基于通用生成函数法的CFRP防撞梁碰撞可靠性设计优化

为满足汽车耐撞性与轻量化的要求,对碳纤维增强复合材料（CFRP）防撞梁进行可靠性优化设计（RBDO）。以CFRP防撞梁关键控制点横坐标、厚度以及铺层角度为设计变量,以碰撞力峰值为约束条件,以比吸能最大为目标构建优化模型。采用拉丁超立方法与克里金（Kriging）代理模型法相结合拟合出目标及约束函数的Kriging近似模型,采用通用生成函数（UGF）-直接映射法来进行碰撞可靠性优化设计。结果表明：在随机变量非正态、功能函数高度非线性的情况下,传统矩方法无法保证收敛,蒙特卡罗法精度最高但计算成本过大,使用UGF进行可靠性分析优化时收敛稳定,在保证精度的同时效率较高;引入非均匀聚类技术的UGF法效率进一步提高,采用UGF法得到的优化结果相较于初始目标值优化幅度达21.6%,达到预期效果。     

基于熵权TOPSIS法的CFRP防撞梁轻量化研究

碳纤维增强复合材料(CFRP)具有轻质高强的特点,本文中基于抗撞性要求将某乘用车保险杠原钢制防撞梁替换为CFRP,并进行铺层优化设计。首先对CFRP层合板进行力学性能试验以获得材料参数,并通过三点弯曲仿真试验验证其准确性,然后根据等刚度设计原理,确定CFRP防撞梁的厚度,并通过保险杠低速碰撞有限元仿真对比分析两种材料防撞梁的抗撞性能。在此基础上,以质量、比吸能、最大侵入量和碰撞力峰值为目标,采用熵权TOPSIS方法对CFRP防撞梁进行铺层优化,确定出最优铺层方案。结果表明,在保证抗撞性能要求的条件下,优化后的CFRP防撞梁比原钢制防撞梁减轻了76.82%。     

CFRP/GFRP层间混杂约束混凝土圆柱强度和延性性能试验研究

设计了不同铺层方式、铺层厚度的CFRP/GFRP约束混凝土圆柱,采用单轴压缩试验研究约束柱的强度和延性性能,给出了约束柱的强度公式。研究表明,CFRP/GFRP约束混凝土柱改变了单一FRP约束混凝土柱破坏时的脆性特征,约束柱的强度和延性显著改善。     

扭转梁悬架碳纤维复合材料横梁结构优化

鉴于碳纤维增强复合材料(CFRP)轻质高强的特点,本文中将某乘用车扭转梁悬架原钢质横梁用碳纤维复合材料替代,并进行结构优化设计。首先,通过碳纤维增强复合材料层合板力学性能试验获得材料力学参数,建立悬架扭转梁有限元模型,并对扭转梁中的碳纤维复合材料横梁截面进行改进设计。在此基础上,综合考虑横梁质量、刚度和工艺约束,对CFRP横梁进行铺层厚度、角度和铺层顺序的多层次优化。优化后,在满足各项性能指标的情况下,碳纤维增强复合材料横梁比原钢质横梁轻量79.34%,取得显著的轻量化效果。     

碳纤维复合材料翼子板在某车型上的应用

随着汽车企业平均燃料消耗量与新能源汽车积分的管理办法制定,复合材料在汽车零部件上的应用也越来越多。对于碳纤维复合材料(Carbon fiber reinforced plastic,CFRP)来说,其价格逐渐下降,制造工艺日益成熟。以某车型翼子板为研究对象,在保证性能要求的前提下,采用以往设计经验进行某车型的翼子板样件制作,通过Opti Struct进行仿真优化,达到零部件的最大轻量化,减重效果达到50%。     

基于抗撞性的汽车B柱碳纤维加强板优化设计

考虑到碳纤维增强聚合物基复合材料的特点,本文中将某乘用车B柱原钢材加强板用碳纤维材料替代,并进行优化。首先在整车侧面碰撞有限元模型的基础上进行B柱子结构模型的解耦,利用子结构动态模型进行了B柱加强板的材料替换和性能计算,确定了初始纤维板铺层和厚度;为充分发挥复合材料可设计性的优势,采用面向复合材料的结构优化方法进行了纤维复合材料的铺层厚度、角度和铺层顺序优化。对比原车结构,在抗撞性不变的前提下,碳纤维B柱加强板取得显著的轻量化效果。     

复合材料重型车车架结构的优化设计

对复合材料重型车车架进行了优化设计研究，以复合材料车架重量为目标雨数，分别建立了以车架纵梁复合材料铺层厚度为设计变量的优化模型和以复合材料铺层角度及厚度为设计变量的优化模型。优化结果表明，从现代复合材料的应用与复合材料结构优化设计两方面入手进行汽车大型承载部件的轻量化研究，是非常有效的方法。     

