基于多目標(biāo)穩(wěn)健性優(yōu)化方法的-SUV車身結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)-機(jī)械工程師碩士論文

分類號： U461.91 密 級： 公開 UDC注1： 621 編號：10299z1203045 JIANGSU UNIVERSITYJIANGSU UNIVERSITY 專 業(yè)專 業(yè) 碩 士 學(xué) 位 論碩 士 學(xué) 位 論 文文 PROFESSIONAL MASTERS DISSERTATION 論文題目：基于多目標(biāo)穩(wěn)健性優(yōu)化方法的 SUV 車身結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì) 學(xué)科專業(yè)： 機(jī) 械 工 程 作者姓名： 蘇 占 龍 指導(dǎo)教師： 王 霄 答辯日期： 2015 年 06 月 08 日 獨(dú) 創(chuàng) 性 聲 明 本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究 工作所取得的成果。除文中已注明引用的內(nèi)容以外，本論文不包含任何其他個(gè)人 或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果， 也不包含為獲得江蘇大學(xué)或其他教育機(jī)構(gòu) 的學(xué)位或證書而使用過的材料。對本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。本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。 學(xué)位論文作者簽名： 年 月 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 江蘇大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)信息研究所、國家圖書館、中國學(xué)術(shù)期刊(光盤版) 電子雜志社有權(quán)保留本人所送交學(xué)位論文的復(fù)印件和電子文檔，可以采用影印、 縮印或其他復(fù)制手段保存論文。本人電子文檔的內(nèi)容和紙質(zhì)論文的內(nèi)容相一致， 允許論文被查閱和借閱，同時(shí)授權(quán)中國科學(xué)技術(shù)信息研究所將本論文編入中國 學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫并向社會提供查詢，授權(quán)中國學(xué)術(shù)期刊(光盤版)電子雜志 社將本論文編入中國優(yōu)秀博碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫并向社會提供查詢。論 文的公布(包括刊登)授權(quán)江蘇大學(xué)研究生處辦理。 本學(xué)位論文屬于不保密 。 學(xué)位論文作者簽名： 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日 年 月 日 基于基于多目標(biāo)多目標(biāo)穩(wěn)健性穩(wěn)健性優(yōu)化優(yōu)化方法方法的的 SUV車身車身結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)輕量化輕量化設(shè)計(jì)設(shè)計(jì) Design on SUV Body Structure Lightweight Based on Multi-objective Robust Optimization Method 專業(yè)名稱專業(yè)名稱 機(jī) 械 工 程 指導(dǎo)教師指導(dǎo)教師 王 霄 姓姓 名名 蘇 占 龍 江 蘇 大 學(xué) 2015 年 06 日 江 蘇 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 I 摘摘 要要 為實(shí)現(xiàn)車身輕量化， 改善汽車安全性和提高穩(wěn)健性， 本文以某企業(yè)某新 SUV 車型為研究對象，開發(fā)了針對側(cè)面碰撞前處理問題的流程自動化系統(tǒng)，對汽車車 門剛度、車門模態(tài)、側(cè)碰安全多方面的性能進(jìn)行了有限元分析，確定了初始設(shè)計(jì) 性能；針對側(cè)面碰撞部分測量點(diǎn)侵入量、侵入速度過大的問題，結(jié)合車身結(jié)構(gòu)輕 量化的需要，提出了基于多目標(biāo)穩(wěn)健性優(yōu)化方法的車身結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)方案。 (1)為解決汽車側(cè)面碰撞分析前處理過程的重復(fù)性工作多，工作繁瑣，需要 設(shè)置的參數(shù)過多的問題，結(jié)合 TCL/TK 語言與 Process Manager 工具開發(fā)了側(cè)面 碰撞流程自動化系統(tǒng)。 (2)利用流程自動化系統(tǒng)建立了整車有限元模型，進(jìn)行了整車側(cè)面碰撞、車 門模態(tài)、車門剛度三個(gè)方面的有限元分析。分析結(jié)果表明側(cè)碰安全性不符合設(shè)計(jì) 要求，車門模態(tài)性能、剛度性能符合設(shè)計(jì)要求，存在較大的輕量化設(shè)計(jì)空間；并 確定了通過提高 B 柱、前門、中門的強(qiáng)度改善碰撞安全性能的方案。 (3)提出了基于多目標(biāo)穩(wěn)健性優(yōu)化方法的車身結(jié)構(gòu)輕量化的方案。 首先對整車模型進(jìn)行簡化，初步選擇 16 組設(shè)計(jì)變量，并采用參數(shù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 方法篩選出 10 組靈敏度較高的變量，利用最優(yōu)拉丁超立方試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法抽取試 驗(yàn)樣本，建立了質(zhì)量、剛度、模態(tài)、內(nèi)能、B 柱與車門測量點(diǎn)的侵入量、侵入速 度等響應(yīng)的近似模型。 然后利用近似模型，分別采用 NSGA-、NCGA 和 AMGA 三種多目標(biāo)遺傳 算法，對整車進(jìn)行了確定性優(yōu)化，得到三組 Pareto 非劣解集；分別選取三組確定 性優(yōu)化解，利用蒙特卡洛抽樣的方式對其進(jìn)行了可靠性分析，結(jié)果三種算法的可 靠度均不能達(dá)到質(zhì)量水平的要求，需要進(jìn)行穩(wěn)健性優(yōu)化。通過三種優(yōu)化算法的 Pareto 解集與可靠度分析結(jié)果的對比，選擇了 AMGA 算法作為穩(wěn)健性優(yōu)化的優(yōu) 化算法。 最終以 AMGA 確定性優(yōu)化解作為初始值， 結(jié)合蒙特卡洛抽樣技術(shù)與 AMGA 算法以質(zhì)量最小、內(nèi)能最大及它們的標(biāo)準(zhǔn)差最小為目標(biāo)進(jìn)行了多目標(biāo)穩(wěn)健性優(yōu) 化。結(jié)果表明，穩(wěn)健性優(yōu)化后的側(cè)面碰撞安全、車門模態(tài)、車門剛度三個(gè)方面的 可靠度，與確定性優(yōu)化相比由原來的 64.8%提升到了 100%，穩(wěn)健性得到改善。 