基于响应面法的金属打包机箱体结构轻量化设计

金属打包机是废旧金属回收行业的大型核心工程设备。为了提高金属打包机箱体结构的综合性能以及实现箱体轻量化的目标,提出一种基于响应面法的轻量化设计方法。基于板壳理论和力学模型分析建立危险工况的有限元参数化模型,以墙板厚度等尺寸作为设计变量,以结构强度、刚度和稳定性作为约束条件,并以箱体质量作为目标函数。通过灵敏度分析确定对目标函数影响显著的设计变量,再利用中心复合设计方法和克里金插值法得到拟合响应面模型,并采用多目标遗传算法对响应面模型进行优化。结果表明:在满足箱体整体综合性能条件下,优化后的箱体质量减轻了20.6%,优化效果显著,对其他工程设备的轻量化设计具有一定的指导意义。     

梯度五胞薄壁管高速冲击吸能特性仿真研究

研究了壁厚成线性梯度变化的多胞薄壁管结构在轴向冲击载荷作用下的耐撞性。采用了有限元方法构建梯度多胞结构数值计算模型,并以试验验证了其有效性,最后以碰撞峰值力和比吸能为评价指标,分析了梯度变化和平均壁厚对梯度五胞薄壁结构的耐撞性能影响。结果表明,相比于等厚多胞结构,厚度梯度为正时的梯度多胞结构在轴向冲击载荷作用下的耐撞性得到明显的进一步提高。因此,在给定结构质量的条件下,通过合理分布材料,使得多胞结构截面侧壁厚度呈线性梯度变化,可以进一步改善多胞薄壁结构碰撞吸能特性。     

液压成形汽车吸能盒研制关键技术

汽车前保险杠吸能盒是重要的缓冲吸能结构,在整车发生正面碰撞时通过塑性变形吸收碰撞产生的能量。基于液压成形管件重量轻、刚度和强度高、耐撞性能好等优点,设计液压成形吸能盒替代原始冲压焊接结构。采用数值模拟方法分析吸能盒设计中关键吸能特性指标,如最大压垮载荷、总吸能、平均压垮载荷和比吸能等,对比原始冲压吸能盒和改型液压成形吸能盒在缓冲吸能方面的能力,并通过落锤冲击试验验证。成功研制出质量轻、耐撞性好的液压成形吸能盒。     

基于灵敏度分析的轿车车身轻量化

以某轿车为研究对象,建立车身有限元模型,对车身进行弯曲、扭转刚度和模态分析。根据车身各构件的灵敏度分析结果确定优化设计变量,在保证车身刚度和模态性能不降低的前提下,以车身总质量最小化为目标优化车身构件厚度,最终得到的车身总质量减轻了11.12kg,刚度和固有频率均有所提高,达到了轻量化目的。对优化后的车身进行耐撞安全性验证,吸能效果较优化前也有所改善。     

汽车车身结构安全部件材料匹配优化设计

为了解决设计过程中部件选取的盲目性以及优化过程缺乏考虑厚度和材料的交互性等问题,提出将传力路径、能量分布及敏感度分析相结合,选择对性能影响最大的部件作为优化设计对象,以实现部件的合理选取。同时,通过不同近似模型的对比优选出较高精度模型,并采用多目标优化方法进行优化设计,以质量和加速度峰值为优化目标、前围板最大侵入量为约束条件以及厚度和材料为设计变量,得出厚度和材料的最优方案。研究结果表明,该方法具有较高的准确性和有效性,不仅提高了汽车正碰耐撞性,且实现了车身结构轻量化。     

基于Kriging模型的汽车车门抗撞性优化设计

提出汽车车门抗撞性优化设计的方法,利用拉丁方试验设计选择少量样本点,构建响应目标的近似模型,应用序列二次规划法进行结构优化。对比分析Kriging和多项式响应面两种近似模型对于车门侧撞响应的拟和误差,表明用Kriging模型构建车门抗撞性近似模型是合适的。计算结果表明提出的方法可以保证车门在满足抗撞性要求的前提下,实现轻量化设计。     

铝合金薄壁椭圆管替代传统吸能泡沫材料的保险杠吸能结构改进

汽车保险杠是汽车中重要的安全装置,吸能泡沫结构作为其缓冲吸能部件,对保护行人小腿有重要作用。为提升乘用车现有保险杠系统的缓冲性能,采用铝合金薄壁管对保险杠原有的吸能泡沫结构进行改进,并分析了铝合金薄壁管的长度和厚度对保险杠保护性能和低速碰撞性能的影响。结果表明:铝合金薄壁管的厚度、长度越大,碰撞过程中能够吸收的能量峰值就越高;经研究改进后的汽车保险杠吸能结构在小腿保护性能、低速碰撞性能上均有显著改善,研究结果对汽车保险杠性能的优化设计有参考意义。     

