（车辆工程专业论文）基于耐撞性仿真的轿车车身零件拼焊板设计方法研究.pdf

主海交遴大学媾学位论文 基于耐撞性仿真的轿车车身零件拼焊板设计方法研究 摘要 减轻汽车质量以降低燃油消耗和减少排放污染是2 l 世纪汽车发展的核心问题。 由于拼焊板结构具有减轻重量、减少零件数量、提高材料利用率和提高结构性能等 优点，在汽车车身的轻量化设计中，利用拼焊板结构替代传统结构已经成为主要方 法之一。但是西前的零件拼焊板设计主要依赖于专家经验或以参照为主，缺乏相关 方面的定性或者定量的设计方法研究，因此为拼焊板结构在车身零件上的应用，汗 展拼挥板车身零件轻量佬设计方法研究具有重要的意义和应用价值。 汽车零件的拼焊板轻量化设计绝不能以牺牲其关键力学性能为代价，尤其是关乎 乘员安全的汽车耐撞性，而耐撞性数值仿真技术是汽车开发过程中不可缺少的重要 工具。为了使得耐撞性数值仿真手段能够快速、精确地指导拼焊板设计，本文首先 对耐撞性数值仿真的关键技术进行了研究，提供了精确、高效的分析模型基础，为 耐撞性数值仿真正确指导零件拼焊板设计轻量化提供了保证。在此基础上分别以车 身薄壁梁结构部件和板壳结构部件作为分析对象，进行了拼焊板轻量化设计方法研 究，提出了综合考虑零件强度、弯曲嚣l 度、扭转剐度、吸能能力和材料成本的薄壁 粱零件拼焊板轻量化设计方法，以及综合考虑整车耐撞性能、零件强度、刚度和自 然频率的板壳零件拼焊板轻量化设计方法，并将所形成的方法应用于车身具体零件 的拼焊板轻量化设计。主要研究内容及结论如下： 1 汽车耐撞性数值仿真的关键技术研究 重点研究了基于汽车碰撞仿真的点焊连接关系模拟以及网格规模控制方法研 究。针对已有方法的不足，引入弹一塑性梁接触模型来模拟点焊连接关系，对比分 析了以刚性梁和弹塑性梁接触模型来模拟点焊在冲击过程中对于失效判断的稳定 性和可靠性，仿真解析结果表鞠弹一塑性梁接触模型更适合于模拟点焊冲击行为。 从溺格规模控制的角度，提出了徐交区域网格布置方法和c p u 计算时间控制方程， 并通避正碰仿真试验，验证了结合以上两种手段进行整车模型嬲格规摸控制在提高 计算效率的同时并不减少计算精度，证明了该方法的可行性。 2 。基于汽车碰撞仿真的拼焊板焊缝有限元模型建立 针对隧前没有合适的焊缝有限元模型来模拟拼焊板焊缝在汽车碰撞过程中的力 学行为，提出了双层梁模型来模拟焊缝。采用不同建模技术，基于单轴拉伸仿真和 摘要 碰撞仿真对拼焊板焊缝有限元模型进行研究，进行了与汽车碰撞有关的失效位置、 变形和吸能等方面的精度影响分析。结果显示，不同的建模方式在有限元仿真中将 对各种结果产生菲常敏感的影响，从而证明了拼焊板焊缝模型研究的重要性。通过 仿真与实验结采的比较与分析，验证了本文所提出的双层梁焊缝模型相对于现有的 其它焊缝模型更合理。 3 车身薄壁梁零件的拼焊板轻量化设计方法研究 基予力学基本原理，推导了拼焊板薄壁梁的强度、弯益刚度、扭转刚度和吸能 能力轻量化控制方程。利用乘子罚函数方法进行拼焊板薄壁梁优化设计求解并提出 了薄壁梁零件的拼焊板轻量化设计方法。在此基础上以汽车前纵梁作为范例进行拼 焊板轻量化设计，首先进行零件的分块设计和材料的初选，然后根据所建立的轻量 化方程对零件的厚度和材料进行约束控制，利用乘子罚函数方法获得优化结果并综 合考虑质量和材料成本进行设计方案评价，最后对选取的轻量化方案进行了耐撞性 数值仿真，验证了轻量化设计方法的可行性。 4 车身板壳零件的拼焊板轻量化设计方法研究 从泛化能力的角度，对比了响应面方法( r s m ) 和人工神经网络( a n n ) 两种近似模 拟方法对于拼焊板设计中不同响应的拟和效果。分析结果表明，r s m 更适合于拼焊 板设计中简单响应( 零件质量、刚度、自然频率) 的模拟，而a n n 则对于耐撞性响 应有着雯大的优势。对板壳典型零件车门内板进行实例设计，以零件质量和侧碰安 全性能作为优化遐标，以强度、刚度和自然频率作为优化约束，利用权重系数遗传 算法进行了多目标优化计算，实现了车门内板的拼焊板轻量化设计，在此基础上提 出集有限元数值模拟、近似模拟技术和遗传算法于一体的板壳拼焊板轻量化设计方 法。 本文对基于汽车碰撞的几个关键c a e 技术进行了研究，目的在于提高c a e 仿 真精度和计算效率，为车身零件的拼焊板轻量化设计提供准确、快速的模型基础； 根据薄壁梁和板壳零件不同的结构特点提出了两种不同类型的拼焊板轻量化设计方 法，对拼焊板结构在车身上的应用具有很好的借鉴作用。 关键词：拼焊板结构、轻量化、有限元方法、耐撞性、优化设计、车身零件 i l 上海交遴大学簿圭学位论文 s t u d yo nt h ed e s i g nm e t h o do fa u t o m o t i v e l 谖r t sw i t ht a l l o r w e l d e db l a n k sb a s e do n c r a s h w o r t h i n e s ss i m u l a t i o n a b s t r a c t r e d u c t i o no f a u t o m o t i v ew e i g h ti st h ec o r ep r o b l e mi nt h e21 c e n t u r yf o ri