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基于碰撞和振動(dòng)約束的輕質(zhì)鎂車(chē)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

提出材料替代和多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化策略，目的是開(kāi)發(fā)一種輕量化車(chē)身結(jié)構(gòu)，使其既滿(mǎn)足碰撞和振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)，又能最大限度地減輕質(zhì)量。通過(guò)有限元模擬，根據(jù)整車(chē)模型的正面、前側(cè)面和側(cè)面的碰撞求出峰值加速度、進(jìn)入距離和結(jié)構(gòu)件的內(nèi)部吸能量。前三階固有頻率與碰撞指標(biāo)相結(jié)合形成設(shè)計(jì)約束。22個(gè)零件的壁厚作為設(shè)計(jì)變量，拉丁超立方抽樣作為樣本設(shè)計(jì)空間，徑向基函數(shù)方法為多點(diǎn)選定的碰撞響應(yīng)及前三階固有頻率建立代理模型。在碰撞和振動(dòng)約束下，為使質(zhì)量最輕，建立一個(gè)非線性的基于代理模型的優(yōu)化問(wèn)題。采用序列二次規(guī)劃解決優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題。采用鎂合金零件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)使產(chǎn)品質(zhì)量顯著減輕且具有更好的性能。

為開(kāi)發(fā)一種具有改進(jìn)結(jié)構(gòu)性能的輕量化車(chē)身，研究了材料的替代應(yīng)用、代理模型和結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)。選擇1996年產(chǎn)道奇彩虹車(chē)模型共計(jì)22個(gè)鋼零件，并用鎂合金AZ31進(jìn)行替換。以各零件的壁厚為設(shè)計(jì)變量，以所選擇的部件質(zhì)量為目標(biāo)函數(shù)，以有限元模型的碰撞和振動(dòng)響應(yīng)為設(shè)計(jì)約束，構(gòu)成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化問(wèn)題。

為獲得碰撞響應(yīng)，用LSDYNA在3種最重要的碰撞狀況下分析道奇彩虹的有限元模型。為滿(mǎn)足振動(dòng)設(shè)計(jì)要求，用MSC公司的NASTRAN振動(dòng)分析優(yōu)化汽車(chē)整個(gè)有限元模型，使其白車(chē)身模型具有兼容性。選擇前三階固有頻率作為振動(dòng)響應(yīng)，因其影響結(jié)構(gòu)剛度。使用拉丁超立方抽樣，產(chǎn)生138個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)，模擬運(yùn)行獲得相應(yīng)的響應(yīng)。為降低計(jì)算成本，使用代理模型技術(shù)近似每個(gè)訓(xùn)練點(diǎn)的響應(yīng)。鎂合金的替代和設(shè)計(jì)優(yōu)化使總質(zhì)量減輕46.7kg，相比鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量減輕近44.3%。

刊名：Journal of Magnesium and Alloys（英）

刊期：2014年第2期

作者：Morteza Kiani et al

編譯：郭永奇