碳纤维复合材料防撞梁轻量化设计

为某车型设计了碳纤维复合材料防撞梁,建立了其有限元分析模型,并用传统钢制防撞梁碰撞试验与仿真结果对比验证了模型准确性。然后采用全因子实验设计确定其横截面形状与铺层顺序的最优组合,最后应用NSGA-Ⅱ遗传算法对防撞梁结构铺层厚度进行了多目标优化。结果表明,在其碰撞性能提高的基础上,轻量效果达到将近65%,且优化后的防撞梁结构与吸能盒和前纵梁结构连接后,在高速碰撞过程中变形模式更合理。     

基于代理模型的复合材料带加强筋板多目标优化

本文以复合材料带加强筋板的质量、刚度及屈曲载荷为优化目标,在铺层约束下对加强筋的铺层数、铺层顺序以及截面尺寸进行多目标优化。为了使NSGA-Ⅱ算法适应于可变铺层数的铺层顺序优化,对算法的基因编码方式进行改造并在遗传操作中引入Permutation操作。优化过程中采用代理模型对结构的刚度及屈曲载荷进行估计,减少了有限元模型的调用次数。算例表明通过优化算法的改造及代理模型的引入降低了优化成本。     

考虑结构、材料和工艺要求的复合材料B柱优化

为实现汽车轻量化,提高汽车耐撞性,并考虑汽车B柱结构形式和材料特性,采用了一种复合材料B柱削层结构。利用复合材料可通过削层工艺方便地实现变截面厚度的特性,分两步对复合材料B柱削层结构进行了多目标的优化。首先,通过分析B柱结构形式确定削层区域,以轻量化为目标,构建代理模型并采用多岛遗传算法进行优化,得到各个子层区域的铺层层数。然后,综合考虑削层结构的工艺和性能特点,研究不同铺层角度和铺层顺序对耐撞性的影响,确定了铺层最佳方案。最终结果表明,在满足工艺要求的条件下,复合材料B柱结构的质量减轻了61.4%,并提升了整车在顶压和侧面碰撞中的耐撞性。     

车身环状框架结构断面正向轻量化设计

在深入分析主断面库作用的基础上,研究了基于关键坐标及板厚的主断面属性计算方法,探讨了满足弯扭刚度及侧碰工况约束条件下车身前门环结构的优化途径。以车身刚度及侧碰性能为约束条件,主断面属性参数为设计变量,车身结构轻量化为设计目标,采用均匀拉丁超立方试验方法进行样本点的选取,以Kriging插值近似方法构造代理模型,运用冲量梯度下降算法对数学模型进行优化求解,并通过实车试验验证了该优化方案的可行性。     

花岗岩沥青面层在旧水泥混凝土路面加铺改造中的应用研究

为将珠三角地区储量丰富的花岗岩作为沥青面层材料应用于本地旧水泥混凝土路面加铺改造工程,采用掺加高性能抗剥落剂、优化材料组成设计等方式以提高花岗岩沥青路面的使用性能;建立在含接缝的旧水泥混凝土路面上加铺沥青面层的有限元模型分析加铺层底处的应力状态以优选最佳的抑制反射裂缝措施。结果表明:采用优化级配设计并掺加Morlife300抗剥落剂的花岗岩沥青混合料高温稳定性和水稳定性大幅提高;针对研究项目工况,AM-20级配沥青碎石过渡层(7cm)+应力吸收层(2.5cm)的结构形式,防止反射裂缝效果最为明显,其沥青加铺层底的最大主应力σ1、最大剪应力τmax和等效应力σe分别比不采取措施情况下降78.6%、82.9%和84.4%。     

基于序列Kriging模型的汽车车身轻量化可靠性优化设计CSCD

为减少汽车车身轻量化可靠性优化设计的计算量并提高优化设计的精度,提出一种序列Kriging可靠性优化设计方法。以整车质量作为优化目标,选取整车耐撞性指标作为可靠性约束,建立可靠性优化设计模型。采用Latin超立方试验设计生成汽车正面碰撞有限元仿真模型的样本数据进行计算,根据有限元仿真结果构建目标和约束函数的Kriging近似模型;采用序列优化与可靠性评定方法 (SORA)将该嵌套优化问题解耦为单层次优化问题;优化每一迭代步,基于Kriging模型采用功能度量法评定概率约束。结果表明:所提方法满足工程设计所需的效率和精度要求,满足了整车安全性、轻量化和可靠性设计要求,整车质量减少约1.4%。     

碳纤维复合材料导流罩轻量化设计技术研究

为满足商用车轻量化发展需求，从材料轻量化角度出发，将某款商用车驾驶室的玻璃钢顶导流罩替换为碳纤维环氧树脂基复合材料（CFRP）顶导流罩，实现了降重30%的目标，同时性能指标达成，甚至优于原玻璃钢顶导流罩；基于3D-Hashin复合材料失效准则和Cohesive分层失效准则，建立了CFRP基本力学性能仿真模型，并通过与试验结果进行对比，验证了模型的有效性与材料参数准确性；通过优化碳纤维复合材料层合板的铺层角度设计，建立顶导流罩有限元模型，将两种材料的约束模态和刚度进行对比分析，结果表明：与原玻璃钢顶导流罩相比，碳纤维复合材料（CFRP）顶导流罩在显著降重的基础上，约束模态和平均刚度均有所提升，且满足强度性能指标。     