t sp o t e n t i a l t od e c r e a s i n gt h ef u e lc o n s u m p t i o na n de m i s s i o np o l l u t i o n t h et a i l o r - w e l d e db l a n k ( t w - b ) h a st h ea d v a n t a g e so fw e i g h tr e d u c t i o n ，p a r t sc o u n td e c r e a s e m e n t ，m a t e r i a lu t i l i z a t i o n e f f i c i e n c ye n h a n c e m e n ta n ds 订u c t u r ep e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n t 两e r e f o r e ，t h eu t i l i z a t i o n o ft w bs 锹l 酶l r et or e p l a c et h et r a d i t i o n a ls 讹c t u r eh a sb e c o m et h em a i na p p r o a c ha m o n g t h ea u t o m o t i v el i g h t w e i g h td e s i g nm e t h o d s 。h o w e v e r , t h ec u r r e n tt w b d e s i g nm a i n l y r e l i e so nt h ee x p e r te x p e r i e n c ea n dr e f e r e n c e ，l a c k i n gt h er e l a t e dq u a l i t a t i v eo rq u a n t i t i v e s t u d y t h e r e f o r e ，d e s i g n i n gal i g h t w e i g h tm e t h o df o rt h et w bc o m p o n e n t si so fg r e a t s i g n i f i c a n c ea n dv a l u ef o r t h ea p p l i c a t i o no ft w b i na u t o m o t i v ei n d u s t r y t h ea u t o m o t i v el i g h t w e i g h td e s i g nu s i n gt w bs 1 敝n 塔ec a nn o tb ec o n d u c t e da tt h e c o s to ft h ek e ym e c h n i c a lp e r f o r m a n c e s ，e s p e c i a l l yt h ea u t o m o t i v ee r a s h w o r t h i n e s s r e l a t i n gt ot h ep a s s e n g e rs a f e t y f 疆壤e 勰o ，t h ei m p a c ts i m u l a t i o nt e c h n i q u ei sa n i m p o r t a n tt o o li nt h ed e v e l o p m e n to f a u t o m o b i l e s 。i no r d e rt om a k et h ec r a s h w o r t h i n e s s n u m e r i c a ls e r v et h et w b d e s i g nq u i c k l ya n dp r e c i s e l y , t h i sp a p e rf i r s t l yp e r f o r m sas t u d y o nt h ek e yt e c h n i q u e si nt h ec r a s h w o r t h i n e s sn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，w h i c hp r o v i d e sp r e c i s e a n de f f i c i e n ta n a l y t i c a lm o d a l sf o r t h el i g h t w e i g h t t h e n ，t h em e t h o d o l o g ys t u d yi s p e r f o r m e db yu s i n gt h et w bs t r u c t u r et or e d u c et h ea u t o m o t i v ew e i g h t ，w i t ht h e t h i n - w a l l e db e a mc o m p o n e n t sa n