出行设计研究:从情境创新到机器行为设计——访谈湖南大学谭浩教授

在汽车“电动化、网联化、智能化、共享化”的大背景下,汽车设计正进行着革命性的突破,致力于构想和探索未来出行的全新情景,超越传统的框架,引领行业的未来发展。在此背景下,谭浩教授探讨了工业设计如何通过人工智能、行为科学等手段进行设计创新,以及如何在国际化和学术研究中发挥作用,提出设计研究应关注用户接受度和社会责任。

纯电动汽车传动系统-电机结构参数协同设计优化

提出一种纯电动汽车传动系统与电机结构参数协同设计优化方法,来提高纯电动汽车动力性与经济性,同时降低永磁同步电机齿槽转矩以降低电机的振动噪声。首先,以电机结构参数为输入,额定转矩与齿槽转矩为输出,开展了基于电机多参数仿真和不同机器学习预测模型精度的研究,并建立永磁同步电机额定转矩和齿槽转矩的高精度机器学习预测模型;其次,利用电机基本设计参数(额定转矩、峰值转矩、额定转速、峰值转速)以及峰值效率构建永磁同步电机效率map图的快速预估数学模型;再次,基于电机齿槽转矩预测模型以及电机效率map图的快速预估数学模型,建立电机结构参数与效率特性的映射关系;最后,以电机结构参数和传动比为优化变量,整车动力性、经济性以及电机齿槽转矩为优化目标,运用遗传算法进行多目标优化。仿真结果表明,相较于优化前,优化后的整车性能0-100 km/h加速时间缩短了27.3%,15 km/h最大爬坡度提高了40.5%,WLTC工况能耗减少了1.6%,电机齿槽转矩降低了42.2%。

基于薄板承载特性的车身接头结构设计方法

接头作为白车身框架的关键结构,合理的接头设计对白车身承载能力的提升具有重要意义。本文以B柱下接头为研究对象,提出了基于薄板承载特性的车身接头通用结构设计方法。首先阐述了薄板结构的载荷类型、传力方式和承载特性,为后续的通用接头结构提供理论基础;其次通过灵敏度分析识别了接头载荷条件,用于分析接头的薄板承载特性;然后建立了T型接头薄板的设计规则,并归纳了接头通用结构设计。应用实例与试验表明:接头刚度和车身扭转刚度分别提升35%和8.5%,质量仅增加0.16%。该方法可以快速、有效地改进接头结构设计,提升车身刚度性能。

激光焊接技术在汽车制造中的应用与激光组焊单元设计

介绍了激光焊接技术在汽车车身及零部件制造中的技术特点和国内外应用现状,重点论述了激光焊接技术在汽车车身拼焊板焊接、零部件焊接和总成及分总成组焊三个方面的应用情况。为了将激光焊接技术应用于汽车车身制造中,填补国内此项技术的空白,依靠国内力量设计激光组焊单元,在布局设计、设备选型和集成调试工作完成以后,焊接某车型左前门零部件,并与点焊焊接进行对比分析,试验结果表明:激光焊接单元焊接速度明显加快、控制灵活、焊缝强度高,焊接质量显著提高。激光焊接单元的研究加速了国内汽车行业激光焊接生产单元的应用,有利于提高国产汽车的国际竞争力。

钢-铝混合驾驶室材料-结构轻量化设计

为了得到更为完善的商用车驾驶室轻量化设计,提出了钢-铝混合驾驶室材料-结构一体化轻量化方法。首先基于灵敏度分析、等刚度近似理论与等强度理论建立了性能驱动的材料选择方法,并针对钢制驾驶室初步设计了钢-铝混合材料方案。然后通过折衷规划法的拓扑优化识别了驾驶室关键传力路径,并加强了相关结构。其次考虑驾驶室零件厚度、截面尺寸设计参数,建立了驾驶室质量、刚度及模态性能的径向基函数的代理模型,并采用多目标粒子群优化方法对驾驶室进行多目标优化设计。优化结果表明,在满足驾驶室刚度、模态和碰撞性能的要求下,驾驶室质量减轻了12.8%。该方法对钢-铝混合驾驶室轻量化有实际的工程指导价值。

