电动轮自卸车车架结构抗疲劳轻量化设计

针对传统经验式设计的电动轮自卸车车架结构存在刚度不足、焊缝开裂、重量冗余,以及自身固有频率与非簧载质量激励频率接近而可能发生共振等问题,开展车架结构性能多目标优化设计的研究。首先,基于变密度法和SIMP插值模型对原始车架结构进行了考虑疲劳寿命约束的多目标拓扑优化设计,得到了满足静态多工况下柔度最小和多阶低阶固有频率最大的拓扑优化结构。再次,基于Kriging近似模型的抗疲劳轻量化设计,利用非支配排序多目标遗传算法进行全局寻优,优化后的车架结构质量比原始车架结构质量减少4.24%,且车架结构在同样载荷作用下的应力分布更加均匀,车架强度、刚度、动态特性和疲劳寿命等性能均得到改善。

某混合动力汽车侧面碰撞中B柱可靠性优化设计

对某混合动力汽车侧面碰撞B柱进行可靠性优化设计。设计中,结合试验设计理论、响应面模型、可靠性优化设计,基于产品质量工程,以中国新车评价规程（C-NCAP）和美国新车评价规程（US-NCAP）的侧面碰撞试验法规为基础,结合国内外交通事故调查统计数据。选取对汽车侧面碰撞安全性有重要影响的B柱内板、外板和加强板的壁厚和内板、外板材料屈服强度为设计变量。结果表明：在满足碰撞角度在-30°～30°和碰撞速度在40～60 km/h的混合动力汽车B柱耐撞性和可靠性要求条件下,90%、95%可靠性优化设计分别使得B柱质量降低了11.86%和10.34%。

复合材料仿竹薄壁管耐撞性和可靠性研究

为提高薄壁吸能管的耐撞性,该文设计了一种复合材料仿竹薄壁管。将钢材、铝材及复合材料运用于仿竹薄壁管,利用有限元法模拟薄壁管的轴向碰撞,对比分析了三类材料薄壁管的耐撞吸能效果,得出玻璃纤维/环氧树脂基复合材料仿竹薄壁管耐撞吸能效果最佳。为进一步提高薄壁管的耐撞性和可靠性,将试验设计、响应面模型、可靠性理论和优化算法相结合,求出仿竹薄壁管的最优结构。研究表明,仿生设计、复合材料运用、可靠性理论及优化算法相结合的研究方法可提高薄壁管的耐撞性能。

基于可靠性优化设计的客车碰撞安全性

为了提高国内某量产全承载式客车在正面碰撞过程中的安全性,采用有限元法并参考该客车的材料属性要求建立其正面碰撞有限元仿真模型.提出在该客车车身前部安装八边形吸能结构,且将有限元法、试验设计、响应面法、可靠性理论和优化算法相结合,对八边形吸能结构进行可靠性优化设计,并与确定性优化设计所得结果进行对比.结果表明:在客车车身前部安装八边形吸能结构能显著提高该客车在正面碰撞过程中的安全性,且2种优化方法都能进一步提高其正碰安全性能;2种优化方法相比,可靠性优化虽然使得吸能量相对确定性优化减少4.3%,但是使得加速度减少16.05%,且可靠度提升了19.33%,故对八边形吸能结构进行可靠性优化设计能更好地满足该客车在正面碰撞过程中的安全性要求.

概念设计阶段铝合金后副车架轻量化设计

本文重点探讨了铝合金后副车架性能目标的制定与轻量化设计方法。首先采用正向设计与竞品分析相结合的方法制定了铝合金后副车架的质量、模态、静刚度与强度等目标。然后为得到后副车架的骨架并轻量化,引进ICM混合建模方法,通过对后副车架传力路径的识别,对其进行拓扑优化,去除冗余材料,得到数学模型。选择参数化副车架的12个形状变量作为多学科优化轻量化设计变量,得到满足目标要求的最优形状。轻量化后质量减小1.84 kg,约减轻了7.4%;1阶弯曲模态提高10.2 Hz,约上升了4.5%。硬点静刚度与强度的分析结果也表明了该方法快速可靠,具有良好的工程应用前景。

