論文 - 基于碰撞安全性的轎車車身結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)

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1、 畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告(論文) 論文(設(shè)計(jì))題目 基于碰撞安全性的轎車車身 結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì) 作者所在系別 機(jī)電工程學(xué)院 作者所在專業(yè) 車輛工程 作者所在班級(jí) B13141 作 者 姓 名 作 者 學(xué) 號(hào) 指導(dǎo)教師姓名 指導(dǎo)教師職稱 講師 完 成 時(shí) 間 2017 年 5 月 北華航天工業(yè)學(xué)院教務(wù)處制 基于碰撞安全性的轎車車身結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì) 摘 　要 汽車的發(fā)展永遠(yuǎn)離不開(kāi)社會(huì)發(fā)展的需求，節(jié)能環(huán)保已成為當(dāng)今的鮮明主題。汽車輕量化技術(shù)在基本性能不變的情況下，可

2、以提高車的動(dòng)力性，減少能耗，降低排氣污染，最后實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保，因此汽車輕量化技術(shù)成為了汽車研究領(lǐng)域內(nèi)的一項(xiàng)重要課題，有著十分迫切的需求和廣闊的發(fā)展前景。而車身結(jié)構(gòu)輕量化作為整車輕量化的有效途徑之一,近年被廣泛研究應(yīng)用。本文即是基于碰撞安全性，對(duì)轎車車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。在確保模態(tài)基本不變的條件下，追求車身質(zhì)量最輕，選擇車身上的零件，進(jìn)行厚度的減小，再綜合考慮板材的加工工藝和成本對(duì)零件進(jìn)行第一階段的優(yōu)化。接下來(lái)，根據(jù)安全性再對(duì)第一階段的優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，使輕量化的車身達(dá)到安全性的要求。以此實(shí)現(xiàn)了基于安全性的車身結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵詞 : 輕量化設(shè)計(jì) 車身 安全性

3、 全套設(shè)計(jì)加153893706 Lightweight Design of Car Body Structure Based on Collision Safety Abstract The development of the car can never be separated from the needs of social development, energy conservation and environmental protection has become a bright theme today. Car lightweight tec

4、hnology in the basic performance of the same circumstances, can improve the vehicle's power, reduce energy consumption, reduce exhaust pollution, and finally achieve energy saving and environmental protection, so the car lightweight technology has become an important issue in the field of automotive

5、 research , Has a very urgent demand and broad prospects for development. The lightweight structure of the vehicle body as one of the effective way of lightweight vehicle, in recent years has been widely studied and applied. This paper uses a car to study, based on the collision safety, the car body

6、 structure lightweight design. To ensure that the basic state of the same conditions, the pursuit of the lightest body quality, select the parts on the body, the thickness of the reduction, and then consider the plate processing technology and cost of the first phase of the optimization of parts. Ne

7、xt, according to the safety of the first phase of the optimization results to adjust, so that the lightweight body to achieve the safety requirements. In order to achieve a security based on the lightweight structure of the body design. Key words: Lightweight design of body safety

8、 II 北華航天工業(yè)學(xué)院 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性及知識(shí)產(chǎn)權(quán)聲明 本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 基于碰撞安全性的轎車車身結(jié)構(gòu)輕 量化設(shè)計(jì) 是本人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本設(shè)計(jì)（論文）不含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過(guò)的作品或成果。對(duì)本設(shè)計(jì)（論文）的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。因本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）引起的法律結(jié)果完全由本人承擔(dān)。 本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）成果歸北華航天工業(yè)學(xué)院所有。本人遵循北華航天工業(yè)學(xué)院有關(guān)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的相關(guān)規(guī)定，提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和

9、電子版本。本人同意北華航天工業(yè)學(xué)院有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；可以采用影印、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以營(yíng)利為目的的前提下，可以公布非涉密畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的部分或全部?jī)?nèi)容。 特此聲明 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）作者： 指導(dǎo)教師： 年 月 日 年 月 日 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 目 錄 摘 　要 I Abstract II 第1章 緒論 1 1.1 引言 1

10、 1.2課題的研究背景和意義 1 1.3綜合安全性和輕量化的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2 1.4汽車車身輕量化的可行途徑 4 1.5本章小結(jié) 5 第2章 車身結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)中運(yùn)用的原理 6 2.1 引言 6 2.2 車身結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)的有限元 6 2.3車身結(jié)構(gòu)的基本知識(shí) 6 2.4小結(jié) 7 第3章 優(yōu)化設(shè)計(jì)與模態(tài)分析 8 3.1引言 8 3.2優(yōu)化分析簡(jiǎn)介 8 3.2.1優(yōu)化設(shè)計(jì)簡(jiǎn)述 8 3.3車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì) 9 3.3.1優(yōu)化設(shè)計(jì)模型 9 3.3.2模態(tài)分析 9 3.4本章小結(jié) 15 第4章 輕量化設(shè)計(jì) 16 4.1引言 16 4.2劃分網(wǎng)格圖 16 4

11、.3輕量化前后模態(tài)分析比較 17 4.4優(yōu)化結(jié)果分析 19 4.5驗(yàn)證第一階段的輕量化結(jié)果 19 4.6本章小結(jié) 23 第5章 總結(jié)和展望 24 5.1全文總結(jié) 24 5.2研究工作展望 24 致 謝 25 參考文獻(xiàn) 26 第1章 緒論 1.1 引言 汽車的出現(xiàn)，徹底的革新了人類生活方式。汽車出現(xiàn)至今，不再向以前那樣僅僅是一個(gè)交通工具那么簡(jiǎn)單，它每時(shí)每刻都影響著我們的方方面面。從經(jīng)濟(jì)角度談，汽車產(chǎn)業(yè)和汽車消費(fèi)對(duì)一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)的影響都是顯著的；從日常生活講，汽車方便我們的生活?？墒窃谙硎苤N種便利的同時(shí)，汽車帶來(lái)的負(fù)面效應(yīng)已經(jīng)慢慢展現(xiàn)出來(lái)，而且越來(lái)越糟糕。于是汽車變

12、成了一把雙刃劍，在推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，方便人類生活的同時(shí)，它又出現(xiàn)了不利于可持續(xù)發(fā)展的嚴(yán)重隱患。 一方面，汽車的發(fā)展損耗著大量不可再生的自然資源。查閱相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)，截止到2017年3月底，我國(guó)擁有的汽車數(shù)量已經(jīng)達(dá)到了2億，全世界汽車的數(shù)量已經(jīng)超過(guò)了13億，這表明汽車的影響已經(jīng)很大；2016年我國(guó)的三大類成品油消費(fèi)3.13億噸，其中汽油消費(fèi)全年大約1.19億噸，95%以上為汽車消費(fèi)；另一方面，汽車尾氣的排放已造成了嚴(yán)重的大氣污染，讓人類賴于生存和發(fā)展的自然環(huán)境得到了破壞；而且，汽車工業(yè)對(duì)環(huán)境的損害不但是此，它牽扯到了相當(dāng)多的方面和領(lǐng)域。 總而言之，整個(gè)世界的汽車行業(yè)都在面臨著巨大挑戰(zhàn)，環(huán)境污染和能