基于多目標(biāo)穩(wěn)健性設(shè)計(jì)方法的 SUV 車身結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì) II 獲得各目標(biāo)函數(shù)的 Pareto 非劣解集， 選取一組代入到有限元模型中進(jìn)行仿真 驗(yàn)證，結(jié)果發(fā)現(xiàn)車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變量總質(zhì)量由原來的 60.845kg 下降到了 53.992kg， 質(zhì)量減輕了 6.853kg，降幅為 11.263%，實(shí)現(xiàn)了車身的輕量化；內(nèi)能吸收增加了 0.229kJ，略有提升；B 柱與車門關(guān)鍵點(diǎn)的侵入量和侵入速度整體下降，侵入量最 大降幅達(dá)到了 5.465%，侵入速度最大降幅達(dá)到了 8.218%，側(cè)面碰撞安全性能得 到改善。 關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)輕量化，側(cè)面碰撞，多目標(biāo)優(yōu)化，遺傳算法，穩(wěn)健性設(shè)計(jì) 江 蘇 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 III ABSTRACT To achieve lightweight of vehicle body, improve vehicle safety, enhance the robustness, in this thesis an enterprise new SUV models is taken as the research object, the process automation system is developed to solve the problem of side impact pre-processing, the finite element analysis of multiple performance, door stiffness, door mode and side impact safety, is made, the initial design performance is determined, then, aimed at the problem that side impact intrusion and intrusion velocity of some measurement points are too large, combined with the need of body structure lightweight, a lightweight design project of body structure based on multi-objective robust optimization is proposed. (1) In order to solve the difficulty that the pre-processing of vehicle side impact analysis is repetitive and tedious, parameters need to set is too much, the side impact process automation system is developed, combined with TCL/TK language and Process Manager. (2) The vehicle finite element model is created based on the process automation system. The finite element analysis of three aspects, vehicle side impact, door mode and door stiffness, is done. Analysis results show that side crashworthiness does not meet design requirements; door mode and door stiffness properties conform to the design requirement，for a large lightweight space. Then identify the scheme that improved crash safety performance by raising the strength of the B-pillar, the front doors, and the middle doors structure. (3) The scheme of body structure lightweight design based on multi-objective robust optimization method is offered. Firstly, the vehicle model is simplified, 16 sets of preliminary design variables are chosen; 10 high sensitivity variables are selected with parameter design of experiment(DOE) method. Then extract samples by the optimal Latin hypercube experiment design method. The approximation models of the responses of mass, stiffness, modal, internal energy, intrusion and intrusion velocity of measurement 基于多目標(biāo)穩(wěn)健性設(shè)計(jì)方法的 SUV 車身結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì) IV points on B-pillars and doors, are established with the samples. Secondly, with the approximate models, respectively the NSGA-, NCGA and AMGA three genetic algorithm is used to do the deterministic optimization. Finally get three group Pareto optimal sets，and then select three deterministic optimization solutions of them, respectively;and use the Monte Carlo sampling method to analyze the reliability of them. The results prove that three kinds of algorithm reliability cannot reach the level of quality requirements, and require further robust optimization. Through comparisons of three kinds of optimization algorithm Pareto optimal set and the reliability analysis results, the AMGA is chosen as the optimization algorithm for the robustness optimization. At last, taking AMGA deterministic optimization solution as the initial value, combined with the Monte Carlo sampling technique and AMGA genetic algorithm, aimed at minimum mass, maximum internal energy and minimum