基于VRB/OW-GFRP混合结构的CTB电池包上盖总成轻量化设计研究

电池车身一体化(CTB)是提升电动汽车续航里程的关键技术。利用胶接工艺将变厚度(VRB)结构与正交编织玻璃纤维增强复合材料(OW-GFRP)粘接形成的VRB/OW-GFRP混合结构,是降低CTB电池包质量的创新结构,有助于进一步提升电动汽车的续航里程。以某款电动汽车为研究对象,设计了一种CTB电池车身一体化结构,实现了电池包上盖与车身地板的集成融合。分别采用VRB结构、UT/OW-GFRP及VRB/OW-GFRP混合结构替代等厚度(UT)CTB电池包上盖总成,并基于多阶段优化方法开展了3种类型CTB电池包上盖总成的轻量化设计。结果表明,在满足CTB电池包刚度性能前提下,VRB结构相比UT结构实现减质量6.4%;基于VRB/OW-GFRP混合结构的CTB电池包上盖总成轻量化效果约为金属结构的3倍,VRB/OW-GFRP相比UT/OW-GFRP混合电池包上盖总成进一步减质量4.2%。由此可见,VRB/OW-GFRP混合结构是未来汽车轻量化技术发展的重要趋势,在CTB电池包上盖总成中具有巨大的应用前景。

采用响应窗评价的薄板变形稳健性研究

针对薄板件在外力及噪声因素共同作用下出现的变形不确定及稳健性低的现状,对薄板件在各偏差源影响下的变形进行了研究。以定位元件数量、位置,外部作用力大小、面积为控制因子,装夹参数误差、外部作用力误差、材料性能误差为噪声因子,首先对随机噪声因素进行描述性随机抽样,再对控制因子进行试验设计,通过有限元模拟得到薄板件在控制参数各水平组合下的有效变形及响应窗,进而得到变形合理、稳健性高的控制策略区间。以汽车顶盖搬运过程中的变形为例,运用该控制策略,可以有效减小其在外力作用下的变形,并提高稳健性。

基于SHCA-T算法的车身骨架多工况耐撞性优化设计

为解决多变量非线性动态结构优化效率低、难以收敛等问题,提出求解车身骨架厚度优化的子区域混合元胞自动机(SHCA-T)算法以及多工况SHCA-T算法,实现车身骨架多工况耐撞性高效优化设计。该方法包括内外两层循环:外层循环主要开展碰撞仿真分析、计算输出响应,更新目标质量,实现结构质量的最小化;内层循环主要根据当前元胞及其邻胞的内能密度,按照PID控制策略调整元胞厚度,使内层循环的当前质量收敛于目标质量;最终使元胞内能密度分布尽可能逼近阶跃式目标内能密度函数。为了验证SHCA-T和多工况SHCA-T算法的精度和效率,将其用于求解侧面碰撞和侧面柱碰工况下车身骨架的厚度优化问题,并与基于伪CEI准则的并行约束EGO(EGO-PCEI)算法的优化结果进行对比。结果表明:在收敛精度相当的条件下,SHCA-T和多工况SHCA-T算法具有更高的全局搜索效率。

全参数化概念车身协同开发与快速化结构设计研究

针对汽车开发的概念设计阶段传统方法设计周期长、方案优化过程慢的问题,提出全参数化概念车身协同开发设计流程和快速化结构设计技术。建立了某公司系列车型参数化模型数据库;利用模块化建模技术,快速建立了某车型全参数化概念车身模型,并论证了该模型的计算精度满足工程实际要求。以某新车型白车身开发为例,论证了全参数化概念车身协同开发设计流程的高效性和快速化结构设计技术指导概念车身开发设计的可行性。

面向正向概念设计的车身T型接头快速优化

在车身概念设计阶段,提出了面向正向概念设计的T型接头的快速优化方法。该方法不依赖CAD模型,直接利用接头截面信息,快速建立由隐式参数驱动T型接头更新的全参数化模型,并建立了自动的T型接头多目标优化流程。以某车型B柱下接头为例,在满足强度、刚度要求的约束条件下,快速设计出以侧面碰撞性能和质量较优为目标的T型接头结构。优化结果根据冲压工艺和造型要求进行适当调整后,应用到实车中。

