基于区域灵敏度及空间多层形貌优化技术的白车身轻量化设计-白车身刚度及其轻量化硕士论文

学校代号 10532 学 号 S1202W203 分 类 号 U462.3+4 密 级 公开 工程硕士学位论文 基于区域灵敏度及空间多层形貌优化 技术的白车身轻量化设计 学位申请人姓名 于万元 培 养 单 位 机械与运载工程学院 导师姓名及职称 胡朝辉 讲师 黎海 高级工程师 学 科 专 业 车辆工程 研 究 方 向 白车身刚度及其轻量化 论 文 提 交 日 期 2015 年 05 月 27 日 学校代号：10532 学 号：S1202W203 密 级：公开 湖南大学湖南大学工程工程硕士学位论文硕士学位论文 基于区域灵敏度及空间多层形貌优化技术 的白车身轻量化设计 学位申请人姓名： 于万元 导师姓名及职称： 胡朝辉 讲师 黎海 高级工程师 培养单位： 机械与运载工程学院 专业名称： 车辆工程 论 文 提 交 日 期： 2015 年 05 月 27 日 论 文 答 辩 日 期： 2015 年 06 月 02 日 答辩委员会主席： 龚金科 教授 Lightweight Design of BIW Based on Regional Sensitivity Analysis and Space-Multi-Layer Topography by Yu Wanyuan B.E. (Shandong University of Technology) 2011 A thesis submitted in partial satisfaction of the Requirements for the degree of Master of Engineering in Automotive Engineering in the Graduate School of Hunan University Supervisor Lecturer Hu Zhaohui Senior Engineer Li Hai March， 2015 I 湖 南 大 学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。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后果由本人承担。 作者签名： 日期： 年 月 日 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版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权湖南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。 本学位论文属于 1、保密，在_年解密后适用本授权书。 2、不保密。 (请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日 基于区域灵敏度及空间多层形貌优化技术的白车身轻量化设计 II 摘 要 现阶段，无论是各大企业对成本的控制还是全球对节能减排的迫切需求，都 说明了轻量化已经成为汽车各大技术中热门研究对象。其中汽车白车身质量占整 车质量的 3040，这说明白车身的轻量化在整车轻量化中有着举足轻重的作 用。在轻量化设计中应该在提高材料利用率及保证整车性能不受影响的前提下， 最大限度的减轻白车身的质量。 结构优化、新工艺的应用与轻量化材料的采用是目前汽车轻量化设计的三个 主要途径，其中结构的优化仍居首列，且在钣金件的轻量化中得到了广泛的研究 与应用。为了更加快速有效的实现白车身结构的优化，本文提出了两个新的结构 优化方法区域灵敏度分析和空间多层形貌优化技术。 1. 基于区域灵敏度分析的下车体模态性能提升。传统的灵敏度分析对象都是 单个零部件，分析对象极少针对车身的关键区域，无法对车身的任意包含多个零 件的关键区域进行直接的灵敏度分析。本文提出的区域灵敏度分析将实现汽车车 身任意区域的灵敏度分析，优化对象由单一独立的零部件变为任意关键区域，更 快捷有效的指导车身板件结构及厚度的更改。且以某微车下车体区域为设计变量 进行区域灵敏度分析来指导其模态值的提升，有效验证了区域灵敏度的实际应用 的有效性。 2. 基于空间多层形貌优化技术的车门内板结构设计。传统的形貌优化是在确 定其法向的前提下，通过指定板壳单元节点在其法向的移动量，不断调整模型的 结构形状来实现形貌优化，很难同时考虑筋条在初始模型的基础上沿法向正反两 个方向同时进行结构形状调整。本文提出了基于优化空间重组及灵敏度筛选机制 的空间多层形貌优化技术，有效实现了零件沿法向正反两个方向进行结构形貌优 化。且以某车铰链门内板的空间多层形貌优化为例着重说明了空间多层形貌优化 技术在实际中的应用。 3. 基于区域灵敏度及空间多层形貌优化的白车身轻量化设计。利用本文提出 的区域灵敏度及空间多层形貌优化技术对某微车进行白车身轻量化设计，首先， 建立精确的白车身有限元模型。然后，对车身各个关键区域进行提取，根据区域 灵敏度分析的定义将灵敏度分析分为区域等差灵敏度分析及区域等比灵敏度分 析，分别对白车身进行区域等差、区域等比灵敏度计算，对灵敏度计算结果进行 综合排序。选出灵敏度值较高的前几位关键区域，对这些区域的加强板进行多层 空间形貌优化，关键区域加强后应用到整车中。在以上方法的基础上再进行部件 单个零部件的灵敏度分析，保证性能合格的情况下根据分析结果进行白车身的轻 量化，最后把在本文方法基础上实现的白车身轻量化与传统的轻量化进行比较， 硕士学位论文 III 并与实验结果对比。 关键字：轻量化设计；区域灵敏度分析技术；空间多层形貌优化技术 基于区域灵敏度及空间多层形貌优化技术的白车身轻量化设计 IV Abstract Lightweight has become a hot research object in automobile major technology at this stage，which can be seen from the cost control of big companies and the pressing need energy-saving micro-row of the world. The white body accounts for 30% 40% of the whole body，which suggests the lightweight of the white body plays an important role in the lightweight of the whole vehicle. Maximize the lightweight of the white body under the conditions of improving material