their standard deviation, multi-objective robust optimization is done. Results indicate that the reliability of the three aspects, as side impact safety，vehicle door model and vehicle door stiffness, compared with deterministic optimization, increase from 64.8% to 100%, improving the robustness. Select one available optimized value from the obtained Pareto optimal set, and validate it by the finite element model simulation. The results manifest that body structure total quality of design variables has reduced from 60.845kg to 60.845kg, reduced 6.853 kg, a 11.263% drop, which has realized the lightweight of vehicle body; Internal energy absorbed increased by 0.229 kJ, slightly ascending, the intrusion and intrusion velocity performances of B-pillar and the door keys have been reduced overall, the deepest decline of intrusion is 5.465%, while intrusion velocity is 8.218%, improving the side impact safety performance. Keywords: Structure lightweight, Side impact , Multi-objective optimization, Genetic algorithm, Robustness design 江 蘇 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 V 目 錄 摘摘 要要 I ABSTRACT III 第第 1 章章 緒論緒論 1 1.1 課題的研究背景與意義 1 1.2 汽車車身輕量化設(shè)計(jì)研究現(xiàn)狀 2 1.2.1 使用高新輕質(zhì)材料實(shí)現(xiàn)輕量化的研究現(xiàn)狀 . 2 1.2.2 應(yīng)用先進(jìn)加工制造工藝實(shí)現(xiàn)輕量化的研究現(xiàn)狀 . 3 1.2.3 應(yīng)用結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)輕量化 . 4 1.3 多目標(biāo)確定性優(yōu)化與車身輕量化研究現(xiàn)狀 5 1.4 穩(wěn)健性優(yōu)化與車身輕量化研究現(xiàn)狀 7 1.5 本課題研究的主要內(nèi)容 9 第第 2 章章 汽車側(cè)面碰撞分析流程自動化系統(tǒng)的開發(fā)汽車側(cè)面碰撞分析流程自動化系統(tǒng)的開發(fā) 12 2.1 開發(fā)的環(huán)境基礎(chǔ) 12 2.2 側(cè)面碰撞流程自動化系統(tǒng)的開發(fā) 14 2.2.1 定制側(cè)面碰撞分析流程自動化系統(tǒng)流程樹 . 14 2.2.2 通用前處理部分的二次開發(fā) . 15 2.2.3 建立組件間的連接的開發(fā) . 19 2.2.4 建立剛性墻與接觸的開發(fā) . 22 2.2.5 施加邊界條件面板及子程序開發(fā) . 24 2.2.6 定義控制卡片與輸出卡片界面開發(fā) . 26 2.2.7 導(dǎo)出 K 文件的開發(fā) 28 2.3 程序的調(diào)試 29 2.4 本章小結(jié) 29 第第 3 章章 SUV 整車有限元模型的建立與有限元分析整車有限元模型的建立與有限元分析 . 30 3.1 SUV 整車有限元模型的建立 . 30 3.1.1 CAD 模型歸類與導(dǎo)入 . 31 3.1.2 抽取中面與幾何清理 . 31 基于多目標(biāo)穩(wěn)健性設(shè)計(jì)方法的 SUV 車身結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì) VI 3.1.3 有限元網(wǎng)格劃分與網(wǎng)格質(zhì)量檢查 . 32 3.1.4 MDB 模型的導(dǎo)入 33 3.1.5 單元和材料屬性的定義 . 34 3.1.6 整車模型裝配與連接的建立 . 34 3.1.7 剛性墻與接觸的建立 . 35 3.1.8 初始條件的定義 . 36 3.1.9 控制卡片與輸出卡片的設(shè)置 . 36 3.2 SUV 整車側(cè)面碰撞性能分析 . 37 3.2.1 碰撞系統(tǒng)總能量分析 . 37 3.2.2 整車變形分析 . 38 3.2.3 前門與 B 柱測量點(diǎn)侵入量與侵入速度分析 39 3.2.4 側(cè)面碰撞分析結(jié)果評價(jià) . 41 3.3 SUV 車門模態(tài)性能分析 . 41 3.3.1 車門模態(tài)分析 . 41 3.3.2 車門模態(tài)分析結(jié)果評價(jià) . 42 3.4 SUV 車門剛度性能分析 . 43 3.4.1 前門剛度分析 . 43 3.4.2 前門剛度結(jié)果評價(jià) . 46 3.4.3 中門剛度分析 . 46 3.4.4 中門剛度分析結(jié)果評價(jià) . 49 3.5 本章小結(jié) 50 第第 4 章章 基于多目標(biāo)穩(wěn)健性優(yōu)化方法的基于多目標(biāo)穩(wěn)健性優(yōu)化方法的車身結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)車身結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì) 52 4.1 多目標(biāo)穩(wěn)健性優(yōu)化方案的提出 52 4.2 側(cè)面碰撞子模型的建立與驗(yàn)證 54 4.2.1 子模型建立方法 . 55 4.2.2 子模型的建立 . 55 4.2.3 子模型分析結(jié)果驗(yàn)證 . 57 4.3 初始設(shè)計(jì)變量的選擇 59 江 蘇 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 VII 4.4 設(shè)計(jì)樣本采集 61 4.4.1 設(shè)計(jì)變量篩選試驗(yàn) . 63 4.4.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法選擇及樣本點(diǎn)采集 . 67 4.5 近似模型方法及模型建立 69 4.5.1 近似模型方法 . 69 4.5.2 近似模型建立 . 75 4.5.3 近似模型誤差分析與精度的驗(yàn)證 . 88 4.6 基于多目標(biāo)確定性優(yōu)化的車身結(jié)構(gòu)輕量化 90 4.6.1 基于 NSGA-算法的確定性優(yōu)化 . 92 4.6.2 基于 NCGA 算法的確定性優(yōu)化 . 94 4.6.3 基于 AMGA 算法的確定性優(yōu)化 96 4.6.4 基于三種優(yōu)化算法的確定性優(yōu)化結(jié)果的分析與總結(jié) . 97 4.7 基于多目標(biāo)穩(wěn)健性優(yōu)化的車身結(jié)構(gòu)輕量化 99 4.7.1 6Sigma 穩(wěn)健性設(shè)計(jì)概念的介紹 . 