实验设计及kriging响应面在优化设计中的应用

为了减轻结构自重,需对结构进行优化设计。而复杂工程优化问题中,设计变量多且多属于非线性问题,所以对工程优化问题存在着计算时间长、优化效率低且准确性难以判断等特点。将代理模型引入在优化设计中,并通过实验设计方法得到实验设计点,根据实验设计点建立Kriging响应面,对Kriging响应面模型进行优化设计。得出该方法对结构优化设计有很显著的效果。最后以门式起重机主梁为例,建立对应的Kriging响应面进行优化设计,使用该方法优化后,其门式起重机主梁自重减轻了20%,并采用有限元方法验证了结果的准确性。对研究轻量化设计有着重要的参考及借鉴意义。     

泡沫铝填充结构汽车后保险杠研究

为提高汽车后保险杠的吸能特性,以某一型号轿车的汽车后保险杠为研究对象,设计了泡沫铝填充结构汽车后保险杠,并应用Hyperworks软件建立两种后保险杠结构的有限元模型。以国标中摆锤冲击试验为评价标准,研究了汽车后保险杠的低速碰撞特性,并对其进行比较。结果表明,泡沫铝填充结构的汽车保险杠在提高汽车安全性的方面更具有优越性。     

面向轻量化的TRB结构碰撞性能研究

轧制差厚板(Tailored Rolled Blank,TRB)是一种新型的厚度连续变化的板料,与传统的等厚板相比,其在满足碰撞安全的前提下,材料分配更加合理,因此具有良好的轻量化特性。目前对TRB的研究工作主要是针对其轧制精度和成形特性,而对TRB结构的耐撞性能研究较少。因此,首先对TRB帽形梁进行了准静态和动态的试验研究;其次,采用BT壳单元建立了TRB帽形梁的压溃模型,并通过试验数据验证了有限元模型的有效性。最后,采用基于非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)和代理模型的优化方法对单工况及多工况下的TRB帽形梁进行优化设计。结果表明,TRB结构的多工况优化不仅能提高结构的耐撞性能,而且能为实际的多工况问题提供一系列折衷的解。     

基于响应面优化法的变速箱壳体结构优化设计

针对某工程用变速箱壳体轻量化问题。基于Solidworks建立其三维模型并联立ANSYS对壳体进行静态分析,得到壳体的应力、变形云图,从而确定壳体危险点的位置及力学变化特性,同时通过第四强度理论对壳体进行强度校核,在保证强度的基础上利用响应面优化法对壳体进行优化设计,通过输入变量与输出变量的灵敏度关系,以壳体质量最小、总变形最小和应力最小为优化目标并建立变速箱壳体结构优化模型,对壳体进行尺寸优化设计,依据有限元响应面优化结果,确定了优化后变速箱壳体模型。优化结果表明,优化后壳体的应力和变形基本没有变化,重量减轻了6.03%,为变速箱壳体结构轻量化设计提供参考。     

泡沫铝填充结构改善汽车低速碰撞耐撞性研究

为改善汽车低速碰撞耐撞性,减少维修成本,试验研究了铝空管及泡沫铝填充管的三点弯曲性能,对比分析了部分填充与全填充的泡沫铝填充管的承载特性及吸能总量。建立了对应的三点弯曲有限元仿真模型,对比试验结果与模拟结果,验证了有限元仿真模型的可靠性。基于泡沫铝填充管的研究结果,进行了某轻型物流车前防撞梁总成在C-IASI前端低速碰撞工况下的模拟试验,对比汽车前防撞梁本体填充泡沫铝前后的耐撞性。结果显示,在前防撞梁本体中填充泡沫铝,改善了车辆的碰撞吸能性,降低了前端侵入量,提高了汽车安全性。     

基于有限元的140 kN摩擦焊机主轴箱响应面优化分析

以140 kN连续驱动摩擦焊机主轴箱为研究对象,应用有限元分析软件对主轴箱进行了静、动态相关特性的分析。为提高主轴箱综合力学性能,并实现主轴箱箱体材料的合理利用,以箱体壁厚等7个结构参数为设计变量进行了中心复合实验设计。根据得到的数据结果,基于Kriging插值法建立了主轴箱的响应面模型,并对各设计变量进行了灵敏度分析。利用多目标遗传算法完成了主轴箱的优化设计,与原结构方案相比主轴箱箱体减重16.6%,实现了焊机轻量化设计。经过对主轴箱响应面模型拟合精度的校验,验证了CCD实验法与Kriging插值法相结合可高效精准地完成主轴箱响应面模型的建立。因此这一优化方法同样适用于其他类型的机床零部件的设计。     