针对结构动态非线性优化问题的ESLM梯度优化方法

针对等效静载荷法(Equivalent static loads method,ESLM)求解大变形和多变量结构动态非线性优化问题难以收敛与效率较低的不足,结合结构静态线性优化方法与最速下降法(Steepest descent method,SDM)提出一种高效的基于梯度的等效静载荷法(Equivalent static loads method based on gradient,ESLMG),根据结构动态非线性分析计算得到基于节点位移等效的静态载荷,从而将结构动态非线性优化问题转化为以等效载荷及节点位移为输入条件的结构静态线性优化问题(内层循环);利用内层循环最优解处的梯度信息,同时结合SDM方法更新设计变量(外层循环);将更新的设计变量值作为下一次迭代内层循环的初始值,直到满足收敛条件为止。该方法在保证算法收敛性的前提下,提高了收敛速度。算例表明,该方法对于处理大变形及多变量结构动态非线性优化问题非常有效,在收敛速度方面相比ESLM方法和数值优化算法具有很大的优势。

异材异厚帽型梁结构轴向压溃理论研究

在车身耐撞性设计中,前纵梁等吸能部件广泛采用异材、异厚的帽型梁结构,而传统理论方法很难对其轴向压溃力进行准确预测。针对传统方法存在的不足,以超折叠单元(Superfolding Element,SE)理论为基础,提出通用帽型梁结构轴向压溃理论,可准确预测异材、异厚单帽及双帽薄壁梁结构的平均压溃力,并通过试验及仿真手段验证了该理论的准确性。

基于渐进空间拓扑优化技术的白车身传力路径规划方法

结合等效静态载荷的思想,提出了一种基于渐进空间拓扑优化技术的白车身传力路径规划方法,该方法引入专家系统,同时以车身造型和总布置参数为输入条件,从而使得到的拓扑优化结果尽可能满足工程实际要求。以某MPV的白车身传力路径规划为研究对象,对其进行考虑多种碰撞工况、顶压、多种刚度工况等的多学科拓扑优化方法研究,结果表明,基于渐进空间拓扑优化技术生成的车身拓扑优化结果能很好地满足工程设计要求,具有较高的工程实用价值。

单搭接结构胶接头连接效率的影响因素分析

对单搭接结构胶接头进行拉伸试验,同时建立其有限元模型进行仿真,对单搭接结构胶接头连接效率的影响因素、接头两端刚度的差异对接头连接效率的影响进行分析。结果表明:对于钢材与铝材之间的结构胶连接,随着母材材料屈服强度的增大,接头连接效率不断提高,但当母材屈服强度增加到一定值后,接头连接效率反而呈现下降的趋势;与钢材相比,接头连接效率对铝材屈服强度更为敏感。接头连接效率也随接头几何尺寸(母材厚度、接头搭接长度和搭接宽度)的增加而提高。而对于两端刚度不同的结构胶连接,接头连接效率随着其两端刚度差异的加大而降低,因此为提高接头的连接效率,应尽量选用屈服极限相近的母材。

基于COPRAS评价方法的薄壁梁拼焊板多工况耐撞性能研究

采用COPRAS评价方法,评价正撞和斜撞工况下不同材料与厚度组合薄壁梁拼焊板的综合耐撞性能。结果表明:该评价方法不仅能合理、准确、高效地评价薄壁梁拼焊板综合耐撞性能,还能对拼焊板耐撞性能的优化提供指导,具有较高的工程实用性。

正面碰撞多刚体仿真及其计算机反求方法研究

车身耐撞性能评估和优化普遍采用有限元方法,计算量大、设计周期较长。提出了一种多刚体碰撞模型的建模及计算机反求方法,基于多刚体及塑性铰理论,从对标车型的有限元模型中获取刚度、质量、惯量、坐标等参数,建立了初始多刚体碰撞模型。通过定义碰撞加速度、速度、位移曲线置信度函数,利用计算机反求技术对刚度缩放因子进行反求得到修正模型。结果表明,多刚体模型与有限元模型相比,其精度相当,但计算效率显著提高。在概念设计阶段,采用多刚体模型,结合工程优化手段,可快速解决车身刚度分配及传力路径分析等关键技术难题,实现传力路径刚度的正向设计。

微型客车与SUV之间的侧面碰撞兼容性

微型客车与运动型多用途汽车(SUV)之间发生侧面碰撞时,导致被撞车车内的乘员伤亡率很大,兼容性突出。本文以某微型客车和SUV为例,采用仿真研究方法,发现SUV与目标车微型客车之间的侧面碰撞兼容性不理想。然后利用单一变量控制原理,分别改变两车质量比﹑目标车侧围刚度以及几何结构,进行了多组仿真分析,以研究侧面碰撞兼容性的影响因素。结果表明:两车质量比对B柱腰线处的最大侵入速度的影响最大,侧围刚度对B柱侵入量的影响最大,几何结构对目标车车门最大侵入量的影响最大。