小口径双非球面硫系玻璃镜片精密模压成型实验研究

为实现小口径双非球面硫系玻璃镜片的精密模压成型制造,通过正交模压成型实验,研究了相关工艺参数对成型镜片质量的影响规律。首先,介绍了模压成型过程和用于实验的PFLF7-60A型多工位模压成型机床,并根据非球面曲线公式设计了目标镜片。然后,选定了一种环保型硫系玻璃IRG205,通过VFT方程拟合了玻璃粘度与温度之间的关系,确定了模压温度,并对各工位实验参数进行了设置。最后,利用无镀膜模具及球形预形体进行了正交模压成型实验,分析了实验条件下模压温度、加压载荷及保持压力等成型工艺参数对镜片成型质量(形状精度PV、表面粗糙度Ra及轮廓偏移量)的影响规律,并获得了优化的成型工艺参数。结果显示:在优化的工艺参数下,成型镜片ASP1和ASP2的PV值分别为129.2 nm和174.8 nm,Ra值分别为19.6 nm和25.6 nm,轮廓偏移量分别为0.614μm和2.682μm,基本满足镜片高精度应用的要求,为小口径双非球面硫系玻璃镜片的高精度批量制造提供了参考和依据。

小口径非球面硫系玻璃镜片的非等温热压成型仿真与实验

为提高小口径非球面硫系玻璃镜片热压成型质量,避免成型缺陷,通过热压过程的有限元分析,提出了一种新的非等温热压成型法。在上模仁和上加热板之间设置加热间隙,对上、下加热板设置不同的加热温度,以实现玻璃预形体的非等温加热。首先,根据硫系玻璃高温粘弹性本构模型和热传递模型,结合相关参数建立了镜片热压过程的有限元模型;接着,采用所建立的模型,分析了非等温温差对玻璃预形体内部的温度分布、成型镜片最大残余应力分布及轮廓偏移量的影响,以确定最佳的温差值;最后,进行了镜片的非等温热压成型实验,并将仿真和实验结果进行了对比研究,以验证仿真模型和结果的有效性。仿真与实验结果均表明,最佳的非等温温差值为10℃。该条件下,仿真获得的玻璃预形体内部温度差仅为2.6℃,成型镜片最大残余应力可减至3.375MPa,成型镜片ASP1和ASP2的轮廓偏移量最大值分别为0.562μm和0.615μm;实验获得的成型镜片ASP1和ASP2的PV值分别为118.2、194.0nm,Ra值分别为17.0、37.8nm,轮廓偏移量最大值分别为0.583、0.644μm,均满足精度要求。仿真与实验结果具有较好的一致性,采用合理的温差值进行镜片的非等温热压成型,可有效降低玻璃预形体内部温度差及成型镜片最大残余应力,避免粘连、气泡等成型缺陷,提高成型镜片的精度。

车辆碰撞中乘员骨盆力学响应特性的研究

本文旨在研究车辆碰撞中乘员骨盆损伤机理和年龄对碰撞响应的影响。首先开发并验证了老年人骨盆的有限元模型。其次,对比研究了3个具有不同年龄特征的骨盆模型(老年骨盆模型、中年骨盆模型GHBMC和儿童骨盆模型CHARM-10)在材料特性、生理特征、力学响应和损伤方面的差异。结果表明:具有相似生理几何尺寸的老年骨盆模型和中年骨盆模型与儿童骨盆模型相比有较大的差异。侧面碰撞实验的结果表明,3种年龄骨盆模型中,老年骨盆模型的碰撞峰值力和受力最大时位移量都最大,而碰撞中最大位移却最小。对碰撞响应数据进行拟合的结果表明,3种年龄骨盆模型的碰撞峰值力皆随冲击能量呈指数增长,而碰撞中最大位移量则随冲击能量呈线性增长。应力云图分析结果表明,骨盆在侧向冲击下最易受伤或骨折的部位是耻骨支、骶髂关节和髋臼。