99 4.7.2 基于蒙特卡洛抽樣的可靠性分析與質(zhì)量水平檢查 . 100 4.7.3 多目標(biāo)穩(wěn)健性優(yōu)化方法的選取 . 101 4.7.4 基于多目標(biāo)穩(wěn)健性優(yōu)化的車身結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì) . 102 4.7.5 穩(wěn)健性優(yōu)化結(jié)果有限元分析與驗(yàn)證 . 104 4.8 本章小結(jié) 107 第第 5 章章 總結(jié)與展望總結(jié)與展望 110 5.1 全文總結(jié) 110 5.2 前景與展望 112 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) . 113 致謝致謝 . 119 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文 . 120 江 蘇 大 學(xué) 專 業(yè) 碩 士 學(xué) 位 論 文 1 第第1章章 緒論緒論 1.1 課題的研究背景課題的研究背景與意義與意義 汽車節(jié)能、安全、環(huán)保是汽車工程研究領(lǐng)域的三大主題。隨著我國汽車產(chǎn)量 的不斷增加，一方面汽車耗油總量逐年攀升，同時(shí)油價(jià)也不斷上漲，怎樣最大限 度地減少材料用量與尾氣排放，是汽車行業(yè)面臨極為重要的挑戰(zhàn)1；另一方面交 通事故發(fā)生的總量也隨之增加，汽車碰撞安全問題日益嚴(yán)峻2-4 。 據(jù)公安部交通管理局統(tǒng)計(jì)，截至 2014 年 11 月 27 日，我國汽車駕駛?cè)?2.44 億人，駕駛?cè)藬?shù)量位居世界第一，汽車數(shù)量僅次于美國居第二位5。在汽車化浪 潮不斷推進(jìn)的背景下，不少城市機(jī)動車“高增長，高擁有，高使用，高密度”特 征顯著，一些地方出現(xiàn)大范圍交通擁堵，大面積、長時(shí)間重度霧霾，給環(huán)境和出 行安全帶來了重大的壓力，汽車安全與汽車環(huán)保面臨重大的挑戰(zhàn)。美國機(jī)動車工 程師學(xué)會(SAE)發(fā)布的一則名為“Environment leads SAE survey result”6調(diào)查報(bào) 告，其中有一項(xiàng)調(diào)查是:“你認(rèn)為消費(fèi)者最看重汽車的哪些特性？” 調(diào)查結(jié)果如 圖 1.1 所示，54%的人認(rèn)為汽車油耗效率最佳和汽車最環(huán)保最為重要，41%的人 認(rèn)為提高汽車安全性能最為重要。由此可見，汽車環(huán)保、降低油耗和提高汽車碰 撞安全已成為汽車行業(yè)研究的核心內(nèi)容。 因?yàn)闇p輕汽車重量實(shí)現(xiàn)輕量化是降低油 耗與排放污染的最為有效的途徑1；而通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)改善汽車的碰撞吸能特 性是提高碰撞安全性的關(guān)鍵。 所以汽車輕量化與提高碰撞安全性具有舉足輕重的 意義，可以有效減少尾氣排放改善空氣質(zhì)量，降低汽車耗油量實(shí)現(xiàn)節(jié)能，改善碰 撞安全，降低汽車對乘員生命財(cái)產(chǎn)安全的威脅。 在汽車輕量化方面，汽車車身主要由鈑金件組成，其形狀復(fù)雜多變且零部件 眾多，是汽車整車的核心部件。車身質(zhì)量占到了整車質(zhì)量的 35%-40%左右，在 空載狀態(tài)下，有大約 70%的油耗消耗在車身質(zhì)量上，因此，車身輕量化是汽車輕 量化的關(guān)鍵之一，也是當(dāng)前研究院與企業(yè)研究的熱點(diǎn)之一7-10。 在碰撞安全方面，由于交通道路狀況的不同，導(dǎo)致車輛發(fā)生碰撞事故的形式 也多種多樣，主要有正碰、側(cè)碰、偏置碰、后碰及側(cè)翻等。我國汽車道路的特點(diǎn) 是交叉路口多， 紅綠燈設(shè)施還不夠完善11， 發(fā)生側(cè)面碰撞事故的可能性大大增加， 基于多目標(biāo)穩(wěn)健性優(yōu)化方法的 SUV 車身輕量化設(shè)計(jì) 2 根據(jù)安全部調(diào)查側(cè)面碰撞事故占各類碰撞事故總數(shù)的 30%左右， 在造成死亡等重 大事故中，側(cè)碰事故約占 35%，致死率僅次于正碰事故，其致傷率高達(dá) 64.5%， 居第 1 位12-14。 因此在汽車碰撞安全性設(shè)計(jì)過程中對側(cè)面碰撞安全性進(jìn)行研究具 有重要意義。 圖 1.1 SAE 關(guān)于消費(fèi)者最關(guān)心的汽車性能的調(diào)查報(bào)告 Fig. 1.1 The report about “which vehicle attribute are most important to consumes” from SAE 1.2 汽車汽車車身車身輕量化輕量化設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)研究現(xiàn)狀研究現(xiàn)狀 近年來，隨著空氣質(zhì)量指數(shù)(如 PM2.5 濃度)日益受到社會的關(guān)注，汽車尾氣 排放被認(rèn)為是 PM2.5 污染的主要來源之一，再加上石油資源枯竭和燃油價(jià)格不 斷上漲，汽車車身輕量化是降低尾氣排放、節(jié)約燃油消耗的有效途徑之一。 汽車車身輕量化目的是在保證汽車各項(xiàng)性能不超過法規(guī)與企業(yè)要求的前提 下，盡可能的減輕車身的總質(zhì)量，從而降低燃油消耗、減輕尾氣排放污染，改善 汽車行駛與制動特性，還要盡量控制汽車制造成本。實(shí)現(xiàn)車身輕量化主要有三種 方式：應(yīng)用高新輕質(zhì)材料實(shí)現(xiàn)輕量化、應(yīng)用先進(jìn)的加工制造工藝實(shí)現(xiàn)輕量化和應(yīng) 用結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)輕量化。 1.2.1 使用使用高新輕質(zhì)材料高新輕質(zhì)材料實(shí)現(xiàn)輕量化的研究實(shí)現(xiàn)輕量化的研究現(xiàn)狀現(xiàn)狀 近年來高新輕質(zhì)材料在汽車中的應(yīng)用越來越多，如高強(qiáng)度鋼、鋁合金、鎂合 金、 高強(qiáng)度塑料及復(fù)合材料等15。 例如塑料件在車身上的使用逐年增加，一般車 型已達(dá)到整車質(zhì)量的 10%，如“奧迪 100”轎車車身采用的塑料件有 2000 之 江 蘇 大 學(xué) 專 業(yè) 碩 士 學(xué) 位 論 文 3 多，約占整車質(zhì)量的 12%。國內(nèi)外很多專家和組織對輕量化車身材料也做了很 多研究。1994-1999 年，國際鋼鐵多次組織全球開展高輕鋼車身輕量化項(xiàng)目，在 車身制造中多采用高強(qiáng)度鋼材，采用新型的加工工藝。在 1994 年制造的車身平 均制造質(zhì)量下降了 25%，同時(shí)提高了彎扭剛度，一階模態(tài)性能16。1999 年奧迪 公司開發(fā)奧迪 A8 車型時(shí)采用了全鋁空間框架17， 緊接著捷豹 XJ8 采用了全鋁制 車身18；2010 年東風(fēng)汽車、長安汽車等先后在汽車車身上使用了鎂合金，如制 作車門框架等19-20；但由于鎂合金價(jià)格高昂，適用范圍比較局限的原因，鎂合金 暫時(shí)使用還比較少。2011 年奇瑞汽車在車身上使用了接近 50%的高強(qiáng)度鋼板， 在 B 柱等關(guān)鍵部位使用高強(qiáng)度的復(fù)合材料，實(shí)現(xiàn)了車身減重 18%21。 