汽车白车身激光焊接生产线单元设计及分析

为了将激光焊接技术用于汽车白车身焊接生产线,采用自动控制技术、通信技术与激光焊接技术相结合的方法,提出了以可编程逻辑控制器为控制核心,工业计算机为辅助控制核心,实时与光纤激光器、焊接机器人通信的激光焊接生产线。并通过改变控制焊接参量,焊接某车型左前门零部件,与点焊焊接进行了分析。结果表明,激光焊接生产线焊接速度明显提高、控制灵活、焊接强度提高了70%。这为我国汽车的小型化、轻量化的发展,以及车身结构的综合力学性能的提高,提供了一种新的焊接生产线技术。

概念设计阶段基于混合元模型的纯电动铝合金汽车车身轻量化优化设计

在汽车车身概念设计阶段,针对轻量化设计及优化白车身刚度问题,建立了某款纯电动铝合金汽车车身骨架基于真实接头的简化力学模型。运用灵敏度分析筛选出灵敏度较大部件,然后利用元模型的优化方法(hybrid and adaptive meta-modeling method,HAM)对灵敏度较大部件进行截面厚度优化,使优化目标车身质量得到了降低,同时改善了车身的模态和刚度,根据研究的数据制造了电动车车身。

汽车覆盖件抗凹性实验评估及测量装置设计

对汽车覆盖件抗凹性的评估指标和实验方法进行了介绍,并综合运用机械装置和Lab VIEW程序,设计出一套抗凹性测量装置。该装置简单、实用,可供机械设计师参考。

汽车车身耐撞性设计参数的区间稳健性优化

基于区间分析,提出了一种考虑公差的汽车车身耐撞性稳健优化设计模型,可在有效降低耐撞性能对设计参数波动敏感性的同时实现公差范围的最大化。该模型首先利用对称公差来描述汽车碰撞模型中车身关键耐撞部件的主要尺寸、位置和形状等设计参数本身的不确定性,然后将参数设计和公差设计相结合,建立了以稳健性评价指标和公差评价指标为优化目标,设计变量名义值和公差同步优化的多目标优化模型。再次,利用区间可能度处理不确定约束,将该优化模型转换为确定性多目标优化模型。最后,将该模型应用于两个汽车耐撞性优化设计问题,并通过序列二次规划法和改进的非支配排序遗传算法进行求解,结果表明该方法及稳健优化设计模型可行且实用。

基于ADAMS的汽车主动悬架虚拟实验台的设计

基于ADAMS/View建立了1/4汽车麦弗逊悬架模型,并运用ADAMS/Hydraulic模块,建立了主动悬架的液压伺服系统,设计了汽车主动悬架虚拟实验台。以阶跃输入、模拟路面输入和随机路面输入作为激励,对比分析了汽车主动悬架系统在理想控制力和液压伺服作用力作用下采用PID控制器的控制效果,以验证汽车主动悬架虚拟实验台的有效性。仿真结果表明,基于ADMAS的汽车主动悬架虚拟实验台,其跟随理想控制力的能力较强;与被动悬架比较,其车身的垂直加速度、悬架变形和车轮动载荷都明显降低,控制效果好。

汽车车身耐撞框架结构设计研究

为求解车身耐撞框架结构非线性耐撞拓扑优化问题,提出了基于能量控制混合元胞自动机的拓扑优化方法。首先运用LS-DYNA显式有限元算法,以混合元胞自动机作为优化计算模型,根据比例局部控制规律确定设计变量中的局部改变,同时在拓扑结构中划分柔性区域和刚性区域并赋予其不同的设计尺寸和质量分数约束,增加能量控制约束及最优约束条件选取。然后通过单工况和多工况连续体拓扑优化说明该方法的可行性和准确性。最后,将方法用于汽车前保险横梁的设计,耐撞性能得到明显提高,说明该方法具有很好的工程实用价值。

先进高强度钢车身零件局部几何特征设计意图及其图示方法

在分析先进高强度钢车身零件局部几何特征设计意图的基础上,提出并举例说明了零件局部几何特征设计意图的图示方法,讨论了该方法在零件冲压工艺设计中的应用。采用这种表达方法,冲压工艺分析人员根据车身零件设计人员提供的设计意图可针对性地提出几何设计变更,改善零件的可制造性;车身零件设计部门根据冲压工艺分析部门提供的设计意图,优化零件设计。该方法的完善和推广,有望降低车身零件制造难度,缩短车身零件设计与制造周期。

基于同步工程的汽车车身设计流程分析

在研究汽车车身设计方法和常用设计流程的基础上,提出了车身设计过程中,车身结构设计和仿真计算两大技术主线,建立车身设计的同步流程。最后,将其运用在某款微车产品上,具有一定参考价值。