ds h e l l s h a p e dc o m p n e n t sa s t h ed e s i g nt a r g e t a 1 i g h t w e i g h td e s i g nm e t h o df o rt h i n - w a l l e db e a mc o m p o n e n t si sp r e s e n t e di nw h i c ht h e s t r e n g t h , b e n d i n gs t i f f n e s s ，t o r s i o ns t i f f n e s s ，e n e r g ya b s o r p t i o nc a p a b i l i t ya n dm a t e r i a lc o s t a l ec o m p r e h e n s i v e l yc o n s i d e r e d i nt h em e a nt i m e ，w ep u tf o r w a r dad e s i g nf r a m e w o r kf o r l i g h t e n i n g t h e s h e l l s h a p e dc o m p o n e n t su s i n gt w bs t r u c t u r e ，i n w h i c ht h e c r a s h w o r t h i n e s sp e r f o r m a n c e ，p a r ts t r e n g t h ，s t i f f n e s sa n dn a t u r a lf r e q u e n c ya r et a k e ni n t o i i i a b s t r a e t a c c o u n t f i n a l l y , t h ee s t a b l i s h e dm e t h o di sa p p l i e dt ot h el i g h t w e i g h td e s i g nf o rt h e d e t a i l e da u t o m o t i v ep a r t su s i n gt w b t h ew o r k sa n dr e s u l t si nt h i sp a p e ra r em a i n l ya u s f o l l o w s ： 1 s t u d yo nt h ek e yt e c h n o l o g i e sb a s e do nv e h i c l ei m p a c ts i m u l a t i o n a s t u d yi sp e r f o r m e dt om o d e lt h es p o tw e l da n dc o n t r o lt h em e s hd i m e n s i o nb a s e do n t h ev e h i c l ei m p a c ts i m u l a t i o n a ne l a s t i c p l a s t i cb e a mc o n t a c tm o d e li sp u tf o r w a r dt o r e p r e s e n tt h es p o tw e l d ，a i m i n ga tc o m p e n s a t i n gt h es h o r t a g eo ft h ec u r r e n tm e t h o d s c o m p a r i s o nb e t w e e nt h er i g i db e a ma n dt h ee l a s t i c p l a s t i cb e a mi sp e r f o r m e dt oa n a l y s i z e t h es t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yi np r e d i c t i n gt h ef a i l u r et i m eo ft h es p o t - w e l du n d e ri m p a c t l o a d i n g t h ea n a l y t i c a lr e s u l t so fs i m u l a t i o n ss h o wt h a tt h ee l a s t i c - p l a s t i cb e a mc o n t a c t m o d e li sm o r es u i t a b l ef o rm o d e l i n gt h es p o tw e l d su n d e ri m p a c tl o a d i n gc o m p a r e dw i t h t h er i g i db e a mm o d e l m e t h o do fm e s h i n gav e h i c l eu s i n gg r a d u a l l yc h a n g i n ga r