13、源消耗十分嚴(yán)重，所以必須著眼于技術(shù)革新，方能得到可持續(xù)發(fā)展。目前迫切需要解決的兩大問(wèn)題是減少環(huán)境污染與節(jié)約資源。西方國(guó)家大都采取了相關(guān)的措施，比如制定嚴(yán)厲的汽車排放法規(guī)、革新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)節(jié)約型生產(chǎn)?？墒?，就目前的技術(shù)手段而言，只有汽車輕量化技術(shù)才是提高其燃油經(jīng)濟(jì)性、降低能耗、減少污染排放的有效手段 ；所以，怎樣有效地減輕汽車重量成為了目前汽車工業(yè)面臨的最緊要的問(wèn)題。為了今后汽車行業(yè)的健康發(fā)展，各個(gè)汽車廠家都越來(lái)越重視汽車的輕量化研究，所以直接推動(dòng)了汽車輕量化的向前發(fā)展。相信在未來(lái)一段時(shí)間,輕量化將成為世界各汽車廠商的核心競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)。而車身結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)作為有效途徑之一,近年來(lái)被大力研究。 1.2

14、課題的研究背景和意義 自1886年汽車出現(xiàn)至今，其發(fā)展歷史已經(jīng)一百三十多年，汽車早已成為世界向前發(fā)展的推力，在使用汽車的這段時(shí)間，我們總是不斷完善其結(jié)構(gòu)與外觀；提高其性能，來(lái)滿足我們的要求。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，當(dāng)今汽車設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的要求變得十分高，汽車發(fā)展和改進(jìn)的主流方向逐漸朝著環(huán)保性、舒適性、安全性、輕量化、信息化等方面，當(dāng)中對(duì)輕量化，安全性的要求最為關(guān)鍵也最為急迫，它也是有效改善環(huán)境問(wèn)題，走向可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。 相關(guān)研究指出汽車輕量化技術(shù)可以顯著地提高汽車的性能。第一，輕量化設(shè)計(jì)使得轎車的質(zhì)心高度下降，使得汽車的安全性和駕駛平穩(wěn)性得以提高。減輕汽車質(zhì)量，還減小了動(dòng)力和傳動(dòng)系統(tǒng)的載荷，

15、表現(xiàn)出比以前更好的性能。倘若簧載質(zhì)量可以下降，那就會(huì)提高平穩(wěn)性和舒適性。第二，國(guó)家的汽車碰撞安全法規(guī)逐漸嚴(yán)厲，大大提高了人們對(duì)轎車的安全性認(rèn)識(shí)，而汽車輕量化技術(shù)可以使得汽車安全性增加；從安全性的角度來(lái)考慮，質(zhì)量減少后汽車的慣性變小，從而縮短了制動(dòng)距離。在此同時(shí)，汽車上應(yīng)用了不少擁有較好吸能性能的輕量化材料，較大程度上吸收了碰撞時(shí)產(chǎn)生的能量，使得汽車的碰撞安全性提高了很多。第三，汽車輕量化能夠減小行駛過(guò)程中受到的阻力，從而減少燃油消耗，節(jié)約有限能源。 西方著名汽車研究院所發(fā)現(xiàn)，汽車行駛過(guò)程中約六成的燃油被汽車本身重量浪費(fèi)掉，汽車質(zhì)量每減小10%，可減少油耗 6%到8%，排放量降低 5%到6%。

16、而且，車身上大多數(shù)零部件的形狀都十分的不規(guī)則，加工工藝為沖壓成形，在汽車自身重量中又占有較高比例。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，車身質(zhì)量較小的車輛，車身質(zhì)量大約占到了整車重量的一半左右在車輛行駛工況下，約七成的燃油消耗被無(wú)情的浪費(fèi)在車身質(zhì)量上。于是，車身結(jié)構(gòu)輕量化成了整車輕量化研究的關(guān)鍵部分，也是當(dāng)前車身設(shè)計(jì)的主流方向。為了使汽車走上可持續(xù)發(fā)展的道路，向著節(jié)能環(huán)保與安全的大方向健康發(fā)展，汽車廠家大力研究汽車的輕量化技術(shù)，因此推動(dòng)了汽車輕量化的發(fā)展。在此背景下我們選擇了此次的設(shè)計(jì)課題。 1.3綜合安全性和輕量化的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 計(jì)算機(jī)有限元分析和仿真技術(shù)的快速發(fā)展，加快了汽車被動(dòng)安全性的研究。經(jīng)過(guò)全球汽車專家的

17、不斷攻克，在車身結(jié)構(gòu)的輕量化和安全性方面有了比較深入的研究，下面介紹國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀： 孫宏圖等將轎車正面碰撞安全性和車身基本力學(xué)性能結(jié)合起來(lái)，對(duì)轎車車身上的零件先是進(jìn)行靈敏度計(jì)算分析，找出靈敏度數(shù)值小的零件，減輕其質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)輕量化。接著運(yùn)用有限元模擬仿真軟件，對(duì)轎車的正面碰撞和假人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析計(jì)算。再與輕量化前的結(jié)果數(shù)值的進(jìn)行比較，得出了輕量化的結(jié)果，車身質(zhì)量減少5%。 施頤等將轎車的彎曲剛度力學(xué)性能與及轎車的側(cè)面耐撞的一些指標(biāo)結(jié)合起來(lái),利用數(shù)學(xué)方法成功的建立了主要指標(biāo)接近的近似模型,克服了運(yùn)用單純的數(shù)學(xué)理論進(jìn)行優(yōu)化時(shí)計(jì)算工程量太大、短時(shí)間內(nèi)得不到分析結(jié)果的困難。緊接著,基于自適

18、應(yīng)的相關(guān)理論研究，它們又發(fā)現(xiàn)了一種十分好用的優(yōu)化方法,在保證各種主要指標(biāo)的條件下,通過(guò)減輕重量或改變材料，實(shí)現(xiàn)車身零件的優(yōu)化,進(jìn)而達(dá)到車身輕量化的研究目的。 欒家男采用正交試驗(yàn)法對(duì)車輛輕量化進(jìn)行處理和耐撞性的分析。在汽車輕量化研究過(guò)程中，他發(fā)現(xiàn)了 5 個(gè)可以用來(lái)衡量正面碰撞安全的主要指標(biāo)?？紤]碰撞影響大小對(duì)車身前端的零部件進(jìn)行篩選，選出后的零件再對(duì)其輕量化，選擇運(yùn)用有限元軟件進(jìn)行仿真分析，節(jié)省了實(shí)車碰撞所需大量資源。又對(duì)車身前艙進(jìn)行了一系列的優(yōu)化研究，經(jīng)過(guò)分析比較，同樣滿足碰撞安全性的要求。他在考慮正面碰撞的安全性的前提下，很好的實(shí)現(xiàn)了輕量化的設(shè)計(jì)優(yōu)化目標(biāo)，為以后的研究分析提供了基礎(chǔ)。 張

19、國(guó)勝等建立白車身的有限元模型，并通過(guò)有限元軟件進(jìn)行模擬仿真分析，主要考慮了車身的力學(xué)性能和模態(tài)，驗(yàn)證了計(jì)算機(jī)模擬仿真分析時(shí)，所使用的有限元模型的真是有效性。在驗(yàn)證了模型有效的基礎(chǔ)之上，又綜合考慮車身相關(guān)的主要力學(xué)性能指標(biāo)，考慮實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的生產(chǎn)加工工藝和成本，對(duì)轎車車身零部件的制造板材厚度的進(jìn)行改變，減輕一定質(zhì)量。實(shí)現(xiàn)了轎車力學(xué)性能主要指標(biāo)基本不變，輕量化后的車身質(zhì)量大大降低，為以后的車身結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)提出了一種可利用的研究方法。 陳曉斌等首次在車身輕量化設(shè)計(jì)的整車碰撞仿真研究中，綜合了正面碰撞與側(cè)面碰撞兩個(gè)方面，更加全面的考慮了整車安全性。通過(guò)正面碰撞試驗(yàn)的主要衡量指標(biāo) B柱加速度曲線圖

