 品建立第一印象的关键因素。根据独立调研机构j dp o w e r 的新车质量调研，汽 车关闭力过大，也就是汽车关闭不够轻便是顾客抱怨的焦点问题。在欧美日等汽 车企业，应用大量先进设备就该问题进行了长达数年的研究。 影响车门关闭轻便性的因素很多，包括密封胶条、门锁、铰链、限位器、车 门重心分布、车门断差间隙、气压阻力以及车门刚度等等。由于因素众多，所以 在进行关闭轻便性设计的时候要全盘考虑众多因素的影响，并应用“两点论”的 辩证思想，抓住问题的主次关系，逐步解决问题以对车门关闭轻便性进行改善。 当前，仿真分析方法已经在各大汽车厂商得到广泛的应用，在设计的概念阶 段以及设计验证的后期，对车门系统总体以及子结构进行分析，以仿真方法结合 试验手段验证不同的方案，不断改善车门系统，直至得到当前条件下的最佳方案。 相比以前设计一一试验一一设计不断往复的方法节省了设计时间和试验成本。 在与国内某汽车产商进行产学研项目合作过程中，作者参与了车门感知质量 子课题的研究工作，通过试验研究了某款车型的关闭轻便性，并研究了影响车门 摹于密封胶条结构优化的车门关闭轻便性改善研究 关闭轻便性的相关因素，最后着重于密封胶条的结构分析与优化，提出了改进密 封胶条结构的方法。 1 2 国内外研究现状 国外研究人员已经就关闭轻便性的改善进行了许多卓有成效的研究工作。其 中，对于密封胶条的研究已经有了不少值得称道的结果，许多厂商已多年积累的 c a d 数据及车辆拆装数据为基础，建立了密封胶条在车身不同位置的截面模型， 应用对应的橡胶本构关系模型作为材料输入，预测密封胶条结构的不同位置区域 的应力及位移的响应。 通用汽车公司的t 0 n gz h o u 等提出一种新的可靠性分析方法，该方法结合 了拉丁超立方响应面法搜索最可能解的优化算法迭代方法，在文章中还以改善关 门轻便性作为例证，有效地解决了问题。 同样来自通用汽车公司的r a v i r a jn a y a k 和k e el m 心3 应用a d a m s 软件建立 了包含车门系统所有部件如胶条、限位器、铰链等的仿真模型，用以模拟车门系 统与车身侧围之间在运动中建立的相互关系。分析了汽车车门开关闭过程中的运 动关系以及关门能量力的变化规律。并研究了不同车型车门开关闭运动过程与j dp o w e r 感知质量调查研究结果之间的关系，以便通过结构改进满足顾客的感 知质量要求。 上文已经提过，车门关闭轻便性是许多影响因素共同作用的结果，r a v i r a j n a y a k 和k e el m 还针对其中一个因素一一车门限位器【3j 研究了其对车门关闭轻 便性的影响，以及以此为基础提出了限位器的设计方法。 通用汽车公司的a k l o e s s h l 等基于概率统计方法研究产品性能的设计和过程 偏差，在研究该方法的计算效率和概然论准确性时采用车门关闭能量研究作为例 证。 福特汽车公司的d a w a g n e r 哺3 等采用非线性有限元方法研究密封胶条橡胶材 料的超弹性材料性能，并以此为基础针对密封胶条分析了密封胶条受力变形、接 触压力分布和排气压力变化对车门密封胶条性能的影响。 在国内，同济大学的赵建才，万德安哺1 等人研究了密封条和车门装配对车门 关闭能量的影响。他们研制了一种车门密封条压缩变形测试装置，它采用步进电 机驱动，用光栅尺精确测量，采用力传感器测量力，应用立体视觉原理测量变形。 通过密封条压缩变形测试装置，可以实现海绵橡胶密封条压缩变形的力位移变 形复杂响应测试，不仅有助于正确评价各种密封条结构对车门关闭力的影响，同 时也为采用先进的c a e 软件进行密封条结构设计和优化奠定了基础。 