utilization in the lightweight design and the vehicle performance is not affected. Structural optimization， new processes， new materials are currently the main ways of lightweight， and the structural optimization is still the most common way， which has been widely used in the light of sheet metal parts. This paper puts forward two new technical ways in structure optimization regional sensitivity analysis and space-multi-layer topography，combining with the development of a certain type of Mini-Motor Vehicles design to optimize the structure of the white body more quickly and efficiently. 1. The modal performance improvement of BIW frame based on regional sensitivity analysis. The traditional Sensitivity analysis is mainly aimed at single components，while it lacks the analysis with respect to some key regions including multi- component to maximize the lightweight; This paper puts forward the method of Regional Sensitivity analysis， by setting thickness-variables of the key regions， making the key regions as variables instead of single components，which gives optimization of structure and thickness of BIW an efficient guidance.And put the ways to Guide modal performance improvement ， which verifys the practical application of regional sensitivity effectively. 2. Optimize the inner panel of automobile door based on space-multi-layer topography. The traditional Topography which must be under the premise of knowing the normal direction，is to move the nodes of elements along the normal and adjust the structure of the model to realize the optimization，while it is difficult to take the positive and negative directions into account simultaneously so as to adjust the structure on the basis of the initial model. This paper puts forward the method of Space-Multi-Layer topography that is based on the reconstruction of the optimization space and the screening mechanism of sensitivity ， which validly solves the 硕士学位论文 V optimizations problem of reinforcing plate to bulge from two normal sides of the plate. And take the optimization of the inner panel of automobile door as example to state the practical application of the technology. 3. Lightweight design of BIW based on regional sensitivity analysis and space-multi-layer topography. First，to establish a precise finite element model of the white body. Then，to extract the key parts of the body. Sensitivity analysis can be divided into equal ratio and equal difference regional sensitivity based on the definition of regional sensitivity. BIW sensitivity can be analyzed respectively based on that two ways，and integrate the results. The higher ones are reinforced using space-multi-layer topography and then are applied to the vehicle. After all this，using the traditional Sensitivity analysis to analyze single components， Lightweight design is on the implementation of performance. Finally， the methods in this paper compare with the traditional methods and experimental results. Key words：Lightweight design；Regional Sensitivity Analysis；Space-Multi-Layer Topography 基于区域灵敏度及空间多层形貌优化技术的白车身轻量化设计 VI 目 录 湖 南 大 学 . I 学位论文原创性声明 . I 学位论文版权使用授权书 . I 摘 要 . II ABSTRACT . IV 目 录 . VI 插图索引 . IX 附表索引 . XI 第 1 章 绪论 .1 1.1 课题的研究背景和意义 . 