20、的分析比較，驗(yàn)證了正面碰撞的安全性得到滿足。再對(duì)側(cè)面碰撞主要衡量指標(biāo)前后車門侵入量以及它們的侵入速度曲線圖進(jìn)行分析計(jì)算，驗(yàn)證了側(cè)面碰撞的安全性。從兩個(gè)方面更全面的考慮了安全性，并且實(shí)現(xiàn)了車身的輕量化目標(biāo)，為以后的相關(guān)研究提供了指導(dǎo)。 葉輝等提出了車身零件靈敏度的分析方法，之后考慮側(cè)面碰撞的安全性，對(duì)轎車車身使用輕量化的設(shè)計(jì)手段。先以轎車車身零件的板材厚度為變量,以車身力學(xué)性能即模態(tài)和剛度作為約束,選取對(duì)靈敏度數(shù)值最小的幾個(gè)車身零件,減少其板材厚度。對(duì)白車身進(jìn)行質(zhì)量最小的優(yōu)化分析。最終取得的成果為白車身總重量減少14.8kg。最后對(duì)輕量化第一階段取得的成果進(jìn)行碰撞分析調(diào)整，主要進(jìn)行了的整車側(cè)面

21、碰撞的模擬計(jì)算,最后模擬仿真結(jié)果表明第一階段的輕量化滿足要求。這就是實(shí)現(xiàn)了在滿足碰撞安全性的要求的同時(shí), 車身輕量化得到實(shí)現(xiàn)。 Ho等人使用了單與多目標(biāo)的優(yōu)化方法對(duì)擁有泡沫狀鋁填充物的薄壁方形柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值法的輕量化設(shè)計(jì)，以薄壁梁的板材厚度和填充物的使用密度作為設(shè)計(jì)變量，以比吸能和最值碰撞力為約束條件，運(yùn)用數(shù)學(xué)理論中的一些平均方法得出了相關(guān)的數(shù)學(xué)形式方程式，最后實(shí)現(xiàn)了方形柱結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)。 Zhou等人以輕質(zhì)材料的運(yùn)用為基礎(chǔ)研究了轎車前縱梁的碰撞安全性能：前縱梁一部分使用輕質(zhì)材料鋁，第部分為了安全性能仍然使用較高強(qiáng)度的鋼板材料。試驗(yàn)結(jié)果指出，這樣的混合材料以及輕質(zhì)材料的使用，可以大大的

22、提高縱梁碰撞時(shí)吸收碰撞能量的能力，同時(shí)使得前縱梁重量的重量大大的降低，實(shí)現(xiàn)了其輕量化。 Cui等人對(duì)車身上的薄壁結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。主要方式為運(yùn)用新型輕質(zhì)材料，吸能較強(qiáng)的材料對(duì)原有材料進(jìn)行替換。實(shí)驗(yàn)結(jié)果現(xiàn)實(shí)，通過(guò)對(duì)零件以及車身部分零件進(jìn)行新型輕質(zhì)材料的更換，在考慮加工工藝和企業(yè)生產(chǎn)成本的情況下，盡可能的減少轎車車身質(zhì)量，提高動(dòng)力性，節(jié)能環(huán)保的同時(shí)優(yōu)化了汽車車身結(jié)構(gòu)。 Zhang等提出了運(yùn)用魯棒優(yōu)化的設(shè)計(jì)方法。文中主要運(yùn)用這種方法對(duì)轎車前縱梁實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)，一方面考慮響應(yīng)面的因素，另一方面使用試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，最后得以構(gòu)造出轎車前縱梁的結(jié)構(gòu)性能函數(shù)。經(jīng)過(guò)計(jì)算分析得出優(yōu)化結(jié)果，然后再綜合考慮

23、板材厚度、材料類別以及加工生產(chǎn)的影響，應(yīng)用數(shù)學(xué)理論中的序列二次規(guī)劃算法對(duì)結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，使轎車前縱梁的質(zhì)量下降 29.36%。 1.4汽車車身輕量化的可行途徑 汽車車身的目的在于確保汽車的被動(dòng)安全性能、模態(tài)和剛度等性能不變的前提下，輕量化汽車車身從而降低整車質(zhì)量，由此減少車身材料及燃油的消耗，減少尾氣污染，提高汽車動(dòng)力性能。目前，國(guó)內(nèi)外汽車輕量化技術(shù)的方法主要包括：（1）使用輕質(zhì)材料，如鋁-鎂合金、單獨(dú)鈦合金、高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼、塑料、生態(tài)環(huán)保復(fù)合材料及陶瓷等的應(yīng)用；（2）整車車身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)借助計(jì)算機(jī)有限元進(jìn)行分析，選出想要分析的；對(duì)分析的部分做出最優(yōu)的調(diào)整，找出最合適最優(yōu)的方案

24、。（3）汽車生產(chǎn)制造過(guò)程中技術(shù)手段和新型工藝的不斷創(chuàng)新。例如零部件之間的連接新方法，零件的新工藝，車身結(jié)構(gòu)新的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。 新型輕量化材料是指滿足原本需要的性能并且質(zhì)量較原來(lái)減輕的新型材料，是當(dāng)今車身輕量化的重要方式之一，它包含兩個(gè)大的種類：一種是密度較低但吸收能量強(qiáng)的輕質(zhì)材料，如鋁-鎂合金、鈦合金、合成塑料等其他創(chuàng)新材料；另一種是高強(qiáng)度不易變形的材料，如高強(qiáng)度鋼等。根據(jù)最新研究統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，2010 年~2016年，美、日、英、德等發(fā)達(dá)國(guó)家在汽車生產(chǎn)中較多的運(yùn)用了上述兩種材料。平均每輛車的使用材料重量變化都發(fā)生了較大改變，最后基本都實(shí)現(xiàn)了整車重量的大大降低。 車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是指在對(duì)車身輕

25、量化設(shè)計(jì)時(shí)，運(yùn)用計(jì)算機(jī)有限元模擬分析仿真軟件，代替實(shí)車碰撞試驗(yàn)，減少對(duì)能源和資源的浪費(fèi)，對(duì)車身進(jìn)行一系列的性能分析，大致包括模態(tài)，靜動(dòng)力學(xué)等等，最后再對(duì)分析出來(lái)的的一些力學(xué)性能，進(jìn)行理論分析研究。以此實(shí)現(xiàn)對(duì)車身的優(yōu)化設(shè)計(jì)。目前的優(yōu)化技術(shù)主要分為三種，即拓?fù)鋬?yōu)化、形狀優(yōu)化和尺寸優(yōu)化。在確保車身性能滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，讓車身質(zhì)量盡可能的變得更小。 除了以上兩種方法，采用先進(jìn)的零件創(chuàng)新工藝也是車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析的一個(gè)主要方向。創(chuàng)新出來(lái)的技術(shù)有：變截面薄板技術(shù)、連續(xù)變截面薄板TRBS、空心連續(xù)變截面鋼管TRT、噴射成形技術(shù)、激光焊接技術(shù)、液壓成形、半固態(tài)鑄造技術(shù)等等。 這三種輕量化技術(shù)并不是獨(dú)立而