e a sa n d c p ut i m eg o v e r n i n ge q u a t i o na r ep r e s e n t e df r o mt h ep o i n to fv i e wo fm e s hd i m e n s i o n c o n t r 0 1 t h ef u l l - w i d t hf r o n t a li m p a c ts i m u l a t i o no ft h ew h o l ec a rs h o w st h a tc o m b i n i n g t h ea b o v et w om e t h o d st oc o n t r o lt h em e s hd i m e n s i o no ft h ec a rm o d e lc a ne n h a n c et h e s i m u l a t i o ne f f i c i e n c yw i t hn os a c r i f i c eo fs i m u l a t i o na c c u r a c y , w h i c hp r o v e st h ev a l i d i t y o ft h em e t h o d s 。 2 i m p a c tm o d e l i n go ft h ew e l dl i n eo ft a i l o r - w e l d e db l a n k s i n c ec u r r e n t l yt h e r ea r en op r o p e rm o d e l st or e p r e s e n tt h ew e l dl i n eo ft w bu n d e r i m p a c tl o a d i n g ，an o v e lw e l d i n gm o d e li sp u tf o r w a r d ，w h i c hu s e st w o f o l db e a m st o s i m u l a t et h eb e h a v i o ro ft h ew e l dl i n e s i m u l a t i o n so fu n i a x i a lt e n s i l et e s t sa n di m p a c t t e s t sa r ec o n d u c t e dt os t u d yt h ei n f l u e n c e so fd i f f e r e n tw e l dm o d e l i n gm e t h o d so n m e c h a n i c a lb e h a v i o r so ft a i l o r - w e l d e db l a n k si n v o l v e di nv e h i c l ei m p a c ts u c ha sf a i l u r e p o s i t i o n ，d e f o r m a t i o n ，a n de n e r g ya b s o r p t i o n 1 1 1 er e s u l t si n d i c a t et h a tt h e r ea r ean u m b e r o fr e l a t i v e l ys u b t l ee f f e c t sa s s o c i a t e dw i t ht h em a n n e ri nw h i c ht h ew e l dl i n ei sm o d e l e d t h cs i m u l a t i o na n dt e s ta n a l y s i s e sp r o v et h a tt h et w o - f o l db e a mm o d e lp r e s e n t e di nt h i s p a p e ri sm o r er e a s o n a b l et h a no t h e re x i s t i n gm o d e l s 3 m e t h o ds t u d yo nt h et w bl i g h t w e i g h td e s i g nm e t h o df o rt h ea u t o m o t i v e t h i n - w a i l e db e a m c o m p o n e n t s b a s e do nt h eb a s i cm e c h a n i c a lp r i n c i p l e ，t h el i g h t w e i g h tg o v e m i n ge q u a t i o n so f i v 上海交通大学博士学位论文 s t r e n g t h , b e n d i n gs t i f f n e s s ，t o r s i o ns t i f f n e s sa n de n e r g ya b s o r p t i o nc a p a b i l i t ya r ed e r i v e d m e t h o do fm u l t i p l i e rp e n a l t yf u n c t i o ni su s e dt oo p t i m i z et h et w bt h i n w a l l e ds t r u c t u r e a n dt h ed e s i g na p p r o a c hi sp r e s e n t e df o rl i g h t e n i n gt h et w bt h i n - w a l l e dc o m p o n e n t s 。 