盡管高新輕質(zhì)材料在汽車中的應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)較好的輕量化要求， 在汽車中高 檔轎車、豪華車中應(yīng)用越來越廣，尤其是鋁合金和高強(qiáng)度鋼的使用。但使得制造 成本也成倍增加，對于中低檔轎車、SUV(Sports Utility Vehicle)、MPV (Multi-Purpose Vehicle)并不適用，大部分中低端汽車車身仍以 DC 系列的低碳鋼 為主。 1.2.2 應(yīng)用先進(jìn)加工制造工藝實(shí)現(xiàn)輕量化的研究現(xiàn)狀應(yīng)用先進(jìn)加工制造工藝實(shí)現(xiàn)輕量化的研究現(xiàn)狀 使用新型材料和結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法來實(shí)現(xiàn)車身的輕量化，雖然效果很明顯，但是 實(shí)現(xiàn)起來還是有一定的難度的。因?yàn)楹芏嘈滦筒牧系目珊感?、制造性都比較差， 結(jié)構(gòu)優(yōu)化之后的零件也會比較復(fù)雜或者是成型比較困難， 因此需要使用先進(jìn)的加 工工藝以來解決兩者之間的矛盾，使輕量化車身成為可能。先進(jìn)的制造工藝，如 激光焊接技術(shù)、 變截面成形技術(shù)以及液壓成形技術(shù)在實(shí)現(xiàn)車身輕量化上得到了廣 泛的應(yīng)用22-29。 變截面成形板主要是借助于柔性軋制技術(shù)實(shí)現(xiàn)軋制，控制軋制力不斷的變 化，實(shí)現(xiàn)其形狀連續(xù)變化，比同等質(zhì)量普通的拼接焊板的性能要好，因此可以降 低板料質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)車身輕量化。一般液壓成形技術(shù)加工的板件質(zhì)量要比普通的沖 壓件小 7.3% 15，這種技術(shù)主要用于 A 柱、B 柱、頂蓋橫梁、門檻梁等部位。激 光焊接最為重要的應(yīng)用就是代替了傳統(tǒng)的點(diǎn)焊連接，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)焊接，避免了點(diǎn) 焊焊接引起的應(yīng)力集中，載荷分布不均等問題，從而為車身輕量化提供了空間。 可見激光焊接、 變截面成形、 液壓成形技術(shù)的使用能顯著減輕車身結(jié)構(gòu)質(zhì)量。 結(jié)合高新輕質(zhì)材料的使用，這些先進(jìn)加工制造技術(shù)逐步在汽車制造中投入使用。 基于多目標(biāo)穩(wěn)健性優(yōu)化方法的 SUV 車身輕量化設(shè)計(jì) 4 1.2.3 應(yīng)用結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)輕量化應(yīng)用結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)輕量化 隨著計(jì)算機(jī)輔助工程（Computer Aided Engineering ,CAE）技術(shù)的蓬勃發(fā)展， 有限元法已經(jīng)貫穿于整個(gè)汽車結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中。 以有限元仿真指導(dǎo)汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 可以提前發(fā)現(xiàn)問題，節(jié)約開發(fā)成本。 但在早期的車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，還主要是依靠工程師的經(jīng)驗(yàn)來指導(dǎo)設(shè)計(jì)，制定 初始方案，利用有限元方法驗(yàn)證，然后再進(jìn)行修改方案，再分析，如此反復(fù)直至 得到較優(yōu)的解；此時(shí)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)輕量化也只能是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)提出減重方案，然后驗(yàn) 證減重方案是否可行，如此循環(huán)直到得到比較滿意的方案。通過這種方式得到的 設(shè)計(jì)方案一般而言，并不是最優(yōu)方案，而且設(shè)計(jì)周期十分漫長。隨著計(jì)算機(jī)輔助 優(yōu)化(Computer Aided Optimization， CAO)的發(fā)展， 如 SOFY、 Hyperstudy、 Optistruct 等商業(yè)軟件的出現(xiàn)，CAE/CAO 的結(jié)合實(shí)現(xiàn)了分析與優(yōu)化的集成，從嚴(yán)格意義上 而言，這時(shí)才真正實(shí)現(xiàn)了仿真優(yōu)化驅(qū)動設(shè)計(jì)的目的。這時(shí)車身輕量化設(shè)計(jì)迅速得 到了廣泛的發(fā)展，國內(nèi)外學(xué)者對車身及其零部件的輕量化也做了廣泛的研究： J.k.shin 等結(jié)合尺寸優(yōu)化與拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了車門的輕量化30。張代勝、 張林濤與譚繼錦對某國產(chǎn)全承載式客車車身，利用靈敏度進(jìn)行變量的篩選，最后 利用篩選后的變量進(jìn)行輕量化結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，在保證剛度變化最小，滿足規(guī)定強(qiáng) 度的條件下，達(dá)到了車身骨架質(zhì)量減輕的目標(biāo)31。葉輝、胡平與申國哲32結(jié)合 靈敏度分析篩選變量，以車身輕量化為目標(biāo)，汽車側(cè)面碰撞安全性為約束條件， 最終車身質(zhì)量減輕了 14.8kg。 Marklund 與 Nilssion33以近似模型代替汽車側(cè)面碰 撞有限元分析模型，并基于該近似模型對 B 柱進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)，使其質(zhì)量減 輕 25%。湖北汽車工業(yè)學(xué)院郝琪與楊林松34對某轎車白車身扭轉(zhuǎn)剛度進(jìn)行了計(jì) 算，用全因子試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法采集樣本點(diǎn)，采用響應(yīng)面法對樣本點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和 殘差分析，以質(zhì)量最小為優(yōu)化目標(biāo)，以扭轉(zhuǎn)剛度滿足標(biāo)準(zhǔn)為約束條件，最終提高 車門剛度。 汽車輕量化實(shí)際本質(zhì)上是一個(gè)多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)的問題， 也就是說車身輕量化 不是單純的一味減輕質(zhì)量， 車身在輕量化過程中需要同時(shí)考慮車身很多方面性能 35，例如在進(jìn)行車身輕量化設(shè)計(jì)的同時(shí)，必須考慮包括剛度、NVH(噪聲、振動 和不平順性，Noise Vibration and Harshness)性能、強(qiáng)度、可靠性、碰撞安全性、 疲勞等多方面的性能。在早期的輕量化中，受到計(jì)算技術(shù)和實(shí)驗(yàn)條件的限制，往 江 蘇 大 學(xué) 專 業(yè) 碩 士 學(xué) 位 論 文 5 往只考慮輕量化對某一項(xiàng)或某幾項(xiàng)的性能的影響， 當(dāng)完成輕量化以后再對其他性 能進(jìn)行驗(yàn)證。