上海交通大学的赵建才采用非线性有限元软件m s c m a r c 对车门密封胶条进 行仿真分析盯3 ，并借助测试装置对实际产品材料参数进行测定，解决了密封条结 2 硕f ：学位论文 构的分析难点，对密封胶条的压缩、扭转等工况进行分析，最后优化了某车型的 密封胶条结构。 从国内外的相关文献来看，主要从车门系统的子结构、零件出发研究关闭轻 便性，由于密封胶条对车门关闭轻便性的影响很大，业内对此做了很多分析。但 所有关于密封胶条的分析大部分是建立在实验获取密封胶条材料本构模型参数的 基础之上的。本文通过将d o e 方法与遗传算法、蚁群算法结合起来，通过正反 问题结合分析，应用数值方法求取密封胶条本构模型材料参数，节省了人力物力。 对于结构工程师进行密封胶条结构的设计优化是有很大好处的。 1 3 主要研究内容与方法 第1 章为绪论。主要介绍了本文的选题与意义、基本概念的界定，结构安排 与研究方法，以及研究的创新点与不足。 第2 章就车门关闭轻便性的影响因素进行了分析，同时就车门关闭速度的试 验进行了说明以及试验数据的分析工作。文中给出了车门密封胶条以及关闭过程 中的空气阻力是影响车门关闭速度的最重要的影响因素的结论。在随后的部分描 述了车门关闭速度试验的过程，并对某款微车的试验数据进行处理。 第3 章介绍了试验设计的原理，并就全因子设计、正交试验设计、均匀试验 设计、拉丁超立方抽样等不同试验设计的方法进行了说明，比较了各自的优缺点； 同时还介绍了遗传算法、蚁群算法以及结合上述两种算法有点的遗传蚁群融合算 法的基本原理和求解步骤，为这些方法在第4 章中的应用提供了理论基础。 第4 章引言部分先就采用基于胶条结构优化改善关闭轻便性的方法的原因进 行了说明。密封胶条由海绵橡胶和密实橡胶构成，文中提出了两种橡胶材料材料 本构模型的原理及有限元模型的构造方法。由于橡胶基础性能试验具有实验难度 大、周期长的缺点，文中提出了一种利用遗传蚁群融合算法进行海绵橡胶和密实 橡胶本构模型材料参数识别的方法，成功获取了两种橡胶在各自本构模型下的参 数。基于参数识别方法得到的橡胶本构模型参数，构造不同的海绵橡胶结构进行 有限元仿真，得到海绵橡胶结构对密封胶条c l d 曲线的影响关系。最后，根据上 述内容总结提出了密封胶条结构优化的流程与方法。 第5 章中对某一实验取得的门框胶条c l d 曲线进行参数反演识别，并以此为 基础对胶条截面优化，最后应用显式动力学方法对更改前后车门关闭轻便性的变 化进行验证。 最后的结论部分对本文进行了总结，指出了本文在分析问题时所采用的新方 法，同时也还指出了本文的不足之处并对未来的研究工作进行了展望。 基于密封胶条结构优化的车门关闭轻便性改善研究 第2 章车门关闭轻便性影响因素及关门速度试验研究 汽车车门在顾客建立对汽车的主观印象中起到重要的作用，一个好的车门系 统，应具有良好的关闭轻便性，关闭车门的时候不感觉过于“沉重 ，无须顾客使 用太大的力量就能很好的关闭车门。 2 1 车门关闭轻便性影晌因素 轿车车门通常为旋转式车门，可以将车门系统粗略的分为车门本体、附件及 内饰三部分。车门本体包括车门内外板、窗框、防撞杆等；附件包括铰链、限位 器、玻璃升降器、密封胶条等；内饰包括内饰蒙皮、扶手等等。在旋转式车门关 闭中，影响其轻便性的因素可以归结为下图所示的六大类： 图2 1 关门轻便性影响因素 每一影响因素对车门关闭轻便性具有不同程度的影响，在以下各小节中将一 一阐释各因素的影响。 