t h e n t h ea u t o m o t i v ef r o n ts i d er a i li st a k e na st h ee x a m p l et od ot h et w b l i g h t w e i g h t d e s i g n f i r s t l y , t h ep a r t i t i o na n di n i t i a lm a t e r i a ls e l e c t i o nf o rt h et w bc o m p o n e n ti s p e r f o r m e d 。s e c o n d l y , c o n s t r a i n t sa l ea p p l i e dt ot h et h i c k n e s s e sa n dm a t e r i a l sa c c o r d i n gt o t h ee s t a b l i s h e dl i g h t w e i g h tg o v e r n i n ge q u a t i o n s w h e r e a f t e r , t h em e t h o do fm u l t i p l i e r p e n a l t yf u n c t i o ni su t i l i z e dt oo b t a i nt h eo p t i m a lr e s u l t sa n dd e s i g ns c h e m e sa l ee v a l u a t e d b a s e do nt h em a s sa n dm a t e r i a lc o s t f i n a l l y , c r a s h w o r t h i n e s sn u m e r i c a ls i m u l a t i o ni s p e r f o r m e dt oa s s e s st h es e l e c t e dl i g h t w e i g h ts c h e m ea n dp r o v et h ef e a s i b i l i t yo ft h e l i g h t w e i g h ta p p r o a c h 4 。m e t h o ds t u d yo nt h et w bl i g h t w e i g h td e s i g nm e t h o df o rt h ea u t o m o t i v e s h e l l s h a p e dc o m p o n e n t s f r o mt h ep o i n to fv i e wo fg e n e r a l i z a t i o nc a p a b i l i t y , t h ea p p r o x i m a t ee f f i c i e n c yo ft w o m e t a m o d e lt e c h n o l o g i e sr e s p o n s es u r f a c em e t h o d ( r s m ) a n da r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ( a n n ) a l ec o m p a r e di nt h ed i f f e r e n tt w bd e s i g n t h ea n a l y t i c a lr e s u l t ss h o wt h a tt h e r s mi sm o r es u i t a b l ef o rt h es i m p l er e s p o n s ea p p r o x i m a t i o n0 a r tw e i g h t , s t i f f n e s sa n d n a t u r a lf r e q u e n c y ) ，w h i l et h ea n nh a sm o r ea d v a n t a g e si ni m p a c tr e p o n s e s w h e nt a k i n g t h ea u t o m o t i v ei n n e rp a n e la st h ed e s i g ne x a m p l e ，t h ew e i g h t - s u mg e n e t i ca l g o r i t