自动驾驶汽车的碰撞安全性研究综述

【目的】探讨自动驾驶汽车的安全性。【方法】首先,通过分析国内外自动驾驶汽车安全研究的现状,并对其进行梳理和总结;然后,归纳自动驾驶无法避免碰撞的原因以及分析错综复杂的车内外环境,对自动驾驶汽车碰撞安全问题的应对策略进行讨论;最后,就自动驾驶汽车碰撞安全技术的提升做出展望。【结果】就目前而言,智能化技术仍然存在许多不成熟的地方,尤其是自动驾驶汽车的安全方面依旧有许多领域需要更多的研究与试验,比如自动驾驶的障碍物识别、路径规划、控制策略以及自动驾驶汽车的内部空间布局等。【结论】自动驾驶技术在汽车上的使用让人们拥有了更安全、更舒适的乘坐体验,研究人员应当牢牢围绕“以人为本”这个理念,关注人的需求,保护人的安全,并围绕该理念设计与发展智能化技术。

汽车自动驾驶过程中不同姿态乘员在追尾碰撞中的损伤研究

为探究自动驾驶情形下不同姿态乘员在追尾碰撞中的损伤风险,利用THUMS人体模型研究了不同姿态下乘员的生物力学响应。通过对比尸体试验的运动学响应对THUMS乘员约束系统模型的有效性进行了验证,在此基础上调整THUMS姿态,使其分别为E-NCAP规范下的标准乘员姿态和120°、150°、180°姿态。然后搭建对应的4种不同座椅角度追尾碰撞模型,对其施加E-NCAP下的追尾碰撞加速度波形(中速4.88 g和高速6.44 g)。通过8组仿真试验对比发现,在追尾碰撞中,标准姿态与120°姿态下的乘员损伤风险较小;颈部棘突间韧带应变值随乘员倾斜角度增大而减小;150°与180°姿态下乘员存在颈部前纵向韧带拉伤的风险;安全带在4种乘员姿态下均可起到约束作用,乘员下肢会以骨盆为中心发生偏转,肋骨未发生骨折,内脏器官均未见损伤。

头部旋转姿势下的颈部低速后碰响应

为研究车辆低速后碰撞时乘员头颈部旋转姿态对颈部损伤的影响,使用全球人体模型联盟(GHBMC)头颈模型,通过柔性冲击器改变头颈部姿势,将不同姿势的头颈有限元模型颈部肌肉激活后,在第1块胸椎上施加加速度曲线进行低速后碰仿真。结果表明:头部右侧轴向旋转角度对低速后碰撞中乘员头部的运动影响很大;当头颈部处于旋转状态时,激活状态的颈部肌肉带动头部迅速回转,导致头部撞向头枕一侧;头部轴向旋转姿势并不会影响碰撞中颈部弯曲和后向伸展的过程,但会影响颈部的侧向弯曲和轴向旋转,其中第4节到第5节颈椎之间的水平侧向弯曲最为明显,0°、20°和40°头部旋转姿态下的右侧侧弯颈部损伤峰值分别为0.11、2.66和5.6。

基于拓扑优化的汽车前纵梁耐撞性设计

结合静态和动态拓扑优化方法对汽车前纵梁进行耐撞性设计,通过静态拓扑优化方法分别获得前纵梁在轴向刚度最大和侧向刚度最大时的结构形式,通过动态拓扑优化方法获得前纵梁具有最大吸能时的结构形式。对拓扑优化结果进行分析,综合考虑前纵梁的轴向刚度、侧向刚度和吸能特性,最终确定前纵梁的最佳截面形式与诱导结构的尺寸和位置。优化前后前纵梁的吸能特性对比结果表明,拓扑优化使前纵梁的耐撞性能有一定的提高。