2 1 1 空气阻力 福特公司相关研究表明，车门关闭时空气阻力消耗的关门能量通常占到整个 关门能量消耗的3 0 5 0 。 当轿车门窗关闭时，在车门开始接触胶条至完全关闭的瞬间，可以认为是一 压缩空气的过程。由于在空气挤压瞬间车门的位移量很小，因此可以近似的认为 车门从压缩密封胶条开始到结束的过程是一平动的过程。这一过程可以近似地采 用理想气体状态方程来描述： 异= 只k ( 2 1 ) 4 式( 2 1 ) 中，p o 为标准大气压；p i 为车门关闭时驾驶室容积空间内气体压力； v o 为车门关闭前驾驶室容积空间( 密封条为未压缩空间) ；v i 为车门关闭后驾驶室 容积空间( 密封条己被压缩) 。 设车门的迎风面积为a o ，车门关闭过程中，胶条的最大压缩量为s i ，则车内 空间产生的空气阻力增量为 觚吨刊肛( 器训以2 器 ( 2 2 ) 空气阻力在这过程中所做的功为 呒= r 够嬲= 一层砌( 1 一等) 一昂4 s ( 2 3 ) 2 1 2 铰链作用力与重心变化 车门铰链主要由三部分组成，分别铰链支座，由于固定于车身侧围上；活页 部分，通过螺栓安装在车门上；铰链轴，作为车门的旋转中心。在现代轿车中， 活页式铰链比较常见，其质量轻、结构简单，并且具有较高的刚度，在生产流水 线上能被快速方便的装配及调整。目前国内外汽车厂商多使用暗铰链形式，可以 改善车身造型美观性，同时也不至于影响空气动力学性能。车门通过两个铰链安 装到车身侧围立柱上，因此在车门关闭过程中，铰链支承了整个车门系统的质量。 在车门关闭过程中，活页式铰链的活动部分与固定部分之间的摩擦会产生摩擦阻 力，从而影响车门的关闭。在估算摩擦阻力时，可以将车门转矩视为一定值。 车门铰链的轴线通常具有一定的倾角，因此在关门过程中车门系统的重心会 有一定的变化。在设计中一般让轴线具有一定的内倾角，在车门关闭过程中，车 门的重心下移会提供一定的关门能量，使得车门有自动关闭的趋势，从而改善了 关门轻便性。 2 1 3 限位器 限位器用于限制车门的最大开度，防止车门与车体发生接触。在限制的同时 还必须使车门能稳定的维持在最大开度位置，防止车门的自动关闭。车门开度的 大小要以乘员上下车方便程度以及保证车门与车身之间不发生干涉一般限制在 6 5 。7 0 0 范围之内，限位器一般有3 个档位，车门关闭过程中越档必须清晰。在现 代的车身上，拉杆式限位器由于具备结构简单、成本低廉等优势，在普通轿车上 应用比较广泛。在奥迪、大众开迪等车型中还应用了一种凸轮式的限位器，相比 拉杆式限位器，凸轮式限位器能为档位不清晰，车门关闭力矩设计和开启角度的 设计和保持提供更好的解决方案，但其缺点主要在于成本过高。 在车门关闭过程中，限位器会提供一个阻力矩，车门须越过3 档限位位置， 每越过一档，就须越过限位器弹簧的限制，每一个过程都将消耗车门关闭能量的 基于密封胶条结构优化的车门关闭轻便性改善研究 一部分。 2 1 4 门锁作用力 门锁分为两部分，一部分是门锁本体，通常采用棘轮式结构，安装在车门上； 另一部分是锁闩，安装在侧围上，在车门关闭时与门锁本体啮合保证了车门的关 闭状态。在车门关闭过程，门锁本体与锁闩之间接触对车门产生的碰撞反作用力 做功会消耗一部分关门能量，从而影响了车门的关闭轻便性。 2 1 5 密封胶条 密封胶条在在车门关闭时起到缓冲的作用，同时也实现了车辆内部空间与外 部的隔离，防止风、雨水、灰尘和噪声等进入车内。密封胶条能够吸收车门与车 身间的断差间隙以及尺寸偏差，在旋转式的车门中，密封胶条对车门关闭性能影 响巨大。福特汽车公司的研究试验表明，轿车车门关闭时密封胶条吸收了很大一 部分的关门能量，其变形阻力占到车门关闭力的3 0 5 0 n 3 。 