1 1.1.1 课题的研究背景 . 1 1.1.2 课题的研究意义 . 1 1.2 国内外相关领域研究历史和现状 . 2 1.2.1 国内外轻量化研究现状. 3 1.2.2 国内外灵敏度分析技术研究现状 . 3 1.2.3 国内外形貌优化技术研究现状 . 4 1.3 论文结构及主要工作 . 5 第 2 章 区域灵敏度及空间多层形貌优化技术方法研究及理论提出 .7 2.1 引言 . 7 2.2. 灵敏度分析技术的基本理论 . 7 2.2.1 灵敏度分析基本流程. 7 2.2.2 传统灵敏度的分类 . 8 2.3 区域灵敏度分析技术方法研究及理论提出 . 11 2.3.1 区域灵敏度的数学模型. 12 2.3.2 区域等差灵敏度数学模型 . 12 2.3.3 区域等比灵敏度数学模型 . 13 2.4 空间多层形貌优化技术方法研究及理论提出 . 14 2.4.1 优化空间重组 . 15 2.4.2 单元灵敏度计算及筛选机制 . 15 2.4.3 工艺调整 . 16 硕士学位论文 VII 2.5 区域灵敏度分析及空间多层形貌优化软件简介 . 16 2.5.1 Hypermesh 软件简介 . 17 2.5.2 MSC/Nastran 软件简介 . 17 2.5.3 OptiStruct 软件简介 . 17 2.6 本章小结 . 18 第 3 章 基于区域灵敏度的下车体模态性能提升 .19 3.1 引言 . 19 3.2 有限元基本理论和方法 . 19 3.2.1 有限元基本原理 . 19 3.2.2 有限元基本方法和步骤. 19 3.3 下车体一阶模态的初步计算 . 21 3.3.1 模态分析基本原理 . 21 3.3.2 计算初始模态值 . 22 3.4 基于模态的区域灵敏度分析 . 22 3.4.1 等差区域灵敏度分析模型处理 . 23 3.4.2 等比区域灵敏度分析模型处理 . 24 3.5 区域灵敏度结果综合评价 . 25 3.6 基于区域灵敏度分析结果的模态提升 . 26 3.7 本章小结 . 27 第 4 章 基于空间多层形貌优化的车门内板优化 .28 4.1 引言 . 28 4.2 结构优化设计简介. 28 4.2.1 结构设计优化的数学模型 . 29 4.2.2 优化过程的实现 . 30 4.3 基于空间多层形貌优化技术门内板的优化 . 30 4.3.1 车门有限元模型的建立. 30 4.3.2 车门扭转性能分析 . 32 4.3.3 车门内板的空间多层形貌优化 . 32 4.4 本章小结 . 35 第 5 章 基于区域灵敏度及空间多层形貌优化技术的白车身轻量化设计 .37 5.1 引言 . 37 5.2 白车身详细有限元模型建立 . 38 5.2.1 确定单位制 . 38 5.2.2 有限元网格划分 . 39 5.2.3 材料属性 . 40 基于区域灵敏度及空间多层形貌优化技术的白车身轻量化设计 VIII 5.2.4 几何属性 . 40 5.3 白车身扭转刚度分析 . 40 5.3.1 扭转刚度工况 . 40 5.3.2 初始状态的扭转刚度分析 . 42 5.4 基于白车身扭转刚度的区域灵敏度的计算 . 43 5.5 高灵敏区域的空间多层形貌优化 . 44 5.6 厚度减薄轻量化设计 . 46 5.7 扭转刚度实验验证. 47 5.8 本章小结 . 48 总结与展望 .49 参考文献 .51 致 谢 .56 附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文.57 硕士学位论文 IX 插图索引 图 2.1 灵敏度分析基本流程 . 8 图 2.2 区域灵敏度设计变量示意图 . 12 图 2.3 区域等差灵敏度分析示意图 . 13 图 2.4 空间多层形貌优化技术流程图 . 15 图 2.5 空间多层形貌优化空间重组模型 . 15 图 2.6 空间多层形貌优化及敏感单元筛选 . 16 图 2.7 空间多层形貌优化最终结果 . 16 图 3.1 有限元分析一般流程 . 20 图 3.1 某车下车体模型局部示意图 . 22 图 3.2 区域灵敏度分析模型局部示意图 . 23 图 3.3 区域灵敏度区域一模型等差处理 . 24 图 3.4 灵敏度柱形图 . 25 图 3.5 优化厚度的板件示意图 . 26 图 3.6 模态测试试验 . 26 图 3.7 模态测试试验结果 . 27 图 4.1 OptiStruct 结构优化设计流程图 . 30 图 4.2 某微车铰链门有限元模型 . 31 图 4.3 前门上扭转和下扭转工况加载位置示意图 . 32 图 4.4 上、下扭刚度位移云图 . 32 图 4.5 门内板拉平及优化空间重组示意图 . 33 图 4.7 单元灵敏度计算及筛选结果图 . 34 图 4.8 车门内板优化图 . 34 图 4.9 优化后上、下扭刚度位移云图 . 35 图 4.10 优化后上下扭转刚度实验图 . 35 图 5.1 基于区域灵敏度及空间多层优化技术的白车身轻量化研究流程 . 38 图 5.2 白车身扭转刚度试验部件组成 . 41 图 5.3 扭转刚度工况示意图 . 41 图 5.4 相对扭转角的求解 . 42 图 5.5 区域灵敏度区域变量划分示意图 . 43 图 5.6 灵敏度柱形图 . 44 图 5.7 B 柱下接头区域 . 45 图 5.8 优化后 B 柱下接头加强板. 45 基于区域灵敏度及空间多层形貌优化技术的白车身轻量化设计 X 图 5.9 最终加强板 CAE 模型及实车加强板照片. 46 图 5.10 白车身扭转刚度试验 . 48 图 5.12 白车身扭转刚度曲线 . 48 硕士学位论文 XI 附表索引 表 3.1 区域灵敏度分析结果 . 25 表 4.1 车门部件厚度表 . 31 表 5.1 本次研究的单位制 . 39 表 5.2 变量初始值、取值范围和灵敏度计算结果 . 44 表 5.3 轻量化设计 . 46 表 5.4 结果对比 . 47 硕士学位论文 1 第 1 章 绪论 1.1 课题的研究背景和意义 1.1.1 课题的研究背景 伴随着汽车的舒适、方便，汽车也产生了能耗、安全和环保等重大严峻问题， 这也影响着人们生活的舒适、方便，然而人们对汽车的需求量及企业对最大