基于改进应变能密度法的电动轮自卸车车架焊缝疲劳寿命预测

针对复杂载荷作用下焊接结构应力应变响应出现非完全封闭而交叉的现象,考虑封闭环以外的塑性应变能密度,提出了一种改进的应变能密度计算方法。通过设计制作对接接头试验试件,开展了焊接接头机械性能和疲劳试验研究,获取了Ramberg-Osgood方程参量并构建了基于总应变能密度的疲劳损伤模型。建立了电动轮自卸车车架有限元模型,开展了车架焊缝多载荷步非线性有限元分析。结合新方法和数值模拟得到的应力应变响应计算危险点各应变能密度,依据拟合的疲劳损伤模型进行寿命预测,计算结果与实际失效位置和开裂时间吻合较好。

碳材料掺杂对镁基氢化物释氢性能的影响及其微观机理

选取石墨与石墨烯两种碳材料作为掺杂剂,采用机械球磨方法分别制备纯Mg H2、Mg H2-10%石墨(质量分数)及Mg H2-10%石墨烯3种储氢体系,并结合XRD、SEM、DSC-TG实验表征手段与具有原子尺度模拟能力的第一性原理计算方法,研究碳材料掺杂对Mg H2释氢性能的影响及其微观机理。结果表明:微量石墨与石墨烯的掺杂使得Mg H2释氢温度得到降低,相比之下,石墨烯掺杂效果较为明显,其掺杂致使Mg H2初始释氢温度降低近33℃。此外,石墨与石墨烯掺杂均有助于抑制球磨过程中颗粒的团聚,起到结构限域的作用,促进Mg H2快速释氢。第一性原理计算表明,碳材料掺杂改善Mg H2释氢性能的内在原因在于其掺杂削弱了Mg—H间的键强,降低了H原子从Mg H2基体中释放时的解离能。

客车侧翻评价指标的估计与灰色预测研究

为精确评价客车侧翻危险程度和补偿防侧翻控制系统的时滞,提出客车横向载荷转移率(LTR)在线估计和灰色预测方法。首先,根据车辆结构参数和车辆动力学理论建立3自由度客车侧翻动力学模型;然后建立客车LTR的估计模型,并基于Trucksim和Matlab/Simulink联合仿真模型,在J-Turn试验工况下分析估计模型的精度;最后,为补偿控制系统的时滞,利用灰色预测模型在线预测车辆LTR,同样基于联合仿真模型分析预测精度。分析结果表明,用估计模型能准确估计客车的LTR,相对误差在4.3%以内;用灰色预测模型能准确预测客车LTR,最大相对误差在5%左右,且建模维数和提前预测时间对预测精度有较大影响。

隐晶质石墨含量与粒径对复合材料导热性能的影响

以天然隐晶质石墨为导热填料,聚乙烯醇（PVA）为粘结剂,采用热压法制备了隐晶质石墨/PVA 导热复合材料,研究了纯化前后隐晶质石墨含量与粒径对复合材料导热性能的影响.结果表明,随着石墨含量增加,复合材料的热扩散率上升.隐晶质石墨含量分别为89％和99％时,原矿隐晶质石墨制备的复合材料热扩散率分别为5．224和7．459 mm2/s,纯化后隐晶质石墨制备的复合材料热扩散率则为7．839和9．458 mm2/s,纯化后复合材料热扩散率较原矿提高；纯化前后隐晶质石墨在未球磨和以300～600 r/min球磨时,随着平均粒径的减小,复合材料的热扩散率下降.原矿球磨后隐晶质石墨/PVA 复合材料热扩散率从5．224 mm2/s 减小到4．682 mm2/s,纯化后球磨隐晶质石墨/PVA 复合材料热扩散率从7．839 mm2/s 下降到6．019 mm2/s.研究表明,隐晶质石墨/PVA 复合材料导热性能随着石墨含量的提高而增强,随着石墨粒径的减小而减弱.