车门密封胶条由海绵橡胶材料和密实橡胶部分挤压形成，具有以下特征： 1 ) 很好的弹性特性，使用过程中产生的永久变形很小； 2 ) 很强的耐老化能力，在低温下也不容易发硬； 3 ) 表面护膜有一定的耐磨性，同时也具备一定的强韧度； 4 ) 极低的吸水率； 5 ) 通常通过挤压成型或模具成形； 6 ) 装配非常容易。 密封胶条通过间歇式推针、连续式夹头、凸缘固定等方式固定于侧围以及车 门上，起缓冲作用的“泡管 结构( 海绵橡胶) 壁厚仅有几个毫米，其回弹性能良 好，容易变形，以较小的压缩力可以起到很大的压缩位移从而也得到了很大的密 封面积。应合理的选择密封胶条的弹性特性，载荷变化过小，车门关闭力减小， 但密封性不好；载荷的变化过大，密封性会得到提高，但又可能使得关门力过大。 密封胶条中起固定作用的是密实橡胶，一般采用三元乙丙橡胶或t p e 热塑性弹性 体包覆在刚带构成的骨架上，形成“u ”形，用于将胶条固定在车门门框或侧围 上。固定部分设计有橡胶唇口，装配时只需较小的插入力，拔出则需要很大的拔 出力，这样的结构设计在保证密封胶条以较大的保持力固定于车门或车体上的同 时，还起到加强密封，防止雨水、灰尘等渗漏的功能。 由于车门密封胶条的“泡管 结构是中空的，在密封胶条压缩过程中容易产 生气垫现象而使钣金与密封胶条之间的动态反作用力增大。在实际应用中的密封 胶条“泡管 结构通常设置有间隔规律、沿密封胶条呈线性分布的排气孔。在车 门压缩过程中，由于排气孔的存在，“泡管 内的空气流速会加快，并在孔口溢出 时产生非线性的阻尼力，相关研究表明，气孔的大小和间隔设置会在一定程度影 6 硕士学位论文 响关门轻便性。 密封胶条的压缩变形曲线( c l d ) 对车门的关闭轻便性起到决定性的影响，由 于密封胶条的材料一一橡胶的超弹性特性，c l d 的走向依赖于密封条的压缩变形 里非线性特征。图2 2 所示为某款微车密封胶条的c l d 曲线，横坐标为密封条的 压缩值，纵坐标为密封胶条每1 0 0 m m 所受的压缩负荷。经观察和相关研究表明， 在车门关闭过程中，大多数区域的密封胶条主要承受法向的受力变形，因此，在 关门轻便性研究中主要对相关区域的密封条的法向受力变形进行分析。 _ 、 冒 8 o 稼 嫖 幽 图2 2 某微车密封胶条c l d 曲线 由于密封胶条在车门四周受力的状况不尽相同，因此沿着车门四周的密封胶 条可以有变化的截面形状，尤其在铰链附近、窗框位置以及门锁附近的密封条， 其截面结构可以设计得与其他位置有较大的不同。设计者应尽可能保证车门四周 与侧围间隙均匀，密封胶条与钣金接触面及贴合方向一致，这样可以获得较均匀 的压力，确保密封胶条不因受力不均衡而导致扭曲变化。 2 2 关门速度试验研究 关门轻便性可以通过客观数据一一关门速度来感知，通过测试车辆的关门速 度，可以对影响车门关闭的主要因素进行观察，并与仿真结果对比，从而为改进 车门关闭轻便性寻找途径。 7 基于密封胶条结构优化的车门关闭轻便性改善研究 2 2 1 试验条件及方法 任意选取4 辆o t s 试验用车，确保所有测试车辆处于同等条件水平地面，保 持四轮胎压均衡。检查试验用车车门的装配质量。 试验要求及说明如下： 1 ) 用弹簧秤将测试用车门与另一侧车门连接，反复试验，确定能使门锁恰好 进二档的车门最小开度，读取此位置的弹簧秤读数； 2 ) 读取车门从该位置到进门锁二档过程中通过b 位置时的速度( b 位置的定 义见以下说明) 。 3 ) 多次测量( 5 0 次) ，并记录结果。 