面向刚度设计的GFRP和VRB/GFRP混合层合板应变能密度分布研究

针对VRB/GFRP混合结构刚度优化设计复杂而耗时这一问题,利用有限元法分析了GFRP铺层角度和铺层数量、VRB厚度分布形式对两种层合板刚度特性及各组分应变能密度分布的影响规律。研究结果表明,应变能密度越小能表征更好的刚度性能;抗弯与抗凹工况下,采用#(0/90)铺层角度、增加GFRP铺层数量以及VRB采用0.9-1.8-0.9 mm的厚度分布形式时,VRB/GFRP层合板各组分的应变能密度分布更加均匀,从而获得更好的刚度性能。

基于隐式参数化技术的车门内饰板安全性设计

合理设计车门内饰板形状和厚度可以有效地降低乘员损伤程度,同时减少内饰板质量。将隐式参数化技术运用在车门内饰板开发过程中,建立了参数化车门子系统有限元模型,利用多目标优化算法在近似模型基础上优化扶手形状和内饰板厚度。案例表明:该方法可以成功的解决车门内饰板安全性设计和轻量化要求的多目标问题,大大缩短开发周期。

车身结构耐撞性与乘员保护虚拟仿真实验开发与实践

目前汽车碰撞虚拟仿真实验教学资源相对匮乏,亟待开发类似虚拟仿真实验项目。根据《车身结构与设计》《汽车与交通安全》《汽车性能与仿真》等课程教学和实验要求,依托江苏大学国家级车辆工程虚拟仿真实验教学中心,基于真实车辆建立高精度数字化车辆仿真模型,运用数字化车辆、数字化假人、虚拟实验室与VR等先进教学技术,开发车身结构耐撞性与乘员保护评价虚拟仿真实验项目。学生通过在自主交互的虚拟环境中开展在线仿真实验,掌握汽车碰撞实验的基本内容、仪器设备、操作流程、数据分析方法、C-NCAP,达到"以虚补实,虚实结合,深度交互,理实融合"的教学效果。该实验项目已在车辆工程、交通运输等5个专业实施,同时向国内多所高校和多家企业开放。该项目已被教育部认定为2018年度国家虚拟仿真实验教学项目。

铝合金焊接结构塑性变形及断裂失效预测方法

铝合金焊接接头力学性能不均匀加大了焊接结构变形及开裂失效预测的难度。通过特殊样件拉伸试验,结合有限元反求方法获得了铝合金焊接接头焊缝、热影响区局部材料参数,建立从细观损伤力学角度预测铝合金焊接结构变形开裂的GTN(Gurson-Tvergaard-Needlemen)损伤模型。将焊接接头按照材料性能差异进行分区,构建精细有限元模型,采用Ls-dyna软件结合GTN损伤模型对铝合金拼焊薄壁梁结构轴向压溃变形及开裂失效进行了预测,预测结果与试验吻合很好,验证了该方法的有效性。

汽车侧面碰撞虚拟仿真实验项目建设与教学实践

汽车侧面碰撞虚拟仿真实验教学资源相对匮乏,作者及所在教学团队依托江苏大学国家级车辆工程虚拟仿真实验教学中心,基于真实车辆建立高精度数字化车辆仿真模型,综合运用数字化仿真假人、虚拟仪器、虚拟仿真实验室、有限元仿真软件、三维场景与VR、人机在线交互等技术,开发了汽车侧面碰撞虚拟仿真实验项目.学生通过在线开展虚拟仿真实验,加深学生对车身结构、乘员保护装置、汽车侧面碰撞安全性评价和虚拟仿真实验原理的理解.解决了实车碰撞实验难以开展的问题,弥补了实车实验的不足,提高了实验效率,从而达到"以虚补实,虚实结合,深度交互,理实融合"的教学效果.

一种改进的约束域拉丁方抽样算法及工程应用

提出一种改进的约束域拉丁方抽样算法(ICD-LHS)。该算法分为2个阶段:第一阶段利用聚类算法获取满足约束条件的样本特征点;第二阶段通过差分进化算法优化样本点位置,得到满足约束条件的均匀分布样本点。选取3个标准测试函数,将该算法与传统抽样算法进行对比,结果表明:ICD-LHS算法具有较好的均匀性及通用性。最后,以汽车防撞梁截面形状的样本抽样为典型案例,利用ICD-LHS算法产生指定数量的、并在不规则设计区域内满足制造约束条件的防撞梁截面样本,该截面样本具有较好的均匀性,对后续的截面优化设计具有指导意义。