基于碰撞和振動約束的輕質(zhì)鎂車身結(jié)構(gòu)設計

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基于碰撞和振動約束的輕質(zhì)鎂車身結(jié)構(gòu)設計

提出材料替代和多學科設計優(yōu)化策略，目的是開發(fā)一種輕量化車身結(jié)構(gòu)，使其既滿足碰撞和振動標準，又能最大限度地減輕質(zhì)量。通過有限元模擬，根據(jù)整車模型的正面、前側(cè)面和側(cè)面的碰撞求出峰值加速度、進入距離和結(jié)構(gòu)件的內(nèi)部吸能量。前三階固有頻率與碰撞指標相結(jié)合形成設計約束。22個零件的壁厚作為設計變量，拉丁超立方抽樣作為樣本設計空間，徑向基函數(shù)方法為多點選定的碰撞響應及前三階固有頻率建立代理模型。在碰撞和振動約束下，為使質(zhì)量最輕，建立一個非線性的基于代理模型的優(yōu)化問題。采用序列二次規(guī)劃解決優(yōu)化設計問題。采用鎂合金零件進行優(yōu)化設計使產(chǎn)品質(zhì)量顯著減輕且具有更好的性能。

為開發(fā)一種具有改進結(jié)構(gòu)性能的輕量化車身，研究了材料的替代應用、代理模型和結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)。選擇1996年產(chǎn)道奇彩虹車模型共計22個鋼零件，并用鎂合金AZ31進行替換。以各零件的壁厚為設計變量，以所選擇的部件質(zhì)量為目標函數(shù)，以有限元模型的碰撞和振動響應為設計約束，構(gòu)成結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化問題。

為獲得碰撞響應，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。為滿足振動設計要求，用MSC公司的NASTRAN振動分析優(yōu)化汽車整個有限元模型，使其白車身模型具有兼容性。選擇前三階固有頻率作為振動響應，因其影響結(jié)構(gòu)剛度。使用拉丁超立方抽樣，產(chǎn)生138個設計點，模擬運行獲得相應的響應。為降低計算成本，使用代理模型技術(shù)近似每個訓練點的響應。鎂合金的替代和設計優(yōu)化使總質(zhì)量減輕46.7kg，相比鋼結(jié)構(gòu)設計質(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