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1、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,基于多目标稳健性优化方法的答辩人: 苏占龙,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,汽车工程领域安全节能环保 课题研究
2、背景及课题提出最为,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,课题研究现状及课题提出汽车结构轻量化单目标多目标,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2SUV有限元模型的建立与有,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
3、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,汽车侧面碰撞整车侧面碰撞有限元模型的建立车门静态有限元模型的,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开发平台Win
4、dows 7/,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1图1.1 侧面碰撞分析流程,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自动抽取中面工具材料与载荷数,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
5、率。,1,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,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,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,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底,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,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,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,(
6、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,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整车侧面碰撞性能分析,SUV有限元模型的建立与有
7、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车门模态性能分析前门,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车门模态性能分析车门,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
8、,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,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,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,(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,(2)中门刚度下垂工况Z向位移云
9、图 下垂工,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,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,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,侧面碰撞子模型的建立与验证基于多目标稳健性优化方法的车身轻量,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,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,3,基于
10、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,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),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
11、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,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变,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
12、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,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）,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,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响应面,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.t 1. 侧碰
13、安全性： 式中 - 与Bd j分别是门板和B柱侵入量； - Dvi与Bv j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,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,基于多目标确定性优化的车身结构轻
14、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,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,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,基于蒙特
15、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,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、NSG
16、A-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,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,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
17、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,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,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,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,稳健性优化结果与优化前对比基于多目标稳健性优化方法的车身轻量,稳健性优化结果与近似模
18、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,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,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
19、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43、稳健性优化后，车身结构设计质量减轻了6.85,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
20、-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。,由于研究时间与条件限制，需进一步完善。未来可以进一步开展的研究工作有：,4,总结与展望展望：(1)开展实验验证研究。由于研究时间与条件限,致 谢,首先， 感谢我的导师王霄教授，刘慧霞教授！ -对论文细心地指导 我的师弟师妹们给与我的帮助!-论文修改建议 感谢实习企业项目经理刘志辉工程师!-整车碰撞分析指导 感谢CAE部王雪峰部长! -学习软件二次开发，CAE指导 感谢我的家人!-温暖最后， 最需要感谢的是各位专家教授！-在百忙之中对本论文的评阅，我的论文还存在很多的不足，专家教授的宝贵意见将使我受益匪浅。,致 谢首先，,答辩人：苏占龙,专业名称：机械工程,指导教师：王霄 教授,谢谢！,答辩人：苏占龙专业名称：机械工程指导教师：王霄 教授谢谢！,