说明： 分两种试验情况：1 门窗关闭；2 门窗开启。 定义a 点为位于“门外把手”水平中心线上方6 0 5 m m 的门边缘处的一个测 量点；b 位置为车门打开时，a 点距其关门时相应位置a ，点的直线距离为6 0 5 m m 处。 定义上述说明中车门上的a 点通过b 位置时，恰好能使车门关闭所达到的速 度为车门关闭速度。 2 2 2 试验数据采集及处理 限于篇幅，本节以下条款仅提供其中一组实验数据，并进行相应数据处理。 2 2 2 1 前侧门关门速度数据处理 经过5 0 次测量后，得到前侧门关闭速度结果如下： 表2 1 某微车前侧门关闭速度( 单位：m s ；门窗关闭；有密封胶条) 硕士学位论文 图2 3 前侧门关门速度累计率直方图( 门窗关闭；有密封胶条) 表2 2 前侧门关门速度累计率表( 门窗关闭；有密封胶条) 图2 4 前侧门关门速度测量值在x 士。区间内的分布( 门窗关闭；有密封胶条) 关门速度测试数据在x 士。区间内的概率为0 7 8 ，基本符合正态分布，可以认 为试验数据是可信的。 9 基于密封胶条结构优化的车门关闭轻便性改善研究 表2 3 某微车前侧门关闭速度( 单位：m s ；门窗开启；有密封胶条) 图2 5 前侧门关门速度累计率直方图( 门窗开启；有密封胶条) 表2 4 前侧门关门速度累计率表( 门窗开启；有密封胶条) 1 0 硕十学位论文 图2 6 前侧门关门速度测量值在x 士。区间内的分布( 门窗开启；有密封胶条) 关门速度测试数据在x 士。区间内( 0 7 6 o 8 4 ) 的概率为0 6 2 ，基本符合正态 分布规律，可以认为试验数据是可信的。 2 2 2 2 后侧门关门速度数据处理 经过5 0 次测量后，得到后侧门关闭速度的结果如下： 表2 5 某微车后侧门关闭速度( 单位：m s ；门窗关闭；有密封胶条) 图2 7 后侧门关门速度累计率直方图( 门窗关闭；有密封胶条) 基于密封胶条结构优化的车门关闭轻便性改善研究 表2 6 后侧门关门速度累计率表( 车窗关闭；有密封胶条) 图2 8 后侧门关门速度测量值在x 士。区间内的分布( 门窗关闭：有密封胶条) 关门速度测试数据在x 士。区间内的概率为0 6 8 ，基本符合正态分布，可以认 为试验数据是可信的。 表2 7 某微车后侧门关闭速度( 单位：m s ；门窗开启；有密封胶条) 1 2 硕：学位论文 图2 9 后侧门关门速度累计率直方图( 门窗开启；有密封胶条) 表2 8 前侧门关门速度累计率表( 门窗开启；有密封胶条) 图2 1 0 后侧门关门速度测量值在x 圭a 区间内的分布( 门窗开启；有密封胶条) 关门速度测试数据在x 士。区间内( o 8 5 0 8 9 ) 的概率为o 7 2 ，基本符合正态 分布规律，可以认为试验数据是可信的。 2 2 2 3 实验结论 经过数据分析处理，可以得到前后侧车门在门窗开启和关闭两个状态下关门 1 3 基于密封胶条结构优化的车门关闭轻便性改善研究 速度的实测数据。 表2 9 某微车o t s 样车前侧门关闭速度 从上表可以发现前后侧车门在两种状况下车门关闭速度差别很大，因为是在 同一时间段下测试同一个车门，因此完全可以忽略限位器、铰链等其他因素对车 门关闭速度的影响，并以此估计空气阻力在车窗关闭状态下所占的比重。从上表 中的数据，可以计算得到，前侧门空气阻力消耗的关门能量约占总关门能量的 5 0 ，后侧门空气阻力消耗的关门能量约占总关门能量的2 3 ，空气阻力对前侧 门的影响比对后侧门的影响更大。 要有效地降低空气阻力的影响，正常情况下最有效的方法是在车身上开装有 单向阀的通风口，但由于该车本身未预留通风口，因此，更为现实的办法是改变 密封胶条的刚度。