26、不存在任何關(guān)系的，反而是緊密相連，互相輔助的，僅僅使用當(dāng)中的某一種雖然可以實(shí)現(xiàn)輕量化，但是不會(huì)取得特別滿意的輕量化結(jié)果。輕量化設(shè)計(jì)的最先即是對(duì)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，再結(jié)合其他兩種輕量化方法或安全性，讓材料的利用效能達(dá)到最大化。進(jìn)一步解釋即為，在綜合結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和使用輕量化材料時(shí)，為了使汽車質(zhì)量變得更小，往往需要使用創(chuàng)新型的生產(chǎn)加工工藝，而創(chuàng)新行工藝的出現(xiàn)反過(guò)來(lái)又會(huì)擴(kuò)大優(yōu)化設(shè)計(jì)和新材料的適用范圍。 1.5本章小結(jié) 本章主要介紹了課題的研究背景，輕量化是當(dāng)前實(shí)現(xiàn)環(huán)保，安全的最有效的技術(shù)手段，已經(jīng)被世界各大汽車公司大力研究，這都有力的推動(dòng)了輕量化技術(shù)的發(fā)展。接下來(lái)主要介紹了基于安全性的轎車車身結(jié)構(gòu)輕量

27、化的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，無(wú)論是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，研究輕量化技術(shù)時(shí)，都考慮到了汽車現(xiàn)實(shí)中會(huì)發(fā)生碰撞，即考慮在汽車輕量化是考慮安全性的需要。最后介紹了實(shí)現(xiàn)輕量化的三種途徑，分別為使用新型的輕質(zhì)材料，基于有限元軟件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，革新零件的生產(chǎn)工藝。 第2章 車身結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)中運(yùn)用的原理 2.1 引言 本文在對(duì)轎車車身結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)時(shí)考慮了基本力學(xué)性能的影響。通過(guò)對(duì)車身零部件進(jìn)行有限元模態(tài)和頻率分析 ，再考慮零件的實(shí)際情況，選出對(duì)模態(tài)影響不大的一些零件。綜合生產(chǎn)成本、生產(chǎn)工藝、碰撞影響大小的情況下對(duì)這些零件進(jìn)行厚度的優(yōu)化

28、調(diào)整，以此實(shí)現(xiàn)轎車車身結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)。 2.2 車身結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)的有限元 有限元分析軟件是隨著計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展而出現(xiàn)的， 它是為了解決用數(shù)學(xué)方法分析過(guò)于復(fù)雜的難題。在有限元出現(xiàn)的初期，這種十分有用的有效的分析方法在結(jié)構(gòu)的靜、動(dòng)態(tài)特性分析中就被應(yīng)用。后來(lái)科學(xué)家的大力研究費(fèi)力推導(dǎo)，最后成功的導(dǎo)出了彈塑性矩陣，加快了有限元法在彈塑性方面的發(fā)展進(jìn)程。1970 年，研究人員又成功的建立了全網(wǎng)格的不同以往小位移小應(yīng)變，較大的彈塑性有限元法。1973有人年發(fā)現(xiàn)了剛塑性有限元法。同年， Chung 等人建立了熱粘彈塑性有限元法。這一時(shí)期對(duì)于有限元分析方法的大量研究使得當(dāng)時(shí)出現(xiàn)了大量的研究有限元方法的理

29、論。這為有限元之后在計(jì)算機(jī)上或者是現(xiàn)實(shí)中的運(yùn)用提供了強(qiáng)有力的指導(dǎo)。有限元法在汽車結(jié)構(gòu)分析上的使用可以查找到1976年，可是早期的有限元分析大多僅僅對(duì)車身進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析，而無(wú)法真正直線汽車的輕量化。1976 年，美國(guó)軟件開(kāi)發(fā)公司成功開(kāi)發(fā)出了一款通用的有限元程序 DYNA3D，為以后相關(guān)的有限元分析所用的有限元程序的產(chǎn)生提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。待軟件發(fā)展完善之后，顯式動(dòng)態(tài)有限元方法為汽車整車碰撞安全性研究提供了有力工具，許多汽車研究者開(kāi)始運(yùn)用這種方法對(duì)汽車碰撞安全性進(jìn)行一系列的深入研究和分析，還有一部分研究者開(kāi)始對(duì)車身結(jié)構(gòu)輕量化進(jìn)行的相關(guān)設(shè)計(jì)。 2.3車身結(jié)構(gòu)的基本知識(shí) 汽車的車身結(jié)構(gòu)大多按照其受力

30、情況來(lái)進(jìn)行分類。它可以劃分為三種承載方式，分別為非承載式，半承載式和承載式。這三種方式各有優(yōu)劣，需要根據(jù)具體要求來(lái)進(jìn)行選擇。下面對(duì)這三種結(jié)構(gòu)進(jìn)行大致的介紹。非承載式的汽車車身具有一個(gè)剛性的車架。把動(dòng)力傳遞系統(tǒng)的零部件以及車身上的零部件全都固定在這個(gè)剛性的車架上，車架再與車輪相互聯(lián)接。這種非承載式車身有一些較大的缺點(diǎn)，往往是比較笨重，提高了重心的高度。所以一般用在體型較大的車輛上；但是它有高的地盤，就算受到一定的沖擊力，也不會(huì)傳到車身之上。承載式車身的汽車說(shuō)白了就是整個(gè)車身是一個(gè)整體的結(jié)構(gòu)，沒(méi)有剛性車架。但是這種承載式車身的穩(wěn)定性較為強(qiáng)大，質(zhì)心高度也較低，生產(chǎn)時(shí)也較為容易。經(jīng)過(guò)不斷地研究創(chuàng)新，使

31、得這種方式的汽車更加平穩(wěn)和安全，所以現(xiàn)在的轎車基本上都采用了這種結(jié)構(gòu)方式。半承載式車身就是介于兩者之間的一種結(jié)構(gòu)，它是將車身與底部架子相互接觸，使其能夠起到車架的一些作用。 轎車的車身大致包括以下部件：1、發(fā)動(dòng)機(jī)蓋 2、前檔泥板 3、前圍上蓋板 4、前圍板 5、車頂蓋 6、前柱 7、上邊梁 8、頂蓋側(cè)板 9、后圍上蓋板 10、行李箱蓋 11、后柱 12、后圍板 13、后翼子板 14、中柱 15、車門 16、下邊梁 17、底板 18、前翼子板 19、前縱梁 20、前橫梁 21、前裙板 22、散熱器框架 23、發(fā)動(dòng)機(jī)蓋。其車身零部件位置圖如下圖1所示。

32、 圖2-1汽車車身部件位置 2.4小結(jié) 本章主要介紹了轎車車身的大致分為三種結(jié)構(gòu)以及其包含的主要零部件所在位置；車身結(jié)構(gòu)輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)中運(yùn)用到的有限元理論知識(shí)；有助于下文中的輕量化設(shè)計(jì)。這些介紹對(duì)于下文的輕量化設(shè)計(jì)，有這十分重要的幫助。選出對(duì)車身性能影響不大的零件，以達(dá)到車身質(zhì)量減小的目標(biāo)，又保證轎車的車身整體性能基本不變或在一定的允許范圍內(nèi)。 第3章 優(yōu)化設(shè)計(jì)與模態(tài)分析 3.1引言 首先建立一些零件的模型，之后將其模型導(dǎo)入有限元軟件進(jìn)行簡(jiǎn)化和其他處理，使其符合相關(guān)的要求，可以進(jìn)行模擬分析。分析車身零件的一些性能，例如模態(tài)分析、非靜力分析，選