h m ( g a ) i su s e dt oo p t i m i z et h em u l t i - o b j e c t i v ep r o b l e m ，w i t ht h ep a r tw e i g h ta n ds i d ei m p a c t c r a s h w o r t h i n e s sa st h eo p t i m i z a t i o no b j e c t i v e sa n dt h es t r e n g t h , s t i f f n e s sa n dn a t u r a l f r e q u e n c y 瑟t h eo p t i m i z a t i o nc o n s t r a i n t s t h e r e b y , t h el i g h t w e i g h td e s i g n o ft h e a u t o m o t i v ei n n e rd o o rp a n e li sr e a l i z e db yu s i n gt h et w bs t r u c t u r e i nt h i sw a y , a l l i n t e g r a t e da p p r o a c hi sd e f i n e du s i n gf e a ，a n na n dg a f o rt h eo p t i m i z a t i o nd e s i g no f s h e l l s h a p e dc o m p o n e n t sw i t ha t w bs t r u c t u r e t h i sp a p e rs t u d i e ss e v e lk e yc a et e c h n o l o g i e se x i s t i n gi nt h ec r a s hs i m u l a t i o n ，i na n a t t e m p tt oe n h a n c et h ep r e c i s e n e s sa n dc a l c u l a t i o ne f f i c i e n c yt h u ss u p p l y i n ga c o r r e c ta n d f a s t - r u n n i n gm o d e lf o r t h ef u r t h e rt w bl i g h t w e i g h td e s i g no f t h ea u t o m o t i v ec o m p o n e n t s t h e na c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n ts t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h i n w a l l e db e a ma n d s h e l l - s h a p e dc o m p o n e n t sw i t ht w bc o n c e p t ，t w od i f f e r e n td e s i g nf r a m e w o r k a l ep r o p e r l y d e f i n e d ，w h i c hm a k e sag o o dr e f e r e n c ef o rt h ea p p l i c a t i o no f t w bs t r u c t u r e si na u t ob o a y v a 8 s 张矗e t k e yw o r d s ：t a i l o r - w e l d e d s t r u c t u r e ，l i g h t w e i g h t ，f i n i t e e l e m e n tm e t h o d ， c r a s h w o r t h i n e s s ，o p t i m i z a t i o nd e s i g n ，a u t o b o d yp a r t v 1 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取 寻的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：旌狄自 日期：曙年荔月户日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 舨，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密团，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密刮。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者签名：施钦囱 艚赫躲暂撇 日期：伊g 年c 月y 日 日期：少霜年6 月日 上海交通大学博士学位论文 1 1 课题研究背景、意义 第一章绪论 1 1 1 研究背景 近年来，世界汽车保有量与日俱增，正以越来越大的影响力改变着人们的工作 和生活，但随之而来汽车工业面临着能源短缺、环境污染等一系列问题也日益突出， 节约资源、减少环境污染成为汽车工业界亟待解决的两大核心问题。