流-热-力耦合的高性能结构拓扑优化设计方法

拓扑优化和增材制造技术的快速发展为高性能复杂装备提供了高效的产品设计和制造方法。目前高性能结构拓扑优化只考虑热-力耦合或者流-热耦合的设计,且大多局限于简单结构,未考虑流-热-力三场共同作用下的设计,限制了结构性能的提升。针对流-热-力多物理场工况下的高性能复杂结构设计这一挑战,提出了一种流-热-力耦合拓扑优化方法,以提高复杂结构的承温能力。首先引入流场、温度场和结构位移场的控制方程,对计算域的流固材料进行统一表征;然后以最小化平均温度为目标,以流动能量耗散和结构柔度为约束,建立了流-热-力耦合的拓扑优化模型,并结合变分法和拉格朗日函数开展了设计变量的灵敏度分析;最后将所建立的拓扑优化模型应用于涡轮的结构设计,得到了散热性能良好、流道分布合理的可增材制造结构。

汽车车身设计目标分析与控制

从整车开发的要求出发,探讨分析车身设计所应达到的设计目标。首先,论述了设计目标的影响因素。在深入分析设计规划的基础上,结合质量屋分析法,提出了设计目标分析模型。该模型充分考虑了质量的多重性,保证了每项质量需求都有相应的技术特征与其匹配。最后,将此模型应用于汽车车身设计中,结果表明,此模型最大程度地提高了顾客满意度。

汽车车身制造技术发展现状及趋势分析

车身的制造需要同时考虑技术可行性、经济性和生产周期等特定要求。产品品质、制造周期和制造成本是衡量车身制造水平的主要指标。

基于刚度链的纯电动汽车车身主断面优化设计

基于梁单元车身简化几何模型建立以主断面为节点的车身静态和动态刚度链数学模型,研究电动车车身主断面属性与刚度以及模态的关系;以车身刚度、模态为约束条件,以车身质量最小为目标函数进行多目标优化,并利用遗传算法求解,得到同时满足静态刚度和频率特性要求的电动汽车车身主断面属性参数。建立对应的车身骨架有限元模型计算刚度及模态,并与刚度链优化结果进行对比分析。对比分析结果验证了本文研究方法的合理性和有效性。

基于拓扑优化的车身接附点结构设计

对车身接附点进行了截面简化模型的拓扑优化结构优化设计研究。以某车型前排座椅安装点结构设计为例,建立车身及座椅骨架等结构的有限元仿真模型,并进行刚度及强度性能分析,确定了相关评价指标;以安装点位置的截面作为优化对象,建立了一种车身接附点的截面简化拓扑优化模型,以安装点刚度为目标,对结构进行内部加强和外部特征的两种方式的优化设计;根据拓扑优化结果,对安装点位置截面进行了重新优化设计,共解读出4种优化方案,对比各方案得出:特征方案明显优于内部加强板方案。

基于改进U-Net的白车身焊点定位研究

针对汽车白车身生产车间环境恶劣,光污染严重,视觉系统与其他装备相结合检测白车身焊点质量时难以准确定位、效率低下的问题,提出了一种改进U-Net的焊点分割算法。通过改进卷积结构更好地融合特征层语义信息,减轻网络结构;然后改进损失函数,融入注意力机制,在正负样本不均匀的情况下更好地挖掘前景,以获取不同尺度的空间特征并建立长期的通道关系。与原始的U-Net网络相比,所提RPSA-U-Net网络的Dice系数提高了8.76%,达到0.9836,MIOU提高了11.5%,达到0.9678,网络参数量减少7%。再结合图像处理方法找到焊点中心位置,效率和精度更高,具有应用价值。

薄壁梁结构的电动汽车车身刚度正向设计方法

汽车车身骨架结构由薄壁梁构成,因此将薄壁梁理论运用到车身正向开发设计中。改进文献中的车身刚度设计方法,推导了包括双力矩和翘曲函数等在内的薄壁结构的14个状态向量与15个截面属性之间的力学关系;建立了包含主断面属性的车身梁单元刚度分析模型和以车身接头为耦合点的整车刚度链力学模型。通过对比相同模型的有限元分析结果以及文献中的刚度链计算结果,验证了提出的薄壁结构车身刚度计算方法的合理性。最后,以车身弯曲和扭转刚度为约束条件,以车身质量为目标函数,运用遗传算法进行求解,得到了比对应文献更好的车身轻量化设计效果。