33、取車身的幾個(gè)零件進(jìn)行有限元分析，選取出影響較小的零件作為優(yōu)化對(duì)象，實(shí)現(xiàn)第一階段的輕量化設(shè)計(jì)。接下來(lái)再檢驗(yàn)其是否滿足碰撞安全性，驗(yàn)證輕量化設(shè)計(jì)的可行性。 3.2優(yōu)化分析簡(jiǎn)介 結(jié)構(gòu)優(yōu)化是眾多方案選擇最佳方案的技術(shù)。一般而言，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)主要分為兩種形式，一種叫做功能設(shè)計(jì)，另一種叫做優(yōu)化設(shè)計(jì)。功能設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)的是該設(shè)計(jì)能達(dá)到預(yù)定的設(shè)計(jì)要求，但仍能在某些方面進(jìn)行改進(jìn)；優(yōu)化設(shè)計(jì)是一種尋找確定最優(yōu)化方案的技術(shù)。 3.2.1優(yōu)化設(shè)計(jì)簡(jiǎn)述 所謂“優(yōu)化”是指“最大化”或者“最小化”，而“優(yōu)化設(shè)計(jì)”，指是一種方案可以滿足所有的設(shè)計(jì)要求，而且需要的指出最少。 優(yōu)化設(shè)計(jì)有有兩種分析設(shè)計(jì)方法。由于解析法需要利用數(shù)學(xué)

34、的方法進(jìn)行列微分方程，再求解微分方程，這對(duì)于復(fù)雜的問(wèn)題來(lái)說(shuō)往往十分的困難，而且計(jì)算工程量往往是巨大無(wú)比，所以這種方法通常只適合用于理論研究，無(wú)法成熟的簡(jiǎn)單的應(yīng)用到實(shí)際當(dāng)中來(lái)。 以往的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)往往比較簡(jiǎn)單。通常是由有相關(guān)經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)者編寫出幾個(gè)不一樣的優(yōu)化方案，一起討論分析作對(duì)比。以便于甄選出最佳的設(shè)計(jì)優(yōu)化方案。這種粗糙方法，往往只適合以前科學(xué)技術(shù)水平有限時(shí)，大多數(shù)只是一個(gè)有些許經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)者提出的，往往不一定是最優(yōu)方案。但是計(jì)算機(jī)發(fā)展到今天，我們彎曲那可以依靠計(jì)算機(jī)完成這些復(fù)雜的工作，到目前為止能做這些方面的的軟件開(kāi)發(fā)出來(lái)的也并不多，美國(guó)開(kāi)發(fā)ANSYS軟件作為最好用的有限元分析軟件，它具有很

35、強(qiáng)大的優(yōu)化設(shè)計(jì)功能——結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化，其本身提供的算法能滿足工程的需求。 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)往往在保持產(chǎn)品的一些主要性能參數(shù)不變并對(duì)其進(jìn)行添加約束的前提下，通過(guò)改變結(jié)構(gòu)中其它一些可以改變的設(shè)計(jì)變量，是材料的參數(shù)或零件的力學(xué)特性，來(lái)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，就是結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。例如本文對(duì)一個(gè)小轎車的車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行的優(yōu)化設(shè)計(jì)就是在保證小轎車主要力學(xué)指標(biāo)和分析指標(biāo)不變的前提下，對(duì)小轎車車身零件進(jìn)行敏感度分析，減輕零件的質(zhì)量來(lái)追求車身質(zhì)量的最小化，再根據(jù)成本和技術(shù)對(duì)車身零件的厚度進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)第一階段的輕量化設(shè)計(jì)。 3.3車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì) 將生成的有限元模型導(dǎo)入有限元分析軟件中，對(duì)其進(jìn)行分析。把車身力學(xué)性能模態(tài)作為優(yōu)

36、化設(shè)計(jì)的約束條件，先通過(guò)分析軟件測(cè)出其車身結(jié)構(gòu)件的輕量化前后的模態(tài)，選出影響較小的零部件進(jìn)行厚度變化，進(jìn)行車身結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)。 3.3.1優(yōu)化設(shè)計(jì)模型 轎車車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型是將模態(tài)作為約束條件,把降低車身重量作為優(yōu)化目標(biāo),對(duì)轎車車身某些零部件的厚度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。我們經(jīng)常用非線性策劃的方式表示,轎車車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型的數(shù)學(xué)函數(shù)可以分析為最小f(x),f(x)為目標(biāo)函數(shù),是車身結(jié)構(gòu)質(zhì)量的數(shù)學(xué)函數(shù),x為車身零件厚度的參數(shù)。 優(yōu)化設(shè)計(jì)的約束條件可以表示為(x)≤ 0(j=1,2,3,… ,n), (x)為約束函數(shù),包括模態(tài)頻率約束條件。 優(yōu)化設(shè)計(jì)的變量可表示為XL≤ X≤ XU,X =

37、(X1, X2 , X3…Xn,)。 （3-1） 公式 X﹣車身零件厚度組成的向量, XU﹣ 設(shè)計(jì)變量X的上限值, XL﹣為設(shè)計(jì)變量X的下限值。 優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中,設(shè)計(jì)變量參數(shù)的初始選值往往不進(jìn)行改變，而是直接選取為零件板材的厚度,對(duì)模型簡(jiǎn)單的處理和解決后,利用輕量化前的早期數(shù)值進(jìn)行一次計(jì)算,求得約束條件的數(shù)值允許范圍,最后建立相應(yīng)的目標(biāo)函數(shù),提出最佳的優(yōu)化方案,首先在有限元分析模塊中進(jìn)行模態(tài)分析。 3.3.2模態(tài)分析 模態(tài)分析是工程設(shè)計(jì)中經(jīng)常用到的一個(gè)重要的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，它主要用于計(jì)算結(jié)構(gòu)的固有頻率和模態(tài)形狀。對(duì)于當(dāng)今汽車的生產(chǎn)設(shè)計(jì)來(lái)講，模態(tài)分析往往是必不可少的，更是經(jīng)

38、常應(yīng)用在輕量化設(shè)計(jì)之中。在使用有限元軟件進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)，我們無(wú)需自己根據(jù)模態(tài)分析的基礎(chǔ)理論知識(shí)進(jìn)行求解，系統(tǒng)自己可以幫我們求解得到最后結(jié)果。 模態(tài)分析的一般步驟如下，我們這次模態(tài)分析以前圍板為例，不進(jìn)行所有零件模態(tài)分析的全部介紹。 （1）前處理是模態(tài)分析之前對(duì)零件模型的簡(jiǎn)單的處理，也是進(jìn)行模態(tài)分析的基礎(chǔ)，它主要包括以下5個(gè)操作。 ①創(chuàng)建分析項(xiàng)目 在win7操作系統(tǒng)中打開(kāi)ANSYS Workbench17.0，進(jìn)入主頁(yè)面。選擇其中的分析系統(tǒng)中的Model，即ANSYS模態(tài)分析；加入到項(xiàng)目工程區(qū)創(chuàng)建分析項(xiàng)目，如下圖3-1所示。這就成功的創(chuàng)建了模態(tài)分析項(xiàng)目。