据统计，汽车 每减重1 0 ，油耗可降低6 8 i l j 。因此，减轻汽车自重是节约能源和提高燃料经 济性、减少环境污染的最基本途径之一，汽车轻量化成为2 l 世纪汽车技术的前沿和 热点。截至2 0 0 6 年底，我国汽车保有量超过4 0 0 0 万辆，预计2 0 1 0 年将达到7 1 0 0 万辆，而美国的汽车保有量目前已超过了2 亿辆，可见汽车减重对节能、改善环境 的意义十分巨大。我国在汽车轻量化研究方面处于起步阶段，必须研发和应用更为 有效的轻量化结构，大力开展汽车轻量化研究，缩小与世界发达国家的差距。 汽车轻量化有两大途径，一是结构轻量化，即通过改进汽车结构，使部件薄壁 化、中空化及复合化；二是材料轻量化，即通过采用轻量化材料包括金属和非金属 ( 如高强度钢材、铝镁合金、工程塑料和各种复合材料) 【2 】。而拼焊板技术既可以做 到零件的复合化，减少零件数量，又可以采用高性能材料对零件进行局部加强，可 以说是两种轻量化方法的集大成者，因而在汽车工业得到广泛应用。拼焊板是将不 同厚度、不同材质或不同表面涂层的平板材料焊接在一起形成的平板p 】。图1 1 显示 了拼焊板在典型车身零件上的应用。拼焊板的应用历史可以追溯到1 9 6 0 年，日本本 田汽车公司采用拼焊板冲压件制作成侧围板。美国通用汽车公司、日本丰田汽车公 司、瑞典沃尔沃汽车公司等相继在车身零件中采用了拼焊板技术，并取得了丰硕成 梨4 矧。1 9 9 5 年，宝马公司开始大规模地使用拼焊板，使德国的拼焊板产量骤升至1 0 0 万张。通用汽车是北美最大的拼焊板用户，已经成功地将拼焊板应用于几条汽车生 产线底盘上层覆盖件的生产之中，其中包括b u i c k ，c a d i l l a c 和o l d s m o b i l e 等车型。 1 9 9 8 年3 月，在日内瓦汽车展览会上展出了新超轻型钢车身( u l t r al i g h ts t e e la u t o b o d yp r o j e c t ，u l s a b ) 结构【7 - 9 1 。u l s a b 计划采用大型计算机辅助有限元分析技术， 通过试验论证了采用薄低合金钢板以及不同等级和厚度钢板制成的拼焊板可以得到 更坚固、更便宜的车身结构；这些车身质量与当前四门中型轿车平均设计水平相比， 重量降低超过2 5 ，抗扭刚度提高了6 5 ，振动特性改善了3 5 ，并且增强了弯曲 第章绪论 刚度。中国现有3 个激光拼焊板的生产基地，分别在上海、武汉和长春，年产量都 在10 0 万件以上。其中，宝钢阿赛洛激光拼焊公司预计未来几年内将形成1 0 0 0 万件 激光拼焊板的生产能力。 t t ，“l 。 j 乏穸g 图1 1 拼焊板结构在冉删午身零什上的应用 f i g i - ia p p l i c a t i o n so f t a i l o r - w e l d e db l a n k s i n t y p i c a la u t o m o t i v ep a r t s 尽管拼焊板结构已经在汽车上得到了应用，但其设计包括拼焊板母板数目、母 板材料和焊缝位置等设计因素的确定主要依靠工程类比和设计经验，即使是这衅也 仪仪掌握在国外少数大汽车厂商手里。随着计算机技术与自动化技术的发展，可_ 三【 在设计阶段就利用计算机仿真技术进行卒j j 步设计：在训算机数值模拟过程中，为了 获得所设计汽车结构的耐撞性等重要性能指标，向计算机输入不同的材科、厚度、 焊缝分布位置等模型参数就可以得到不同组的计算机模拟结果，从中选取较佳方案， 町以提供优化的拼焊板设计参数。但是基于数值模拟的拼焊板结构设计是在计算机 上反复修改设计参数，然后模拟验证其合理性，这其实也是种试错的方法，需要 消耗大量的计算时问，而且不一定能够得到理想解。本课题的研究正是在这样的背 景下进行的。 1 l2 研究目的与意义 目前拼焊板结构具有诸多优势和广泛的应用前景，但是目前有关丁拼焊扳的研 究绝大多数集中在冲压成形工艺方面1 9 - 1 4 1 ，如何设计特别是优化设计车身上的不同 拼焊板结构( 如以前纵粱为代表的薄壁梁拼焊板结构和以车门内板为代表的板壳拼 焊板结构) 将是一种新的挑战。主要原冈体现在下面两点： ( 1 ) 面向拼焊板结构设计的汽牟碰撞c a e ( c o m p u t e ra i d e de n g i n e e r i n g ) 仿真技 术还不够成熟。 主海交遴大学游士学位论文 采用拼焊板结构一个很大的优势在于它能够替代传统设计中的加强件从而减少 零件数量，因为可以在承受高应力的关键区域采用大厚度或是高强度母板来替代加 强件。传统设计中的加强件很大程度上都是为了能够承受汽车冲击碰撞载荷，因此 拼焊板的轻量化设计不可避免的要考虑碰撞安全性能。焉轻量化设计中单纯以实车 碰撞实验来提供轻量化设计中所必须的设计样本或进行设计验证代价太过昂贵，也 不切实际，因此必须依赖于近年来被汽车工业界广泛推崇的c a e 仿真技术。