基于多目标稳健性优化方法的UV车身结构轻量化设计简.ppt

基于多目标稳健性优化方法的SUV车身结构轻量化设计 答辩人 苏占龙导师 王霄教授专业 机械工程 汽车工程领域三大主题 安全 节能 环保 课题研究背景及课题提出 最为有效的途径 汽车轻量化 提高汽车碰撞安全性 1 降低燃油消耗 2 减少尾气排放 车辆碰撞类型 正碰 偏置碰 侧碰 后碰 侧翻 轻质材料 先进加工工艺 结构优化 实现轻量化的方法 同时保证 1 致伤率64 5 居第一位2 致死率35 仅次于正碰 实现轻量化不能以牺牲安全性为代价 因此要同时保证碰撞安全性 同时保证 被动安全 主动安全 课题研究现状及课题提出 汽车结构轻量化 单目标确定性优化 多目标确定性优化 多目标稳健性优化 以轻量化为目标 以轻量化与提高碰撞安全性为目标 同时保证其他方面性能 以轻量化 提高碰撞安全性与提高稳健性为目标 同时保证其他方面性能 同时考虑由于加工不确定性引起的性能波动 少 提高汽车碰撞安全性 引入近似模型 本文主要研究内容 1 汽车侧面碰撞流程自动化系统的开发 整车侧面碰撞有限元模型的建立 车门静态有限元模型的建立 Hypermesh通用前处理平台 SUV整车侧面碰撞性能分析 SUV车门模态性能分析 SUV车门刚度性能分析 汽车侧面碰撞流程自动化系统平台 初选变量 参数试验设方法进行灵敏度分析 筛选变量 最终变量 基于拉丁超立方试验设计方法的样本采样 响应面近似模型与Kriging近似模型的建立 基于多学科多目标确定性优化的车身结构轻量化 基于蒙特卡洛抽样的可靠性分析与质量水平检查 基于多学科多目标稳健性优化的车身结构轻量化设计 初步了解初始设计性能 总结与展望 本文技术路线 1 2 3 4 汽车侧面碰撞流程自动化系统的开发 开发平台 1 汽车侧面碰撞流程自动化系统的开发 1 图1 1侧面碰撞分析流程自动化系统流程树 开发流程树 汽车侧面碰撞流程自动化系统的开发 自动抽取中面工具 材料与载荷数据库 钣金件 N零件号 项目代号 T厚度 100 实体件 S零件号 项目代号 1 自动建立连接 汽车侧面碰撞流程自动化系统的开发 建立连接的用户主界面 成果 实现了CAD模型导入 抽取中面 建立连接 建立刚性墙与接触 施加边界条件 定义控制卡片与输出卡片的流程自动化 大幅度提高了侧面碰撞有限元建模的效率 1 SUV有限元模型的建立与有限元分析 SUV整车有限元模型的建立 2 红色框 流程自动化 网格划分手动完成 汽车侧面碰撞流程自动化系统的开发 SUV整车有限元模型的建立 底盘 车门 白车身 2 汽车侧面碰撞流程自动化系统的开发 SUV整车有限元模型的建立 整车有限元模型 2 SUV有限元模型的建立与有限元分析 SUV整车侧面碰撞性能分析 1 碰撞系统总能量分析 碰撞系统能量曲线 2 整车变形分析 沙漏能与滑移界面能占总能量的百分比分别为4 020 和2 269 小于10 的要求 前门 B柱 中门下部发生严重变形 分析可靠 通过提高B柱 前门 中门附件结构的强度改善碰撞安全性能 2 SUV有限元模型的建立与有限元分析 SUV整车侧面碰撞性能分析 3 前门与B柱测量点侵入量与侵入速度分析 测量点位置 测量点侵入量曲线 测量点侵入速度曲线 测量点最大侵入量与最大侵入速度表 2 SUV有限元模型的建立与有限元分析 SUV车门模态性能分析 车门前三阶模态振型图 2 SUV有限元模型的建立与有限元分析 SUV车门模态性能分析 车门前三阶模态频率与振型描述 SUV车门刚度性能分析 