39、 圖3-1創(chuàng)建分析項(xiàng)目 ②定義材料數(shù)據(jù) 想要進(jìn)入材料參數(shù)設(shè)置界面，只需要在項(xiàng)目A中雙擊Engineering Data選項(xiàng)即可進(jìn)入，如圖3-2所示，在次界面之中，你可以對(duì)零件的材料進(jìn)行改變參數(shù)的不同設(shè)置。在改變材料參數(shù)時(shí)往往需要根據(jù)實(shí)際工程設(shè)計(jì)中所選用的材料特性來(lái)修改。本次設(shè)計(jì)中可采用默認(rèn)值，材料庫(kù)添加完畢，關(guān)閉界面返回主頁(yè)面即可。 圖3-2定義材料數(shù)據(jù) ③添加幾何模型 右鍵點(diǎn)擊項(xiàng)目A中A3欄中的Geometry，就可以在快捷菜單中選擇Import Geometry﹥Browse,這個(gè)時(shí)候就會(huì)出現(xiàn)打開(kāi)對(duì)話框，將幾何

40、體文件導(dǎo)入即可。這時(shí)你會(huì)發(fā)現(xiàn)A2欄中的Geometry后面的？變?yōu)椤?，這就表示模型已經(jīng)導(dǎo)入成功。但是雙擊進(jìn)入DM界面可能會(huì)出現(xiàn)并未生成模型的情況，故此我們往往要點(diǎn)擊左上角的Generate按鈕，手動(dòng)生成模型；如果進(jìn)入之后自動(dòng)生成了模型，就不需要進(jìn)行再次操作。如下圖3-3所示。生成之后即可關(guān)閉DM界面，返回主頁(yè)面。 圖3-3添加幾何模型 ④定義零件行為 通過(guò)項(xiàng)目A中A4欄Model項(xiàng)，就可以進(jìn)入Mechanical界面，在這個(gè)界面我們可以進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，分析設(shè)置和結(jié)果查看等操作。但是再此之前我們先要定義零件的行為。選擇左側(cè)Outline樹(shù)結(jié)構(gòu)圖Geometry下的body，就會(huì)在左下角

41、出現(xiàn)其細(xì)節(jié)窗口，在這個(gè)細(xì)節(jié)窗口中就可以給模型添加材料。需要設(shè)置材料時(shí)選擇Assignment會(huì)出現(xiàn)相關(guān)選項(xiàng)，選擇之后即可添加。當(dāng)樹(shù)結(jié)構(gòu)圖Geometry前的？變?yōu)椤蹋捅硎咎砑映晒?，本次所選模型的材料即為默認(rèn)的Structural Steel，不需要修改。最后將面體厚度Thickness設(shè)為1.4mm。這就完成了定義零件行為的操作。如下圖3-4所示。 圖3-4定義零件行為 ⑤劃分網(wǎng)格 網(wǎng)格的劃分是進(jìn)行任何分析都不可以缺少的工作，網(wǎng)格的好壞直接影響到分析的結(jié)果，所以在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，我們要注意觀察。在剛才的界面，點(diǎn)擊Outli

42、ne樹(shù)結(jié)構(gòu)圖中的Mesh選項(xiàng)，即劃分網(wǎng)格選項(xiàng)。就會(huì)在左下方出現(xiàn)劃分網(wǎng)格的細(xì)節(jié)窗口，在這個(gè)窗口修改網(wǎng)格參數(shù)，將Element Size即網(wǎng)格單元尺寸設(shè)置為1mm。之后右鍵點(diǎn)擊Mesh，在彈出的快捷操作菜單中選擇Generate Mesh，就會(huì)生成網(wǎng)格，如下圖3-5所示。 圖3-5網(wǎng)格劃分效果 （2）模態(tài)分析 經(jīng)過(guò)上述（1）所做的前處理工作之后，就可以開(kāi)始對(duì)零件進(jìn)行模態(tài)分析。它主要包括以下4個(gè)操作，分別為定義邊界條件、分析選項(xiàng)設(shè)置、求解和查看求解結(jié)果。 ①定義邊界條件 在上述界面中選擇Outline樹(shù)結(jié)構(gòu)圖中的Model（A5）選項(xiàng)，就會(huì)出現(xiàn)Environment工具欄。選擇

43、工具欄中的Supports﹥Displacement，就會(huì)在左下角出現(xiàn)Displacement的細(xì)節(jié)窗口。選中Displacement，選擇X方向坐標(biāo)為0的邊緣，單擊Geometry選項(xiàng)下的Apply按鈕，就可以在選中的邊緣施加約束。此時(shí)設(shè)置X方向的位移為零，按照上述方法對(duì)Y和Z方向再施加約束。完成后點(diǎn)擊Outline樹(shù)結(jié)構(gòu)圖中的Model（A5）選項(xiàng)，查看邊界條件，示意圖如3-6所示。 圖3-6邊界條件示意圖 ②分析選項(xiàng)設(shè)置 在左側(cè)Outline樹(shù)結(jié)構(gòu)圖中的Analysis Settings項(xiàng)，設(shè)置Max Modes to Find為6，如下圖3-7所示。

44、 圖3-7設(shè)置模態(tài)分析選項(xiàng) ③求解 當(dāng)做完上述所有的操作之后，我們就到了模態(tài)分析的最后求解步驟了，在求解時(shí)系統(tǒng)會(huì)根據(jù)自帶的幾種算法自動(dòng)求解，操作如下。在Outline樹(shù)結(jié)構(gòu)圖中的Model（A5）選項(xiàng)單擊右鍵，在彈出的菜單中選擇Solve，這時(shí)會(huì)彈出進(jìn)度條，說(shuō)明系統(tǒng)正在求解，完成后它會(huì)自動(dòng)消失。當(dāng)求解工作完成之后，可以選擇Solution Information查看求解過(guò)程信息，如下圖3-8所示。 圖3-8求解結(jié)果數(shù)據(jù)圖表 ④查看分析結(jié)果 選擇Mechanical界面左側(cè)樹(shù)結(jié)

45、構(gòu)圖中的Solution(A6)選項(xiàng)，此時(shí)會(huì)出現(xiàn)其工具欄。選擇Solution工具欄中的Deformation﹥Total，這時(shí)在樹(shù)結(jié)構(gòu)圖中你會(huì)發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)了Total Deformation選項(xiàng)，在此選項(xiàng)上單擊右鍵，在彈出的菜單中選擇Solve，之后就會(huì)得到模態(tài)變形圖，如下圖3-9所示。 圖3-9模態(tài)振型圖 3.4本章小結(jié) 本章首先介紹了優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本概念以及相關(guān)的基礎(chǔ)理論知識(shí)，對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)做了一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹，主要是以前圍板為例介紹了其模態(tài)分析的主要過(guò)程，方法與步驟，接下來(lái)所有的零件都以此為例進(jìn)行了模態(tài)的分析。 第4章 輕量化設(shè)計(jì)

46、 4.1引言 本章選取幾個(gè)零件，首先對(duì)其劃分網(wǎng)格進(jìn)行模態(tài)分析，通過(guò)輕量化前后模態(tài)分析的對(duì)比以及靈敏度的分析，選出變化不大的零件對(duì)其進(jìn)行厚度減薄的輕量化設(shè)計(jì)，再考慮零件生產(chǎn)成本以及加工工藝，對(duì)輕量化的零件厚度進(jìn)行修正，最后通過(guò)簡(jiǎn)化碰撞為受力分析，驗(yàn)證之前的輕量化設(shè)計(jì)結(jié)果符合安全性的要求。 4.2劃分網(wǎng)格圖 在進(jìn)行有限元分析時(shí)，無(wú)論進(jìn)行那種類型的分析，網(wǎng)格的劃分都是十分的重要，網(wǎng)格劃分的好壞，往往會(huì)影響最后求解結(jié)果的好壞，所以網(wǎng)格劃分這一步往往有很多的要求，下面是進(jìn)行分析的一些零件的網(wǎng)格劃分圖，如下圖4-1所示，這些網(wǎng)格都是正確符合要求的。