但是对 于拼焊板结构的优化设计，c a e 仿真技术还存在下面几个主要问题：1 ) 已有的面向 冲压工艺成形的拼焊板焊缝有限元模型并不适合于汽车碰撞仿真；2 ) 目前常用的模 拟点焊连接关系的刚性梁单元在焊点断裂模拟方面不够稳定、可靠，影响了拥有几 千个焊点的整车的碰撞仿真精度；3 ) 汽车的轻量化设计往往依赖优化手段，需要数 十次甚至是上百次的碰撞响应作为数据样本，需要既精确又高效的c a e 计算模型， 耩确与高效是一对矛盾体，因此在保证仿真精度的前提下减少拼焊板优化设计的时 间成本对于拼焊板设计的可行性具有重要的意义。 ( 2 ) 拼焊板结构设计涉及的因素众多，导致整个轻量化设计系统非常复杂。 拼焊板是由几块不同厚度、不同材料的母板构成的( 如图1 2 所示) ，呈现如多样 性和复杂性。在设计拼焊板这一特殊结构时必须兼顾不同车身零件的使用功能，如 板壳状零件和薄壁梁零件在车身结构中起着不同的功能作用，嚣此必须区别对待。 拼焊板的轻量化设计需要考虑的因素很多，如拼焊板的分块数、焊缝位置、母板材 料和厚度等等，丽这些并不能简单的以变量的形式在优化程序中进行轻量化设计。 拼焊板的轻量化设计必须要考虑汽车碰撞安全性，尽管精确的c a e 仿真能够替代昂 贵的汽车实车碰撞实验，但是单纯以反复试错的方式利用c a e 解析技术进行拼焊板 车身零件的轻量化设计既耗时又不稳定。同时，拼焊板的轻量化设计不能以牺牲零 件强度、刚度和自然频率等性能为代价，因为它们直接影响到汽车零件的使用耐久 性及n v h 性能。如何在拼焊板车身零件的轻量化设计中将这些因素都考虑进来是一 个复杂的阗题。因此，如何系统地建立一个合理、高效的拼焊板轻量化设计方法厦 临很多挑战。 为了解决车身用拼焊板结构设计的盲目性和提高拼焊板结构设计的合理性，本 课题进行两大方面的研究：是研究建立面向拼焊板结构设计的精确、高效的整车 碰撞仿真模型的关键c a e 技术；二是建立一套系统的车身零件拼焊板轻量化设计框 架。前者既为拼焊板的轻量化设计提供可靠、快速的模型基础，从而有效地支持拼 爆板结构设计或优化设计，减少产品的开发周期，又是对现有汽车碰撞有限元模拟 第一绪论 技术的补充，对于汽车碰撞仿真技术的应用与发展具有积极意义；后者则系统地研 究拼焊板结构的轻量化设计方法，在学术研究和工程应用方面都有着重大的意义。 围i o 拼焊板结构侧围 f i gi 。2 b e v y - s i d e f r a m eo f t h e t a i l o r - w e l d e db l a n ks t r l i c t u r | e 1 13 课题来源 本文研究来源于囡家高技术研究发展规划( 8 6 3 计划) 的“轿车车身性能综合仿 真分析与稳健优化设计技术”项目( 编号：2 0 0 6 a a 0 4 2 1 2 6 ) ，以及宝钢“车身零件 可冲压性、使用性和安全性分析软件升级及其优化建模”项目。 12 国内外相关研究现状 i2i 汽车用拼焊板结构的发展历史 拼焊板结构真工f 意义上第一次在汽车车身的应用，实际上可以认为是在上世纪 8 0 年代初，t h y s s e n 用此项技术在a u d i8 0 车身上制造出了拼焊板地板 【”。在地板上 应用拼焊板本意是为了克服钢板宽度限制，并没有在拼焊板结构上采用不同材料。 不管怎样，此敞拼 板结构的设计像催化剂一样促使这种先进板件制造方式在现代 汽车制造业中迅速发展。 真j 下推动拼焊板结构研究与发展的驱动力是来自于铝材料的竞争”“。随着人们 对燃油消耗和排放要求的不断提高，市场和法规都需求种轻型材料来替代钢铁材 料以减轻汽车重量，从而铝材料固为其低密度特性得到极大的重视，对钢铁在汽车 上的应用造成了巨大的挑战。因此钢铁公司需求寻找一种新型的铡铁结构柬保持它 的市场份额而拼焊板无疑是最理想的结构。拼焊板结构允许车身零件采用不等厚 板，在应力集叶1 区域采用厚截面板如铰链处和定位点处。这种在冲压成形前就布置 上海交通大学博士学位论文 不同钢铁材料或厚度的能力避免了传统结构中需要加加强板、进行点焊等后续步骤。 除了能够降低重量和零件整合的优势外，拼焊板结构还具有提高材料利用率、减少 模具数目和提高结构性能等优点。 1 9 9 8 年3 月，u l s a b 计划更是将拼焊板结构推向了世人瞩目的焦点【1 7 l 。保时 捷工程服务公司联合世界范围内的3 5 家汽车钢铁企业制造出了一辆一半以上白车身 零件是由拼焊板结构组成的汽车，车身零件有由简单三块阶梯截面组合的大跨度地 板，也有复杂的包括5 块母材的多材料侧围板。u l s a b 计划不仅提供了拼焊板商用 的珍贵信息，而且在汽车厂商材料选择中提升了它们自身的形象。 1 9 9 9 年，基本上北美汽车公司制造的所有汽车车身上都或多或少地用上了拼焊 板结构，并且有着上升的态势。其中包括有2 0 0 0l i n c o l nl s 上的减震器支座、2 0 0 0 g e n e r a lm o t o r s 系列车型上的车身侧围内板和1 9 9 9f o r df o c u s 上的b 立柱【l 引。 德国蒂森克虏伯公司从1 9 8 5 年开始生产汽车用拼焊板，1 9 9 9 年共拥有2 4 条拼 焊板生产线，2 0 0 4 年共生产5 9 万吨，位居世界第一位。目前，蒂