20 世紀(jì) 70 年代，L.A.Schmit36等在結(jié)構(gòu)優(yōu)化中首次提及近似模型 的概念， 近似模型就是利用數(shù)值擬合的方法構(gòu)建的輸出響應(yīng)關(guān)于輸入變量函數(shù)關(guān) 系的數(shù)學(xué)模型。利用近似模型代替有限元模型參與優(yōu)化大大加快了尋優(yōu)速度，推 動著輕量化設(shè)計(jì)由單目標(biāo)優(yōu)化逐漸向多目標(biāo)優(yōu)化發(fā)展。 綜上而言，當(dāng)前汽車車身輕量化的發(fā)展方向主要是：基于多目標(biāo)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化 的輕量化、高新輕質(zhì)材料的應(yīng)用與先進(jìn)加工制造技術(shù)結(jié)合的輕量化。 1.3 多目標(biāo)多目標(biāo)確定性確定性優(yōu)化優(yōu)化與與車身車身輕量化輕量化研究現(xiàn)狀研究現(xiàn)狀 隨著計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的不斷發(fā)展，加上近似模型在結(jié)構(gòu)優(yōu)化中的廣泛應(yīng)用， 在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面，汽車結(jié)構(gòu)的尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化和連續(xù)體拓?fù)鋬?yōu)化已逐步 發(fā)展成熟，并逐步向汽車結(jié)構(gòu)的多目標(biāo)優(yōu)化方向發(fā)展15。 多目標(biāo)優(yōu)化的產(chǎn)生則比較早，公認(rèn)的是在 1896 年由 Pareto 提出的，主要用 于解決多目標(biāo)之間矛盾如何協(xié)調(diào)提高各個(gè)目標(biāo)的綜合性能， 以總體系統(tǒng)為研究對 象，分析與綜合各個(gè)子系統(tǒng)之間的耦合交叉問題，在各個(gè)子系統(tǒng)目標(biāo)與系統(tǒng)目標(biāo) 之間加以折中與協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)各個(gè)目標(biāo)都達(dá)到最優(yōu)的問題。 針對多目標(biāo)優(yōu)化問題，近年來國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了一定的研究。目前較多的 應(yīng)用在飛行器系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)、 車身結(jié)構(gòu)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)、 底盤系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面： 2001 年 RJ.Yang 等37指出以往由于缺乏計(jì)算機(jī)硬件的支持一個(gè)整車系統(tǒng)的 多目標(biāo)優(yōu)化問題難以進(jìn)行分析，隨著計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展，加上近似模型的使用， 這樣的多目標(biāo)優(yōu)化問題完全能夠在高性能的計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)優(yōu)化。 2003 年 K.P.lam38等人利用有限元分析對 VN127 的儀表板支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了 NVH 性能與耐撞性的多目標(biāo)性能研究，探討了低碳鋼、鋁合金以及鎂鋁合金三 種不同材料對儀表板支架強(qiáng)度的影響，為汽車車身輕量化進(jìn)展提供了理論參考。 2005 年朱平39等以轎車的正面碰撞性能與車身覆蓋件的質(zhì)量為目標(biāo)，分別 采用高強(qiáng)度鋼和鋁合金材料進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化研究，分別使得車身質(zhì)量減輕 9.31kg 和 53.1kg。 2006 年 Rain-Rohan40等人在降低車身質(zhì)量的同時(shí)，提升了某客車側(cè)圍組件 的正面碰撞和偏置碰撞性能。 基于多目標(biāo)穩(wěn)健性優(yōu)化方法的 SUV 車身輕量化設(shè)計(jì) 6 2007 年天津大學(xué)崔新濤，以車門側(cè)面擠壓碰撞強(qiáng)度、剛度、固有頻率以及 結(jié)構(gòu)質(zhì)量為設(shè)計(jì)目標(biāo)，進(jìn)行汽車車門的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)，在僅增加 14.3$(約 7%) 的材料成本的條件下達(dá)到了減重 30.9kg 的成果41。 2008年Fabian Duddeck42指出以NVH性能和碰撞安全性能為多目標(biāo)的車身 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是當(dāng)時(shí)的一個(gè)研究熱點(diǎn)，然后利用響應(yīng)面近似模型，采用模擬退火和遺 傳算法對車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行了多目標(biāo)的輕量化研究。 2009 年張勇、李光耀等43采用 D-最優(yōu)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法采樣構(gòu)建了近似模型用 于整車輕量化中，以汽車前部結(jié)構(gòu)的材料和厚度為變量，以整車質(zhì)量和 B 柱加 速度為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了整車的輕量化。 2010 年胡朝輝以將車長、車高、車寬及板料厚度為變量，采用最優(yōu)拉丁超 立方試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法采樣，以移動最小二乘響應(yīng)面方法構(gòu)建 NVH、剛度及質(zhì)量的 近似模型44，以 NSGA-遺傳算法進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化，在滿足各項(xiàng)性能目標(biāo)要 求的條件下，實(shí)現(xiàn)了車身結(jié)構(gòu)的輕量化。譚耀武等基于有限元分析發(fā)現(xiàn) B 柱腰 線等位置侵入量、侵入速度過大，在考慮耐撞性與輕量化的多目標(biāo)優(yōu)化下實(shí)現(xiàn)了 B 柱最大侵入量減小 10%， 腰線處侵入量和侵入速度分別減小了 18% 和 12%， 質(zhì)量減小了 18%的結(jié)果45。 2011 年湖南大學(xué)顏廷雷46對白車身有限元模型進(jìn)行靜態(tài)性能仿真分析和疲 勞強(qiáng)度分析，最后通過遺傳算法對采用響應(yīng)面法建立的質(zhì)量和模態(tài)的多目標(biāo)數(shù) 學(xué)模型進(jìn)行優(yōu)化，改善了車身的整體性能。任鵬飛47對保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的 RCAR 正 面 40%碰撞進(jìn)行了分析，以材料、板料厚度為變量，碰撞性能和輕量化為目標(biāo)進(jìn) 行了多目標(biāo)的輕量化設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)了在保證碰撞性能的條件下，保險(xiǎn)杠質(zhì)量下 降了 1.61%。 