47、 4-1劃分網(wǎng)格圖 4.3輕量化前后模態(tài)分析比較 車身結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)主要通過(guò)對(duì)車身零件的厚度進(jìn)行減薄，但并不是要對(duì)所有的零件全都進(jìn)行輕量化；同樣零件的減薄也不可能一直進(jìn)行下去，完全沒(méi)有限制；這也是不合實(shí)際的。我們通過(guò)分析所選取零件的模態(tài)變形圖，觀察輕量化后的零件對(duì)其模態(tài)是否有較大的影響。再結(jié)合下面對(duì)零件模態(tài)靈敏度的計(jì)算，選出合適零件，減薄其厚度，實(shí)現(xiàn)車身結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)。按照上述所介紹的模態(tài)分析方法，下面我們選取了前圍板、保險(xiǎn)杠、機(jī)蓋、踏腳板和B柱進(jìn)行模態(tài)分析，它們輕量化前后的模態(tài)振型圖如下圖4-1所示。

48、 圖4-2輕量化前后模態(tài)變形圖 通過(guò)對(duì)上述模態(tài)分析的結(jié)果圖進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)前圍板、機(jī)蓋、保險(xiǎn)杠和踏腳板的模態(tài)振型圖變形情況雖然都出現(xiàn)了一些較小的變化，有所增加，但是變形情況是一致的，而B(niǎo)柱的模態(tài)振型圖產(chǎn)生了稍大的變化，但是這種變化還在可以接受的范圍之內(nèi)。再對(duì)零件的固有頻率進(jìn)行比較分析，發(fā)現(xiàn)車蓋、踏腳板、保險(xiǎn)杠和B柱的變化值都較小，變化率都在0.02之內(nèi)；而前圍板的數(shù)值相比來(lái)說(shuō)變化較大，變化率為0.06；但是這種變化仍在允許的范圍之內(nèi)。這些變化是由于厚度的減薄所必然會(huì)導(dǎo)致的，但是都在允許的范圍之內(nèi)。故此從模態(tài)分析的角度來(lái)看，可以對(duì)這幾個(gè)零件來(lái)進(jìn)行輕量化。此次輕量化

49、模態(tài)分析時(shí)零件厚度變化的選擇都為0.2mm，如下表4-1所示。 表4-1輕量化前后零件厚度 序號(hào) 零件 輕量化前厚度/mm 輕量化后厚度/mm 1 機(jī)蓋 1.6 1.4 2 B柱 1.4 1.2 3 保險(xiǎn)杠 1.8 1.6 4 前圍板 1.6 1.4 5 踏腳板 1.6 1.4 4.4優(yōu)化結(jié)果分析 之前輕量化設(shè)計(jì)的結(jié)果不可以直接作為最終輕量化設(shè)計(jì)的結(jié)果，還要考慮這些零件的可制造性、生產(chǎn)加工工藝和生產(chǎn)加工成本。因?yàn)椴皇撬泻穸鹊陌宀亩伎梢栽诠S加工出來(lái)的，特殊厚度規(guī)格板材的加工是需要特殊的生產(chǎn)線，不但會(huì)降低板材的生產(chǎn)效率，還會(huì)極大的提高生

50、產(chǎn)成本。所以我們還要根據(jù)企業(yè)工廠現(xiàn)有的能加工制造的板材規(guī)格對(duì)優(yōu)化后的板厚做出最后的修正。然后根據(jù)零件厚度的變化量和鋼材的比重計(jì)算出所減輕的重量，輕量化的結(jié)果一并在下表列出，最后得到第一階段輕量化設(shè)計(jì)的結(jié)果，如下表4-2所示。當(dāng)然，這只是第一階段的結(jié)果。因?yàn)榻酉聛?lái)還需要對(duì)車身進(jìn)行簡(jiǎn)化正面碰撞為受力的分析。若是分析為變形并未發(fā)生較大改變，則可以認(rèn)為輕量化的車身滿足簡(jiǎn)化正面碰撞的安全性，則這些數(shù)據(jù)可以作為最后的分析結(jié)果；如若不滿足安全性的要求，則需要將分析過(guò)程中變形不合要求的零件的相關(guān)參數(shù)與輕量化前的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行比較分析，最后按照這部分零件的加工手段和板材厚度加工成本及規(guī)格，對(duì)該零件的厚度進(jìn)行再一次

51、的修正，一直到它輕量化后的車身能夠達(dá)到安全性的要求。 表4-2第一階段輕量化的結(jié)果 序號(hào) 零件 輕量化前厚度/mm 輕量化后厚度/mm 減輕質(zhì)量/kg 1 機(jī)蓋 1.6 1.4 2.9 2 B柱 1.4 1.2 0.4 3 保險(xiǎn)杠 1.8 1.6 1.4 4 前圍板 1.6 1.4 1.5 5 踏腳板 1.6 1.4 1.2 從表4-2中可以看出，對(duì)這些零件進(jìn)行了0.2個(gè)毫米的減薄，輕量化后雖然模態(tài)振型圖有點(diǎn)改變，一階模態(tài)固有頻率也出現(xiàn)減小的情況，這都是減薄厚度之后所必然會(huì)發(fā)生的。但是，輕量化前后這些零件模態(tài)的變化在允許的范圍之內(nèi)

52、，可以近似認(rèn)為并沒(méi)有發(fā)生變化，而轎車車身的質(zhì)量得到了減輕，質(zhì)量減少了7.4kg。因此得到第一階段的車身優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果，可以達(dá)到轎車車身結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)的目標(biāo)。 4.5驗(yàn)證第一階段的輕量化結(jié)果 從碰撞安全性的角度來(lái)驗(yàn)證第一階段的優(yōu)化結(jié)果，使得車身輕量化更具有實(shí)際意義。本文將碰撞簡(jiǎn)化為受力的研究分析。根據(jù)相關(guān)資料查找得到，當(dāng)汽車按照碰撞法規(guī)C-NCAP規(guī)定，以50km/s的速度進(jìn)行實(shí)車碰撞瞬間會(huì)產(chǎn)生較大的碰撞力。根據(jù)動(dòng)能定理有以下公式式中 F﹣合外力、m﹣質(zhì)量、v﹣速度、S﹣?zhàn)冃瘟?，根?jù)查閱資料大致估算出碰撞時(shí)會(huì)產(chǎn)生6600N大小的力。接下來(lái)通過(guò)分析各個(gè)零件輕量化前后的受力變形是否有較大差別，以

53、此來(lái)判斷是否滿足碰撞的安全性。如若變形程度并沒(méi)有發(fā)生較大變化，就認(rèn)為滿足了安全性的要求，第一階段的輕量化設(shè)計(jì)不需要修改，可直接作為最后的輕量化結(jié)果。反之，對(duì)第一階段的輕量化結(jié)果進(jìn)行修正，直到滿足安全性的要求。 通過(guò)觀察多種不同的實(shí)車正面碰撞試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)車門、B柱這些距離車身前端較遠(yuǎn)的部位雖然受到了一些沖擊但是變形基本不可見(jiàn)，不如車身前端保險(xiǎn)杠、前圍板或機(jī)蓋等部件發(fā)生的變形較大，較為顯著。通過(guò)ANSYS分析系統(tǒng)對(duì)這幾個(gè)零件的受力分析，得到了輕量化前后的受力分析對(duì)比圖，其中位移變化圖如下圖4-3所示。應(yīng)變圖如下圖4-4所示。