基于响应面模型的连杆轻量化研究

针对传统优化方法在精度和效率方面存在的不足,提出了基于响应面模型的结构优化方法。以液压滚切剪的连杆机构为研究对象,利用超拉丁试验设计选择合适的设计变量,结合结构有限元分析,在保证刚度、强度的前提下,以连杆的整体质量为目标函数,建立多项式响应面模型,然后利用遗传算法对所建立的模型进行优化求解,得出最佳的参数组合。结果表明,优化后的零件在重量上比原结构减轻了25.41%。证明了该方法的有效性。     

铝合金汽车前碰撞横梁的轻量化设计与碰撞性能分析

基于显式动力学有限元分析软件,以混合细胞自动机(HCA)作为优化计算模型,对铝合金前碰撞横梁的结构进行优化设计。针对拓扑优化结果,采用模拟退火法优化横梁壁厚尺寸,获得薄壁、中空且带有加强筋结构的铝合金前碰撞横梁设计方案。以6061铝合金前碰撞横梁替代某车型原钢质横梁,通过台车碰撞进行仿真模拟与实验验证。结果表明:铝合金前碰撞横梁比原钢质前碰撞横梁质量减轻了25%,且具有较高的抗弯曲强度,低速碰撞下,铝合金前碰撞横梁较原钢质件系统吸能提高了45.6%。     

双直径圆管能量吸收元件的研究

针对碰撞安全的结构耐撞性要求,以圆管液压胀形和液压折叠原理为基础,对双直径圆管能量吸收元件进行了成形工艺设计;利用SPSS18.0对管材液压成形的各参数组合进行了正交设计,在ABAQUS中进行成形过程数值模拟,得出了最优参数组合,并分析了影响吸能元件成形厚度分布的主要因素;最后进行了碰撞仿真研究.结果表明,双直径圆管能量吸收元件变形模式稳定、比耗能高、载荷平稳,是理想的吸能元件.     

基于侧面碰撞特性的B柱总成轻量化设计分析

基于侧面碰撞吸能特点,对B柱总成进行轻量化设计。从材料、工艺、结构等方面入手,对原B柱外板和加强板进行轻量化设计,采用热成形材料替换、增加补丁板和激光拼焊等3种方案进行设计,采用侧面碰撞仿真分析对方案进行可行性验证,并将设计方案综合应用到实际车型中对方案进行检验。结果表明:3种方案均可实现轻量化设计;热成形材料替换方案的最大侵入量和侵入速度最优,材料的碰撞安全性最高;在满足碰撞安全性的前提下,激光拼焊方案和热成形材料替换方案的轻量化效果基本相当,所研究的案例轻量化效果达到减重16%左右;综合应用分析方案,在满足碰撞安全性法规的前提下,实现减重20%,同时仿真与试验误差控制在15%以内,表明研究结果可以应用于实际车型设计。     

不同材料薄壁圆管准静态轴压变形特性

材料选取是缓冲吸能结构耐撞性及轻量化设计的重要环节,该文采用LS-DYAN软件对低碳钢、铝合金和不锈钢等不同材料薄壁圆管的变形模式、比载荷、平均比载荷及比吸能等轴压变形特性进行数值模拟分析。研究结果显示,几组圆管试样均发生了轴向渐进叠缩变形,分别形成了周向折叠凸角数目不同的非轴对称和轴对称变形模式,其中铝合金圆管发生了较为特殊的横截面呈"椭圆形"的非轴对称变形模式,对比研究发现,铝合金的比吸能远高于不锈钢和低碳钢,更适用于缓冲吸能结构的轻量化设计。     

基于响应面法的高强钢拉深模具型面设计研究

高强钢可以满足车身轻量化碰撞安全性要求,但低伸长率和高抗拉强度使其成形困难,并伴随较大的回弹。采用Box-Behnken实验,建立了厚度减薄和回弹的多目标响应面回归模型,研究了拉深模具型面参数对拉深质量的影响,并采用基于整体满意度准则的非线性多目标优化方法对模面参数进行优化。通过冲压试验,验证了模面设计的有效性。     

大视场相位衬度CT转台轻量化设计

针对某大视场相位衬度CT实验装置转动惯量大、运动控制难、成像效率低等问题,采用有限元技术分析了原铸造转台的静动态性能,并以此作为设计约束,基于焊接结构重新对CT转台进行了轻量化设计。采用拓扑优化分析技术,对转台内腔材料分布情况进行了分析,然后根据材料拓扑结果布置了双夹层焊接形式的筋体结构。在OptiStruct中建立数学模型,以零件板厚作为设计变量,分析了板厚对转台质量、静刚度和系统一阶固有频率的灵敏度,并对转台板厚尺寸重新进行了优化匹配,最终优化后的转台相比原先转台减轻了57.6%。