由式( 2 2 ) 可知，胶条的压缩量能降低空气阻力所做的功；改变 胶条的压缩量会影响胶条的吸能，同样会影响关闭能量的消耗，选取胶条参数时 应综合考虑这两个因素的影响。 2 3 本章小结 本章先就影响车门关闭轻便性( 关闭速度) 的六个因素一一空气阻力、铰链、 限位器、车门重心变化、门锁作用力以及胶条压缩力逐一阐述，指出各自作用机 理及影响方式。在第二节中描述了关闭速度的试验方法，及数据处理方式，进一 步验证了胶条压缩力以及空气阻力是最大影响因素的结论。 1 4 硕 j 学位论文 第3 章优化算法理论基础 本章中介绍了实验设计的基本概念，并引入了几种试验设计方法，分析了各 种方法存在的优缺点：同时，介绍了遗传算法、蚁群算法、遗传蚁群融合算法等 智能算法，介绍了各自的特色以及优缺点，并简单介绍了各种方法的分析流程。 3 1 试验设计 试验设计阳1 2 3 的目的是通过尽可能少的实验次数获取尽可能多的设计空间信 息，其以概率论、数理统计和线性代数作为理论基础，能科学的安排试验方案， 并正确的分析试验结果以尽快获取优化方案的数学手段。适用于解决多因素、多 目标的问题。 不同的设计变量组合间通常会存在交互作用，甚至有相互矛盾，为了避免这 些不可预知的因素产生不良影响，实验人员通常采用正交化序列采样的方法。正 交化的优点是能分离开因素间的影响，同时还可以从相互独立的设计变量获取最 大化的设计空间信息。此外，实验点在设计空间中的分布应具有良好的均匀性， 即试验点应是设计空间超立方体的子集。 试验设计的三个要素分别是：试验指标、试验因素和试验水平。试验指标用 来衡量试验的效果，试验因素指对试验指标可能有影响的原因或要素。试验设计 中，选定的因素处的状态和条件的变化，可能引起试验指标的变化，称各因素变 化的状态和条件为水平或位级，在选取水平时，一般应注意如下三点：( 1 ) 水平宜 选取三水平或更高水平；( 2 ) 水平取等间隔的原则；( 3 ) 所选取的水平应是具体的， 即水平应该是可以控制的，并且水平的变化要能直接影响试验指标并使其有不同 程度的变化。 最常用的试验设计取点技术有全因子试验设计、正交试验设计、均匀试验设 计和拉丁超立方体抽样等，下面将详细介绍这几种方法的具体内容及其各自的优 缺点。 3 1 1 全因子设计 全因子设计考虑了全部因素和全部水平的所有组合，又称为全面试验设计。 在一项试验中若有玎个因素，每个因素对应的水平数分别为，f 2 ，厶，则全面试 验的试验次数彳为 彳= 乞x 厶( 3 1 ) 例如对2 因素5 水平全因子试验则需要做5 5 = 2 5 次试验，见图2 1 所示，其中 基于密封胶条结构优化的车门关闭轻便性改善研究 和分别表示因素的下限和上限。 全面试验方法对各因素于试验指标间的关系剖析得比较清楚，当因素的个数 不多，每个因数的水平也不多时，采用全面试验设计的方法，并且通过数据分析 可以获得较丰富的结果，结论也比较准确。 图3 12 因素5 水平全因子试验设计 然而，当因素数较多，水平数较大时，全因子试验设计往往要求较多的试验 次数，比较费时费事，例如6 因素5 水平的全因子试验设计的次数为5 6 = 1 5 6 2 5 次，当因素水平过多时，试验会无法完成。此外，全因死试验设计方法还存在无 法分清因素主次以及不做重复试验无法估计误差的缺点。 3 1 2 正交试验设计 正交试验设计兼顾了全因子试验设计方法和简单比较法的优点，避免了全因 子试验设计方法由于考虑了所有因素所有水平所带来的计算难度。