54、 圖4-3位移圖 通過(guò)比較輕量化前后的位移圖，發(fā)現(xiàn)位移的方式和方向都基本一致，并且所有零件的位移量都有所增加，這主要是零件減薄所引起的。但是數(shù)值變化都較小，變化率都在0.02之內(nèi)。而且這種位移的變化量本身就很小，也在允許的范圍之內(nèi)。故此認(rèn)為幾個(gè)零件的變形圖是符合要求的。 圖4-4應(yīng)變圖 通過(guò)分析圖4-4，可以發(fā)現(xiàn)輕量化后變形和應(yīng)力確實(shí)都有較小的改變，這也是由于零件變薄所引起的，但是應(yīng)

55、變發(fā)生的位置以及區(qū)域都沒(méi)有明顯的變化，應(yīng)力的大小也只是產(chǎn)生了較小的變化。在這種變化中并沒(méi)有出現(xiàn)較大的改變，而且變化率都在0.02之內(nèi)，因其本身應(yīng)變量就較小，所以往往可以忽略這種輕微的變化。再結(jié)合位移圖的變化結(jié)果，可以認(rèn)為輕量化前后的碰撞安全性沒(méi)有發(fā)生改變，即第一階段的輕量化設(shè)計(jì)可以滿足安全性的要求，可以直接作為最后階段的輕量化設(shè)計(jì)。 4.6本章小結(jié) 本章主要對(duì)選取的零件在有限元軟件中進(jìn)行模態(tài)分析。將輕量化前后的分析結(jié)果進(jìn)行分析比較，發(fā)現(xiàn)輕量化前后零件的模態(tài)可以近似認(rèn)為沒(méi)有發(fā)生變化；綜合生產(chǎn)成本和加工工藝修正了零件的厚度，對(duì)其進(jìn)行了第一階段的輕量化設(shè)計(jì)。最后通過(guò)簡(jiǎn)化碰撞為力分析，驗(yàn)證了第一階

56、段的輕量化設(shè)計(jì)結(jié)果滿足安全性的要求，可以最為最終的輕量化設(shè)計(jì)結(jié)果。 第5章 總結(jié)和展望 5.1全文總結(jié) 為了推動(dòng)車身輕量化設(shè)計(jì)的全面發(fā)展，本文從際出發(fā)，考慮正面碰撞安全性的要求對(duì)某轎車的車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。該優(yōu)化設(shè)計(jì)方法綜合考慮了輕量化以及零件的可制造性和加工成本，為車身結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)提供

57、了一種參考。 本文主要研究?jī)?nèi)容和主要成果如下。 （1）研究得出了基于碰撞安全性的轎車車身結(jié)構(gòu)輕量化的設(shè)計(jì)方法,探討了基于碰撞安全性的車身結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)的可行性。 （2）本文主要分析了零件的模態(tài),在保證模態(tài)性能基本不變的情況下，實(shí)現(xiàn)車身結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)。選取車身部分結(jié)構(gòu)件進(jìn)行厚度減薄,優(yōu)化所選取的零部件，使車身質(zhì)量共減輕了7.4Kg。 （3）運(yùn)用有限元方法進(jìn)行了簡(jiǎn)化碰撞的為受力的分析計(jì)算,檢驗(yàn)優(yōu)化后的車身是否滿足正面碰撞的安全性，再根據(jù)分析結(jié)果修正第一階段所取成果。最后使優(yōu)化后的車身滿足了安全性的要求,實(shí)現(xiàn)了轎車車身結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)。 5.2研究工作展望 本文的研究工作，雖然取得了一

58、些成果，但是由于水平有限，在今后的研究中可以在以下幾方面加以完善： （1）本文僅僅從四種碰撞方式中選擇了正面碰撞來(lái)進(jìn)行輕量化的研究，還可以從其它碰撞的工況來(lái)研究。 （2）改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)還需要做強(qiáng)度的分析和其他一些所必須考慮的要求來(lái)分析驗(yàn)證其可行性。 （3）車身的輕量化還可以從運(yùn)用創(chuàng)新型的加工工藝和新型輕質(zhì)吸能較好材料的使用這兩個(gè)方面進(jìn)行研究。 致 謝 時(shí)間過(guò)得真是很快，眨眼間四年就過(guò)去了，在此我收獲了很多。學(xué)到了很多的專業(yè)知識(shí)，認(rèn)識(shí)了很多同學(xué)，交到了很多朋友，明白了很多做人做事的道理。華航“進(jìn)德修業(yè)、精益求精”的校訓(xùn)讓我學(xué)會(huì)了做人與做事；懂得了負(fù)責(zé)與追求。我感覺(jué)

59、自己變成了一個(gè)有知識(shí)有素養(yǎng)的青年。當(dāng)然，這些都跟家人、老師、同學(xué)的幫助有關(guān)。借助這次畢業(yè)設(shè)計(jì)完成的機(jī)會(huì)，我想對(duì)父母、同學(xué)以及親愛(ài)的老師們表以我最真誠(chéng)的感謝。謝謝你們！ 我的畢業(yè)設(shè)計(jì)是在指導(dǎo)教師許文娟老師的幫助下完成的。老師經(jīng)常跟我們交流，抽出自己的時(shí)間來(lái)指導(dǎo)我們，常說(shuō)有什么不懂得就來(lái)問(wèn)。從選擇課題到開(kāi)題報(bào)告再到我們做完畢業(yè)設(shè)計(jì)，許老師都給我了很大的幫助。許老師不僅只是在此次畢業(yè)設(shè)計(jì)中對(duì)我們有較大的幫助，在日常的生活學(xué)習(xí)上，也常常給予我們無(wú)微不至的關(guān)懷；她總是十分熱情，十分有愛(ài)。借此機(jī)會(huì)，我向許老師表示感謝。當(dāng)然，這四年來(lái)也離不開(kāi)其他老師的教導(dǎo)與幫助，謝謝老師們，你們辛苦了?！　?

60、 由于我自己的學(xué)習(xí)水平有限，在本次的畢業(yè)設(shè)計(jì)之中難免有很多不足的地方，請(qǐng)老師們批評(píng)與指正。 參考文獻(xiàn) ［１］ 孫宏圖．考慮碰撞安全性的汽車車身輕量化設(shè)計(jì)．機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2010，29(3)：379-386. ［２］ 施頤．基于剛度與耐撞性要求的車身結(jié)構(gòu)輕量化研究．汽車工程，2010，32(9)：757-762. ［３］ 張國(guó)勝．轎車車身結(jié)構(gòu)輕量化．公路交通科技，2012，29(1)：154-158. ［４］ 葉輝．基于靈敏度和碰撞仿真的汽車車

61、身輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2010，41(10)：18-27. ［５］ 袁國(guó)偉．基于碰撞安全性的車身輕量化研究．現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2014，19(6)：12-13. ［６］ 欒家男．基于正面碰撞安全性的車身結(jié)構(gòu)輕量化研究．上海：上海工程科技大學(xué)，2012： ［７］ 陳曉斌．基于現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法和提高整車碰撞安全性的車身輕量化研究．吉林：吉林大學(xué)，2011： ［８］ 趙建軒．考慮NVH性能與碰撞安全性的轎車車身輕量化設(shè)計(jì)．機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2016，,32（6）：153-160. ［９］ X. T. Cui,S. X. Wan,S. J.Hu. A method for optima

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