2012 年 Jovan Obradovic48等研究了正碰過程中復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì) 和耐撞性分析。在了解了復(fù)合材料特性后，使用落錘試驗(yàn)機(jī)對實(shí)物進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)動 態(tài)測試，驗(yàn)證了分析結(jié)果的可靠性。泛亞汽車中心的史國宏與陳勇利用 SFE-Concept 軟件建立了隱式全參數(shù)化的白車身模型，以白車身形狀、尺寸、位 置及厚度參數(shù)為變量，通過涉及剛度、模態(tài)、被動安全性能以及質(zhì)量的多目標(biāo)優(yōu) 12 kg4.5%化過程，最終實(shí)現(xiàn)了白車身減重，減重率達(dá)到。 2013 年 Pablo luque49等結(jié)合有限元法、多體動力學(xué)仿真及試驗(yàn)方法對底盤 江 蘇 大 學(xué) 專 業(yè) 碩 士 學(xué) 位 論 文 7 進(jìn)行了多學(xué)科優(yōu)化，考慮了懸架、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)平順性、車架扭轉(zhuǎn)和彎曲剛度和車架 總質(zhì)量，優(yōu)化后車架質(zhì)量減輕，同時(shí)扭轉(zhuǎn)剛度和彎曲剛度也得到了提高。 2014 年，周會鋒，王光耀等以上汽某 A0 級車型的白車身彎曲/扭轉(zhuǎn)剛度、 一、二階模態(tài)、車身結(jié)構(gòu)質(zhì)量等七項(xiàng)性能指標(biāo)作為車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化的設(shè)計(jì)目標(biāo)，進(jìn) 行多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)，在實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，結(jié)合結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了 車身結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)50。 2015 吉林大學(xué)王登鋒， 盧放以某國產(chǎn)轎車為研究對象， 依據(jù)側(cè)碰法規(guī)及 NVH 性能要求對白車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)；根據(jù)側(cè)碰及 NVH 仿真結(jié)果，選取白車 身關(guān)鍵零件的板厚及材料為變量，以白車身質(zhì)量和剛度為目標(biāo)，以側(cè)碰加速度及 侵入量為約束條件， 建立了白車身剛度徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)近似模型及側(cè)碰二階 響應(yīng)面模型， 利用模擬退火算法進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化， 在保證了車輛的安全及 NVH 性能的前提下使白車身質(zhì)量下降了 15.7kg51。 綜上所述， 近年來國內(nèi)外學(xué)者與企業(yè)研究機(jī)構(gòu)對多目標(biāo)優(yōu)化進(jìn)行了深入的研 究， 從只考慮剛度、 強(qiáng)度或者碰撞安全性等單方面的作用到多個(gè)方面的耦合作用， 從單一目標(biāo)到多目標(biāo)發(fā)展， 從只考慮材料與厚度等一類變量到考慮板厚與材料以 及幾何形狀等多種變量的共同作用，多目標(biāo)優(yōu)化正逐步向集成化、系統(tǒng)化、多材 料一體化方向發(fā)展。但上述多目標(biāo)優(yōu)化過程中都忽略了如材料參數(shù)不確定性、加 工精度引起的板料厚度不確定性、尺寸不確定性等不確定性因素的影響，有可能 導(dǎo)致優(yōu)化后的設(shè)計(jì)處在設(shè)計(jì)約束的邊緣，導(dǎo)致穩(wěn)健性較差，受不確定因素的影響 很大，一點(diǎn)微小的參數(shù)變動可能導(dǎo)致設(shè)計(jì)性能急速下降，這不符合優(yōu)化設(shè)計(jì)最終 的目標(biāo)。因此，為使得優(yōu)化后的結(jié)果既要滿足穩(wěn)健性的要求，又要實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)優(yōu) 化要求，必須進(jìn)行多目標(biāo)穩(wěn)健性的優(yōu)化設(shè)計(jì)。 1.4 穩(wěn)健性優(yōu)化穩(wěn)健性優(yōu)化與車身輕量化與車身輕量化研究現(xiàn)狀研究現(xiàn)狀 現(xiàn)實(shí)世界的工程問題必然受到不確定因素的影響，如負(fù)載條件、材料特性、 制造加工精度、幾何尺寸等，這些因素往往難以控制。在汽車設(shè)計(jì)中，一般采用 安全系數(shù)的方式避免這些不確定因素對設(shè)計(jì)性能的影響， 但是這種方式很有可能 導(dǎo)致過度設(shè)計(jì)或者無法評估不確定因素的影響。在 20 世紀(jì)中期，田口玄一首次 提出田口穩(wěn)健性性設(shè)計(jì)(以下稱田口設(shè)計(jì))，設(shè)計(jì)的主要原則就是通過合理選擇設(shè) 基于多目標(biāo)穩(wěn)健性優(yōu)化方法的 SUV 車身輕量化設(shè)計(jì) 8 計(jì)變量，盡可能降低設(shè)計(jì)變量對目標(biāo)的影響。田口設(shè)計(jì)要求對初始設(shè)計(jì)空間有大 致的了解，田口設(shè)計(jì)是以信噪比來衡量穩(wěn)健性的，在多目標(biāo)響應(yīng)下用信噪比衡量 穩(wěn)健性的評價(jià)指標(biāo)還存在較大的爭議52。20 世紀(jì) 90 年代摩托羅拉公司提出了 6Sigma(其中 Sigma 代表標(biāo)準(zhǔn)差 )穩(wěn)健性設(shè)計(jì)方法(又叫 6Sigma 質(zhì)量設(shè)計(jì))， 它是 以 6Sigma 水平來評價(jià)穩(wěn)健性的，具體的評價(jià)方式在本文的第四章詳細(xì)敘述。最 初的 6Sigma 主要用于電子行業(yè)的質(zhì)量管理上，后來逐漸在機(jī)械、汽車、航空等 制造行業(yè)流行。由于穩(wěn)健性設(shè)計(jì)基于隨機(jī)性理論，需要多次隨機(jī)抽樣對產(chǎn)品質(zhì)量 進(jìn)行檢查， 在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的同時(shí)， 還需要進(jìn)行質(zhì)量檢查， 這種嵌套的迭代計(jì)算， 即使利用 CAE 技術(shù)進(jìn)行模擬，仍然需要十分巨大的計(jì)算量，因此在近似模型技 術(shù)出現(xiàn)之前，受到計(jì)算量的限制很少在優(yōu)化設(shè)計(jì)中使用。但是近年來，計(jì)算機(jī)硬 件設(shè)備的發(fā)展與數(shù)學(xué)近似模型的出現(xiàn)，不僅帶動著多目標(biāo)確定性優(yōu)化設(shè)計(jì)(不考 慮不確定因素影響的優(yōu)化設(shè)計(jì))的發(fā)展，穩(wěn)健性設(shè)計(jì)也已逐步應(yīng)用到了汽車結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)中。 福特汽車 P.N.Koch53詳細(xì)介紹了穩(wěn)健性設(shè)計(jì)的起源與發(fā)展，并以整車的輕 量化為目標(biāo)，汽車側(cè)面碰撞性能要求為約束，驗(yàn)證了穩(wěn)健性設(shè)計(jì)在汽車結(jié)構(gòu)輕量 化中的應(yīng)用。