简论退火汽车被动安全性模块化建模策略和多目标优化查抄袭率

摘要：根据2004年世界卫生组织提供的统计数据，全球死于交通事故的人数高达120万，如果不采取适当预防措施，预计在2020年，继缺血性心脏病和抑郁症之后，道路交通伤害将成为造成人类伤亡的第三大杀手。据汽车工业协会发布的数据，2012年中国汽车产销量已经超过1900万辆，并连续4年蝉联世界第一。随着我国机动车保有量的快速增加，道路交通安全形势日益严峻。在2010年，我国交通事故造成的伤亡人数达到65225人，平均每天有178人丧失生命。道路交通安全已经引起我国政府的高度重视，通过制定更严格的法规，引导汽车制造企业开发安全性更好的汽车产品。汽车制造企业和科研机构在积极开发主动安全产品的同时，也不断深入对汽车被动安全的探讨。通常在产品开发历程中，为保障整车的被动安全性能，需要对整车的正面、侧面、后面抗撞性能进行全面的综合浅析，而且此类浅析伴随整个开发历程。一旦零部件有设计变更或结构转变，就需要再次评价产品的抗撞性能，以保证批量时产品性能的稳定性。所以在开发历程中，需要建立多种工况的仿真模型及优化模型，由此可见建模的工作量巨大。目前传统的建模策略，建模将占用全部仿真浅析80%的工作量，而且多数是重复性工作，所以提升建模效率已成为仿真浅析的首要任务。本论文将模块化建模思想引入到碰撞仿真建模的工作中，提出模块化建模策略，将拉丁超立方和正交试验设计策略以及多项式响应面和Kriging近似模型运用到实际的工程浅析当中，利用自适应模拟退火优化算法对车身侧面、正面结构安全性能进行多目标优化，以提升车身的抗撞性能。本论文主要开展了以下几方面的探讨内容：1.为了减少实际工作中建模及模型更新的大量重复性工作，提出并详细定义了模块化建模策略、原则及要求。按模块独立原则、模块间关联最小原则、功能和位置原则，将整车划分为多个独立的模块；为规范零部件网格质量，明确了结构特点的简化原则以及单元质量要求；针对整车中各零部件间物理和化学连接联系，推荐了相对应的模拟策略；规范了子模块中节点、单元及部件属性的号码范围；对于子模块间的连接策略、模型的装配策略以及模型调试等内容均进行了描述与说明。最后以发动机舱盖建模为例，介绍了建模历程。2.根据碰撞车辆的配置信息，利用模块化建模策略，组建了3个碰撞工况的仿真浅析模型。车型配置参数为1.6L发动机、MQ200手动变速箱、16寸轮胎、无天窗车身等。为了检验仿真模型的精度是否满足工程要求，通过将整车加速度、评价位置点的侵入量和侵入速度以及结构的局部区域的变形量等指标与试验结果进行比较浅析，对仿真模型进行试验验证。结果表明，仿真模型的精度满足工程浅析要求，同时验证了模块化建模策略所定义的策略、原则是有效可行的。以此模型为基础，可以开展后续的优化工作。3.为满足客户对产品的多样性需求，在产品开发历程中，会同时开发多种配置的车型。通常采取安全性最差的配置车型用于结构的优化，所以需要浅析不同配置模块对车身抗撞性能的影响程度。本论文利用模块化建模策略，组建AQ250和MQ200两款不同变速箱整车正面碰撞仿真模型，通过比较浅析发现，配置尺寸和质量较大的AQ250自动变速箱车型，在正面碰撞历程中，前围板向乘员舱的侵入量变大、加速度峰值变高、出现峰值时刻提前，其正面碰撞结果较差。比较了带天窗车身与无天窗车身侧面碰撞结果，结果表明：带天窗车身由于顶盖天窗位置增加了天窗导轨以及天窗加强板，其侧面碰撞性能优于无天窗车身。4.由于第四章建立的1.6L发动机、MQ200手动变速箱、16寸轮胎、无天窗车身模型，经过试验验证，其侧面抗撞性能没有达到设计要求。所以本论文结合拉丁超立方试验设计策略，选择车身侧面8个零件板厚及5个零件的材料作为设计变量，以评价位置点的B柱侵入量，侵入速度和待优化部件的质量等7个响应量为目标函数，建立了200个试验样本点，根据变量和响应的样本数据，建立了3阶多项式响应面近似模型代替仿真模型，利用自适应模拟退火优化算法对近似模型进行多目标优化，得到一组非劣解集。根据侵入量、侵入速度最小，质量最轻的原则，兼顾产品的经济性，选择第223迭代点为最优案例，将最优案例仿真结果与最初案例进行比较浅析，b4位置点的侵入量下降62%，b3点的侵入速度下降29%，虽然优化结构件的质量上升7.7%，但车辆的抗撞性能提升较为显著。结果表明：在B柱和门槛区域，利用高强度钢板或增加板厚，能有效果提升车身的侧面抗撞性能。5.为乘员约束系统匹配提供更宽松的设计环境，降低正面碰撞的整车加速度，对车身前端吸能盒和前纵梁进行多目标优化。选取吸能盒和前纵梁等7个变量为设计变量，利用正交试验设计策略，建立18个试验样本，以整车加速度、质量、能量以及前围板的侵入量为响应，组建18个变量与响应的样本数据，建立了kriging近似模型模拟变量和响应的函数联系。利用自适应模拟退火优化算法对kriging模型进行多目标优化。选取第9096次迭代点为最优案例，整车加速度降低7.4%，虽然侵入量和质量略有增加，但整车抗撞性能满足设计要求，达到预期效果。关键词：汽车论文车身抗撞性论文模块化建模论文多目标优化论文响应面论文自适应模拟退火算法论文