窗框侧弯工况Y向位移云图下垂工况Z向位移云图 1 前门刚度 满足要求 存在轻量化设计空间 2 SUV有限元模型的建立与有限元分析 SUV车门刚度性能分析 扭转工况Y向位移云图 窗框后下角 扭转工况Y向位移云图 车门后下角 1 前门刚度 前门刚度分析结果汇总表 远低于目标值 存在较大轻量化空间 2 SUV有限元模型的建立与有限元分析 SUV车门刚度性能分析 2 中门刚度 侧弯工况Y向位移云图 窗框前上角 侧弯工况Y向位移云图 窗框后上角 下垂工况Z向位移云图 窗框前上角 下垂工况Z向位移云图 窗框后上角 2 2 中门刚度 下垂工况Z向位移云图下垂工况Z向位移云图 窗框前上角 窗框后上角 中门刚度分析结果汇总表 SUV有限元模型的建立与有限元分析 SUV车门刚度性能分析 远离目标值 存在较大的轻量化空间 2 多目标稳健性优化方案的提出 3 基于多目标稳健性优化方法的车身轻量化设计 侧面碰撞子模型的建立与验证 基于多目标稳健性优化方法的车身轻量化设计 子模型建立流程图 子模型边界条件提取 保证精度的条件下 降低了计算代价 3 侧面碰撞子模型的验证 基于多目标稳健性优化方法的车身轻量化设计 子模型 整车模型 子模型 整车模型 整车模型 子模型 子模型 整车模型 子模型与整车模型各项指标对比验证 3 3 基于多目标稳健性优化方法的车身轻量化设计 1 前门内板 前 2 前门外板3 前门内板 后 4 前门腰线加强件5 前门防撞梁 上 6 前门防撞梁 下 7 中门铰链加强件8 中门防撞梁 下 9 中门防撞梁 中 10 中门防撞梁 上 11 中门外板12 前门锁加强件13 B柱外加强板14 中门内板15 中门锁加强件16 B柱内加强板图4 11设计变量分布图 初始设计变量的选择 初始设计变量的选择 基于多目标稳健性优化方法的车身轻量化设计 解决方案 1 通过ps筛选试验 减少变量 2 通过试验设计方法采集样本 建立近似模型 代替有限元模型参与优化 设计变量相关参数 加工不确定性 变量多 优化计算代价仍然高 3 设计变量筛选试验 基于多目标稳健性优化方法的车身轻量化设计 PS设计样本点采样矩阵 设计变量对侵入量的主效应图 设计变量对侵入速度的主效应图 设计变量对内能主效应图 设计变量对质量的主效应图 设计变量对吸收内能的Pareto图 设计变量对整车质量的Pareto图 3 筛选出灵敏度较高的10组变量 用于后续样本采集 设计样本采集 基于多目标稳健性优化方法的车身轻量化设计 1 试验设计方法选择及样本点采集 采样方法 最优拉丁超立方试验设计样本点数 90响应 质量 吸收的内能E 侵入量 侵入速度 车门前三阶模态 车门刚度等40个响应 3 近似模型建立 基于多目标稳健性优化方法的车身轻量化设计 式中 响应面 Kringing模型 3 基于多目标确定性优化的车身结构轻量化 基于多目标稳健性优化方法的车身轻量化设计 目标 碰撞吸收内能最大 max Energy 设计空间质量最小 min mass design 约束条件 s t1 侧碰安全性 式中 与Bdj分别是门板和B柱侵入量 Dvi与Bvj分别是门板和B柱侵入速度 2 模态 前门与中门式中 与Fi fi别是前门与中门的i阶模态 i 1 2 3 3 刚度 前门与中门式中 D front door与D front door分别代表前门与中门刚度 图4 1 整车模型图 3 基于多目标确定性优化的车身结构轻量化 基于多目标稳健性优化方法的车身轻量化设计 1 基于NSGA 算法的确定性优化 3 