锂电池热管-液冷板式冷却结构多目标优化

为满足锂电池成包后的温度一致性需求，本文提出一种基于热管与液冷板的复合冷却结构。利用数值模拟对液冷板内两种不同流道（流道Ⅰ和流道Ⅱ）的冷却性能进行对比，结果表明流道Ⅱ的冷却性能更优；采用正交试验法筛选出4个对流道Ⅱ冷却性能影响较大的结构因素作为设计变量，以电池组温差和冷却液压降为目标函数，建立设计变量与目标函数之间的Kriging代理模型并采用NSGA-Ⅱ遗传算法进行寻优。与初始结构相比，优化后的流道II对应的电池组温差和冷却液压降分别降低了10.52%和50.14%，而电池组最高温度仅升高了0.68%。本文的方法和结论可为热管式锂电池冷却结构的设计与优化提供借鉴。     

基于序列Kriging模型的车身轻量化设计

为解决常规Kriging模型在设计空间拟合精度低的问题,提出了序列Kriging模型。通过预期改善函数,在优化解附近和设计空间的稀疏区域增加样本点,不断更新近似模型,从而提高近似模型在兴趣域的拟合精度和全局预测能力。通过两个数值算例分析了序列Kriging模型的全局搜索特性,从算例优化的统计结果可以看出,序列Kriging模型比常规Kriging模型的优化精度更高,稳健性更好。最后,序列Kriging模型被应用到车身轻量化设计中,采用粒子群算法所得到的优化结果表明,近似模型的精度有了很大的提高,并且在满足耐撞性约束的同时所选部件的质量降低了23.35%。     

基于整车路噪性能提升的轮胎优化设计

为提升整车路噪性能,本文中基于虚拟试车场技术和代理模型优化方法对轮胎参数进行了优化.通过集成试验场扫描所得路谱、CDTire轮胎模型和整车声固耦合模型,建立了整车路噪仿真环境.采用最优拉丁超立方采样、Kriging模型和多岛遗传算法构造了优化模型.以轮胎关键物理参数为设计变量,驾驶员外耳声压级均方根为优化目标,测点三向...     

碎石化条件等级路水泥混凝土路面加铺层结构优化

该文采用有限元法建立了碎石化条件下混凝土路面二维平面应变模型,对标准轴载和超载条件下不同类型加铺层结构的力学响应进行计算,综合比较路面弯沉、层底拉应力、层底拉应变等各项指标,提出半刚性基层加薄层沥青罩面可作碎石化条件下的加铺层结构;通过优化比较,得出采用半刚性基层加沥青面层可满足设计要求,并对各种基层材料的抗干、温缩,抗水损害等性能进行了比较。     

CFRP多胞结构吸能机制及多工况耐撞性设计

将轻质高强的碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)应用到多胞结构设计中,有望进一步提升CFRP薄壁结构的耐撞性能及吸能效率。为了研究CFRP多胞结构在多角度加载工况作用下的能量吸收机制及耐撞性能,采用机织平纹CFRP预浸料制备CFRP单胞管以及2个不同规格的CFRP多胞管,并通过调整壁厚使所有结构的质量保持相等;随后,对上述3个试样开展准静态轴向压溃试验,通过试验揭示CFRP多胞管的耐撞性能。此外,建立CFRP多胞管的有限元模型,采用数值仿真的方法揭示多胞管的能量吸收机制,并基于试验验证的有限元模型进一步分析9种不同规格的CFRP多胞结构在多种加载角度下的压溃性能。最后,采用多指标评价方法(COPRAS)对不同构型的多胞管在多种压溃角度下的耐撞性能进行综合评价。试验结果表明:单胞管发生了不稳定的局部屈曲,多胞管发生了稳定的渐进失效,并且在等质量的条件下,多胞管的总吸能比单胞管的总吸能高约68%。仿真结果表明:层内损伤是CFRP多胞管以及单胞管的主要吸能机制,其能量耗散值约占总能量的50%;且随着加载角度的增加,各结构的总吸能逐渐下降,但各吸能机制所耗散能量的占比变化不大,增加胞数以及内壁胞壁的厚度均能小幅度提升多胞管的能量吸收特性。综合耐撞性评价结果表明:试样MT3-4[胞数为9,内部胞壁厚度b为1.178 0 mm(5层),外部胞壁厚度c为0.235 6 mm(1层)]在多种压溃角度下具有更好的综合耐撞性能。     

基于Kriging模型的车身耐撞性优化设计

采用最优拉丁方法进行试验设计,基于Kriging模型建立汽车耐撞性评价指标的替代模型,然后利用替代模型建立耐撞性优化的数学模型并进行耐撞性优化。结果表明,基于Kriging的替代模型的拟合精度较高,采用该模型进行的优化可提高汽车的耐撞性。