摘要4-6

Abstract6-9

目录9-13

第一章 绪论13-27

1.1 引言13

1.2 车身抗撞性探讨主要内容13-14

1.3 车身抗撞性探讨的主要策略14-15

1.3.1 实车碰撞试验14

1.3.2 计算机仿真策略14-15

1.4 车身抗撞性探讨近况15-22

1.4.1 材料利用方面15-16

1.4.2 结构设计方面16-17

1.4.3 改善工艺方面17

1.4.4 多目标优化策略的运用17-21

1.4.4.1 近似模型18-19

1.4.4.2 多种优化算法19-21

1.4.5 车身抗撞性模型探讨21-22

1.5 模块化模型运用22-23

1.6 Isight 设计优化软件介绍23-24

1.7 课题探讨背景和作用24-25

1.7.1 探讨背景24-25

1.7.2 探讨作用25

1.8 本论文探讨内容25-27

第二章 多目标优化及汽车碰撞论述27-51

2.1 多目标优化不足的数学模型27

2.2 试验设计策略27-29

2.2.1 全因子设计28

2.2.2 正交试验设计28-29

2.2.3 拉丁超立方试验设计29

2.3 近似模型29-34

2.3.1 多项式响应面近似模型30-31

2.3.2 Kriging 近似模型31-32

2.3.3 径向基神经网络（RBF）32-34

2.4 多目标优化算法34-38

2.4.1 非支配排序遗传算法（NSGA）34-35

2.4.2 非支配排序遗传算法（NSGAⅡ）35-36

2.4.3 自适应模拟退火优化算法36-38

2.5 汽车碰撞非线性有限元论述38-49

2.5.1 基本力学模型39-41

2.5.2 显式积分算法41-42

2.5.3 薄壳论述与单元42-49

2.5.3.1 Hughes-Liu 板壳单元43-46

2.5.3.2 Blytskho-pn-Tsay 板壳单元46-49

2.6 本章小结49-51

第三章 模块化建模策略51-73

3.1 模块化建模的优势52-53

3.2 子模块划分53-55

3.2.1 子模块划分原则53-54

3.2.2 子模块命名54-55

3.3 子模块建模规范55-64

3.3.1 子模块建模基本标准55-60

3.3.2 子模块中数据信息及编码规则60-62

3.3.3 子模块建模实例62-64

3.4 子模块间连接64-66

3.4.1 子模块间的连接64-65

3.4.2 子模块连接文件65-66

3.5 整车模型66-70

3.5.1 整车模型组成66-67

3.5.2 整车模型的主文件67-68

3.5.3 材料库文件68-70

3.5.4 模型质量制约文件70

3.6 本章小结70-73

第四章 多工况模型试验验证73-95

4.1 引言73

4.2 整车仿真模型参数验证73-75

4.3 正面碰撞仿真模型试验验证75-80

4.3.1 C-NCAP 正面 100%重叠刚性壁障碰撞试验75-76

4.3.2 100%正碰评价指标76

4.3.3 100%正碰模型与试验比较76-80

4.4 侧面碰撞模型验证80-89

4.4.1 C-NCAP 可变形移动壁障侧面碰撞试验80-81

4.4.2 侧面碰撞移动变形壁障81-84

4.4.2.1 移动变形壁障的特性81

4.4.2.2 侧面移动壁障有限元模型81-82

4.4.2.3 移动变形壁障模型验证82-84

4.4.3 侧面碰撞评价指标84-85

4.4.4 侧碰模型与试验比较85-89

4.5 后面碰撞模型验证89-93

4.5.1 乘用车后碰撞燃油系统安全要求89

4.5.2 后面碰撞主要评价指标89-91

4.5.3 后碰模型与试验比较91-93

4.6 本章小结93-95

第五章 子模块对汽车安全性能的影响95-101

5.1 动力总成模块对汽车安全性能的影响95-97

5.1.1 搭建两种不同动力总成的整车仿真模型95-96

5.1.2 仿真结果比较浅析96-97

5.2 车身模块对汽车侧面安全性的影响97-100

5.2.1 两种不同车身的整车侧碰模型97-98

5.2.2 仿真结果比较浅析98-100

5.3 本章小结100-101

第六章 汽车侧面抗撞性多目标优化设计101-119

6.1 多目标优化不足描述101-104

6.1.1 设计变量101-103

6.1.2 约束条件103

6.1.3 目标函数103

6.1.4 多目标优化流程103-104

6.2 基于拉丁超立方试验设计104-105

6.3 三阶多项式响应面近似模型105-109

6.4 多目标优化求解109-118

6.4.1 自适应模拟退火优化算法109-111

6.4.2 优化结果比较浅析111-118

6.5 本章小结118-119

第七章 汽车正面抗撞性多目标优化设计119-129

7.1 多目标优化不足描述120-121

7.1.1 设计变量120

7.1.2 约束条件120

7.1.3 目标函数120-121

7.2 正交试验设计121-123

7.3 kriging 近似模型123-124

7.4 多目标优化求解124-127

7.5 本章小结127-129

第八章 总结与展望129-133

8.1 主要探讨结论129-130

8.2 论新点130-131

8.3 探讨展望131-133