J.Hilmann54等結(jié)合 SFE-Concept、Hypermesh、Matlab、Radioss 等 商業(yè)軟件， 以全隱式參數(shù)化的保險(xiǎn)杠系統(tǒng)為研究對象， 以幾何與材料參數(shù)為變量， 輕量化為目標(biāo)，正面碰撞要求為約束條件，用基因遺傳算法(GA)、蒙特卡洛抽樣 分析為手段進(jìn)行了穩(wěn)健性優(yōu)化，在滿足穩(wěn)健性的基礎(chǔ)上使得保險(xiǎn)杠系統(tǒng)減重 30%，文后指出未來的穩(wěn)健性設(shè)計(jì)研究要向多目標(biāo)優(yōu)化方向發(fā)展。湖南大學(xué)黃石 華等綜合響應(yīng)面法、試驗(yàn)設(shè)計(jì)、蒙特卡洛等技術(shù)，以車門質(zhì)量為目標(biāo)，車門一階 模態(tài)、下垂剛度和扭轉(zhuǎn)剛度為約束條件，對車門進(jìn)行了 6Sigma 穩(wěn)健性的輕量化 設(shè)計(jì)，在提高穩(wěn)健性的同時(shí)車門質(zhì)量減輕 1.39kg55。高偉釗等56對泡沫填充薄 壁結(jié)構(gòu)的耐撞性， 以比吸能(SEA， 內(nèi)能與質(zhì)量的比值)最大為目標(biāo)， 進(jìn)行了 6Sigma 穩(wěn)健性優(yōu)化，使得比吸能上升的同時(shí)穩(wěn)健性達(dá)到了 6 水平以上。Aspenberg D,Jergeus J,Nilsson L57等以車身輕量化為目標(biāo)，碰撞安全性的穩(wěn)健性為約束條 件，進(jìn)行了穩(wěn)健性優(yōu)化。吉利汽車張繼游等58，以車身輕量化為目標(biāo)，側(cè)面碰撞 的侵入量與侵入速度為約束條件對整車側(cè)面碰撞進(jìn)行了穩(wěn)健性優(yōu)化， 在保證碰撞 性能達(dá)到 3 水平的條件下，車身減重 10.37%，減輕 4.6kg。 江 蘇 大 學(xué) 專 業(yè) 碩 士 學(xué) 位 論 文 9 以上的文獻(xiàn)中雖然都考慮了不確定性因素的影響，以輕量化為目標(biāo)，但本質(zhì) 上而言，他們只解決了單目標(biāo)穩(wěn)健性優(yōu)化在汽車輕量化中的應(yīng)用，然而汽車輕量 化本質(zhì)上是一個(gè)多目標(biāo)的優(yōu)化問題， 因此研究如何將多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法與穩(wěn)健 性優(yōu)化思想同時(shí)應(yīng)用到汽車輕量化中具有十分重要的意義。 本文順應(yīng)當(dāng)前節(jié)能、安全、環(huán)保的時(shí)代背景，結(jié)合當(dāng)前國內(nèi)外學(xué)者在穩(wěn)健性 優(yōu)化設(shè)計(jì)、多目標(biāo)確定性優(yōu)化設(shè)計(jì)和車身輕量化方面的研究成果，進(jìn)行基于多目 標(biāo)穩(wěn)健性優(yōu)化方法的汽車輕量化設(shè)計(jì)與側(cè)面碰撞安全性研究， 力圖實(shí)現(xiàn)汽車車身 輕量化，同時(shí)提高側(cè)面碰撞安全性能，保證車門模態(tài)性能、車門剛度性能，并提 高它們的穩(wěn)健性，為企業(yè)新車型的研發(fā)設(shè)計(jì)提供有益的指導(dǎo)。 1.5 本課題研究本課題研究的的主要內(nèi)容主要內(nèi)容 本文以某車輛研發(fā)公司的一款新 SUV 車型為研究對象，以實(shí)現(xiàn)車身輕量化 與提高汽車側(cè)面安全性能為最終目標(biāo)，同時(shí)保證車門模態(tài)性能、車門剛度性能滿 足要求， 結(jié)合有限元分析技術(shù)、 靈敏度分析理論、 試驗(yàn)設(shè)計(jì)技術(shù)、 近似模型技術(shù)、 多目標(biāo)遺傳算法理論、蒙特卡洛抽樣分析技術(shù)、6sigma 穩(wěn)健性優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)對 整車進(jìn)行了多目標(biāo)的穩(wěn)健性優(yōu)化研究，具體的研究內(nèi)容如下： 第一章：緒論。概述了當(dāng)前的汽車工業(yè)方面的研究背景及當(dāng)前對車身輕量化 與汽車側(cè)面碰撞安全性能研究的意義，概述了車身輕量化、多目標(biāo)確定性優(yōu)化及 穩(wěn)健性優(yōu)化的研究現(xiàn)狀， 并闡述了目前研究存在的問題及本課題研究的主要內(nèi)容 及意義。 第二章：汽車側(cè)面碰撞流程自動化系統(tǒng)的開發(fā)。 針對汽車側(cè)面碰撞有限元分析的前處理時(shí)間過長，重復(fù)性工作較多、建模缺 乏規(guī)范問題，開發(fā)專門針對汽車側(cè)面碰撞分析的流程自動化系統(tǒng)，并對開發(fā)的主 要思路進(jìn)行詳細(xì)的介紹。 第三章：SUV 有限元模型的建立與有限元分析。 (1)結(jié)合汽車側(cè)面碰撞分析流程自動化系統(tǒng)工具，建立整車側(cè)面碰撞分析的 有限元模型。 (2)整車側(cè)面碰撞安全性能有限元分析。利用整車有限元模型對該 SUV 車型 的安全性進(jìn)行有限元分析，從系統(tǒng)能量、整車變形、車門與 B 柱關(guān)鍵位置測量 基于多目標(biāo)穩(wěn)健性優(yōu)化方法的 SUV 車身輕量化設(shè)計(jì) 10 點(diǎn)的侵入量與侵入速度三個(gè)方面進(jìn)行分析與評價(jià)。 (3)車門模態(tài)性能有限元分析。對前門前三階模態(tài)、中門前三階模態(tài)進(jìn)行了 詳細(xì)的有限元分析與評價(jià)；對前門與中門的剛度進(jìn)行了有限元分析與評價(jià)，為后 續(xù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供模型基礎(chǔ)。 第四章：基于多目標(biāo)穩(wěn)健性優(yōu)化方法的車身輕量化設(shè)計(jì)。 (1)提出整車多目標(biāo)穩(wěn)健性優(yōu)化的方案：針對整車側(cè)面碰撞安全性分析的仿 真時(shí)間過長， 建立子模型系統(tǒng)以代替整車模型并在子模型的邊界處施加邊界位移 條件，通過對子模型精度的驗(yàn)證保證子模型分析的精度。 (2)針對初始的設(shè)計(jì)變量過多將會增加后續(xù)優(yōu)化計(jì)算的時(shí)間的問題，利用靈 敏度分析進(jìn)行初始變量的篩選。 對多個(gè)輸出響應(yīng)利用最優(yōu)拉丁超立次方試驗(yàn)設(shè)計(jì) 方法進(jìn)行樣本的抽取。利用抽取的樣本構(gòu)建側(cè)面碰撞安全性能、車門模態(tài)性能、 車門模態(tài)性能等多個(gè)響應(yīng)的近似模型，并驗(yàn)證近似模型的精度。 (3)利用近似模型代替有限元模型，以靈敏度分析篩選出的設(shè)計(jì)變量為優(yōu)化 設(shè)計(jì)變量，以設(shè)計(jì)變量的總質(zhì)量與側(cè)面碰撞過程中吸收的總能量為目標(biāo)，車門模 態(tài)性能、車門剛度性能、侵入量與侵入速度為約束條件，分別利用 NSGA-、 NCGA、AMGA 三種多目標(biāo)遺傳算法進(jìn)行多目標(biāo)確定性優(yōu)化設(shè)計(jì)。 (4)從三種優(yōu)化設(shè)計(jì)方法得到的 Pareto 非劣解集中分別選取一組數(shù)據(jù)進(jìn)行蒙 特卡洛抽樣分析，檢查優(yōu)化解的 6Sigma 水平(穩(wěn)健性指標(biāo))。比較三種優(yōu)化設(shè)計(jì) 方法得到的 Pareto 非