基于多目标确定性优化的车身结构轻量化 基于多目标稳健性优化方法的车身轻量化设计 2 基于NCGA算法的确定性优化 3 基于多目标确定性优化的车身结构轻量化 基于多目标稳健性优化方法的车身轻量化设计 3 基于AMGA算法的确定性优化 3 基于多目标确定性优化的车身结构轻量化 基于多目标稳健性优化方法的车身轻量化设计 4 三种算法的确定性优化结果对比 3 根据企业要求 分别从三种优化算法得到的解集 选取一组 进行下一步的可靠性分析 基于蒙特卡洛抽样的可靠性分析与质量水平检查 基于多目标稳健性优化方法的车身轻量化设计 注 表中质量水平为8 代表可靠度为100 也就是说在设定的设计变量变动范围内 发生分析结果超出约束边界的事件为小概率事件 可靠性分析结果汇总 3 基于蒙特卡洛抽样的可靠性分析与质量水平检查 基于多目标稳健性优化方法的车身轻量化设计 AMGA算法兼具了两种算法的优点 Pareto解集的分布均匀性 Pareto前沿的光滑性比前两种算法都要好 而且解的分布范围更广 能够生成多样性的解 探索性良好 经可靠性分析知 以AMGA算法得到的最优解要比NCGA NSGA 算法得到的最优解可靠性略好 1 多目标稳健性优化方法的选取 AMGA作为稳健性优化的优化算法 3 基于多目标稳健性优化的车身结构轻量化设计 基于多目标稳健性优化方法的车身轻量化设计 Obj Mode Stiffnss 目标 质量最小 碰撞安全性最优 且标准差最小 约束 各项性能满足要求 且可靠度达到6sigma要求 3 基于多目标稳健性优化的车身结构轻量化设计 基于多目标稳健性优化方法的车身轻量化设计 Obj 各目标函数的Pareto非劣解集 稳健性优化后与最初的设计变量值对比 根据企业要求 选取一个较优的解 3 稳健性优化前后对比结果 基于多目标稳健性优化方法的车身轻量化设计 优化前后侵入量对比曲线 优化前后变形对比图 稳健性优化前 稳健性优化后 3 稳健性优化结果与优化前对比 基于多目标稳健性优化方法的车身轻量化设计 吸收的内能增加 侵入量与侵入速度整体降低 碰撞安全性得到提高 优化前后侵入速度曲线对比 优化前后内能吸收曲线对比 3 稳健性优化结果与近似模型验证 基于多目标稳健性优化方法的车身轻量化设计 质量减轻6 853kg 11 26 实现轻量化 侵入量 5 465 侵入速度 8 218 碰撞安全性提高 可靠度达到了6sigma要求 稳健性提高 车门刚度 模态满足要求 3 总结与展望 4 3 稳健性优化后 车身结构设计质量减轻了6 853kg 降幅达11 263 实现了车身轻量化 4 内能吸收增加了0 229kJ B柱与车门关键点的侵入量和侵入速度整体下降 侵入量最大降幅为5 465 侵入速度最大降幅达到了8 218 提高了侧面碰撞安全性能 5 使得各项性能远离了约束边界 提高了稳健性 与确定性优化相比 可靠度提高 满足了6 质量要求 降低了因加工不确定性因素引起的安全风险 证实了多目标稳健性优化的车身结构轻量化方法可行 对汽车设计具有重大的指导意义 总结 1 开发了侧面碰撞流程自动化系统 提高了有限元建模效率 2 对比了三种多目标优化算法在车身结构轻量化方面的优化效果 AMGA算法得到的解更光滑 分布均匀 可靠度较高 为以后的研究提供了参考 总结与展望 展望 1 开展实验验证研究 2 增加白车身刚度 整车模态性能等多项性能 使得多目标优化更加全面 3 借助于SFE CONCEPT商业软件实现参数化 形状变量 结构尺寸变量与厚度变量同时考虑 由于研究时间