正交试验设计 所构造的正交矩阵的每一个部分是全因子矩阵的部分阶乘子集( 1 2 ，1 4 ，1 8 ，等 等) ，用以保证元素间的正交状态。正交试验设计方法是用一套规格化的正交表来 安排试验，并采用方差分析等数理统计方法对试验分析结果进行处理，以得到更 为科学和合理的结论。正交试验设计可以用相对较少的试验次数，获得基本上能 反映全面试验情况的分析信息，通过对试验结果的方差分析，可以估计诸因素影 响的相对大小，考察因素之间的相互影响，提出较好的展望条件。该方法能方便 的分清因素的主次，不需要做重复试验，就可以估计试验误差。 正交表是数学工作者为了方便设计人员选取设计样本点，挑选出具有代表性 的因素、水平的搭配关系，而拟定出来的满足正交试验条件的设计表格。正交表 是正交试验设计的最基本最重要的工具，只要按照正交表安排试验，必然满足正 交条件。其特点如下：均衡分散性，即具有代表性；整齐可比性，即方便用统计 数理方法处理数据。在减小了试验和计算的工作量的情况下，仍能得到基本上反 映全面情况的试验结果。但是当试验中因素数或其水平数较大时，正交试验的试 验次数还是很大。 1 6 硕士学位论文 分析测试中常用的正交表一般属于三。( ，“) 类型，其中，“三 代表正交表，三的 下标“彳”表示正交表中有4 个横行，即要做么次试验；括号内的指数“，z ”表 示有，1 个纵列，即最多允许安排的因素数是咒个；而“，”代表因素的水平数。同 时，正交表有如下两个基本的性质，即正交性：( 1 ) 表中任意1 列中各水平出现 的次数相等；( 2 ) 表中任意2 列构成的水平对是一个完全有序数字对，每个水平 对重复出现的次数相等。借助正交表，还可以了解全因子试验设计与正交试验设 计的试验次数的差别。例如厶( 2 7 ) ：表示要做8 次试验，最多允许安排7 个因子， 每个因子有2 个水平数，具体表格见表2 2 ；而采用2 水平7 因子的全因子试验 设计的次数为2 7 = 1 2 8 次，远远大于正交试验设计的8 次。关于正交表的种类及其 构造方法等详细内容可以参考文献。 3 1 3 均匀试验设计 均匀试验设计( u n i f o r me x p e r i m e n t a ld e s i g n ) 属于“伪蒙特卡罗方法”的范 畴，与正交试验设计不同之处在于：不再考虑“数据整齐可比 性，而是将试验 点均匀地散布在试验范围内。它具有试验次数少，代表性强等优点；而且，其得 到的结果仍能反映分析体系的主要特征，从而节省了大量的试验工作量，这种优 点在试验水平数目很大的情况下尤为突出。 均匀试验设计与正交试验设计一样，也需要按照规格化的表格来设计试验。 均匀试验设计使用的表称为u 表，它是我国数学工作者方开泰将数论方法用于试 验设计构造而成。其符号为u 。( ，”) ，其中u 代表均匀表，彳、刀和，分别代表试验 次数、因素数和因素数水平。表3 1 为以( 6 6 ) 均匀设计表，它可以安排6 因素6 水平的试验，仅做6 次试验即可。 表3 1 均匀试验表u 6 ( 6 6 ) 均匀设计方法有独特的布点方式，每个因素的每个水平仅做一次试验，任意 两个因素的试验点在平面的格子上，每列每行有且仅有一个试验点。即均匀设计 方法对每个因素的每个水平一视同仁，体现了“均匀性”。 均匀试验设计由于每个因素水平数较多，而试验次数又较少，且设计表u 不 具备正交性及整齐可比性，所以分析试验结果时不能采用一般的方差分析方法， 1 7 基于密封胶条结构优化的车门关闭轻便性改善研究 通常要使用回归分析或逐步回归分析方法。 3 1 4 中心组合设计 中心组合设计就是