基于位移约束的类周期性连续体结构拓扑优化设计

提出了一种基于位移约束的类周期性连续体结构拓扑优化设计的方法。为了获得类周期性结构的最优拓扑,将优化的结构区域划分成若干个子区域;为了解决目标函数振荡问题,在每一迭代步形成并引入变位移约束限,以单元相对密度指数幂的倒数作为设计变量,建立了位移约束的显式近似式,并形成了以结构质量作为目标函数、以位移作为约束条件的类周期性结构拓扑优化近似模型;本文通过改进对偶求解方法,建立了拉格朗日乘子迭代求解公式;引入虚拟子域设计变量,建立了类周期性结构各子区域单元设计变量之间的联系,满足了指定的类周期性约束条件,并推导出了设计变量迭代公式;最后给出了梁结构拓扑设计和双坡梯形屋钢屋架设计的算例。结果表明:随着周期数的增加,子结构尺寸对最优拓扑的影响减弱;优化迭代过程中没有目标函数振荡现象。以上结果验证了本文方法的可行性和有效性。

加热温度对Ni-P/Ti/DLC多层膜力学性能的影响

目的研究不同加热温度对Ni-P/Ti/DLC多层膜力学性能的影响。方法用化学镀镍磷工艺在模具钢基体上镀Ni-P层作切削层,采用过滤阴极真空电弧(FCVA)技术分别沉积Ti过渡层和DLC保护层。利用拉曼光谱分析了多层膜表层在不同加热温度下的结构成分,采用纳米压痕、纳米划痕和扫描电镜对多层膜的硬度和弹性模量、膜层结合性能以及划痕表面形貌进行了表征。结果拉曼光谱检测结果表明,随着加热温度的升高,多层膜表层DLC膜中的AD/AG值及sp2键含量增大,且400℃时AD/AG值的变化幅度明显增大。纳米压痕实验结果表明,多层膜的硬度和弹性模量随着温度的升高呈先增后减的趋势,且在300℃时达到最大,纳米压痕过程中膜层未出现破裂现象。纳米划痕实验及SEM观测结果表明,多层膜的临界载荷A1随着加热温度的升高而增加,临界载荷A2在25~200℃区间没有明显变化,而在300~400℃区间显著增大。结论在加热温度达到400℃时,多层膜表层DLC膜的石墨化倾向显著。加热温度为300℃时,多层膜的力学性能及膜层间的结合性能较优,而400℃时膜层间的结合性能及抑制裂纹扩展能力减弱,且膜层具有较大的塑性。因此,适宜的加热温度有利于提高多层膜的力学性能和膜层间的结合性能。

道路交通事故的非线性偏最小二乘回归建模

就有效预防交通事故、提高道路交通效率而言,借助高精度的道路交通事故预测模型,准确分析事故原因是重要的基础性工作。首先基于偏相关分析方法,对影响事故起数、死亡人数和受伤人数这3个事故指标的11个因素进行相关性分析,确定最相关的影响因素及其线性相关性;然后利用偏最小二乘回归方法,对事故指标与影响因素之间的线性关系进行建模;进而基于非线性偏最小二乘回归方法,建立两者之间的非线性关系模型。通过对回归模型的精度分析,用偏最小二乘回归方法仅能对事故指标与影响因素之间线性关系准确建模,测定系数最大为0.98,相对误差最大为21.77%。用非线性偏最小二乘回归方法,对事故指标与影响因素之间的线性和非线性关系均能准确建模,测定系数最大为1.相对误差最大为4.23%。

汽车侧面碰撞车门可靠性优化设计

为了研究车门部件对汽车侧面碰撞安全性的影响,以实际交通事故中的碰撞角度和碰撞速度为随机变量,选取车门的内板、外板和防撞杆的材料和尺寸作为设计变量,将试验设计、响应面模型、可靠性理论和优化算法相结合,构建了基于产品质量工程的汽车车门可靠性优化设计模型。分析了确定优化、可靠性优化和初始设计对汽车侧面碰撞影响的差异。结果表明:确定性优化和可靠性优化都能提高汽车的侧面碰撞耐撞性能,且与传统的确定性优化相比,虽然可靠性优化使得质量略有增加,但是侵入量和侵入速度却都有所减少且远离约束边界,它们的可靠度分别为0.957和0.963,满足可靠性设计要求。因此,可靠性优化结果不仅较好地满足汽车车门的耐撞性要求,同时也能使车门的使用可靠性显著提高。