特种车辆车体结构的轻量化设计研究

结构轻量化设计是确保自然灾害救援车具有良好抗冲击能力和高承载性能从而以最快速度到达灾害救援现场的重要保证。以某型特种车辆的车体结构为研究对象,提出了车体结构概念优化设计-局部优化设计-详细优化设计的总体优化技术方案,综合采用拓扑优化、形貌优化、尺寸优化等优化设计方法,得到了最佳的车体结构设计方案,通过实际验证,取得了良好的车体结构轻量化设计效果,为同类装备的轻量化设计提供相关参考和借鉴。     

白车身多学科轻量化优化设计应用

在白车身开发早期阶段引入结构轻量化思想,建立隐式全参数化白车身模型,通过多学科优化过程,找到白车身零件形状、尺寸、位置与厚度等各参数之间的最佳组合,以及满足系统各项性能要求的重量最优解,使白车身轻量化设计的潜能得到最大程度的发挥。根据白车身自身性能的特点对其分成不同的优化区域分别进行不同工况的优化,从而合理地安排设计变量和样本点数量,并对由试验设计得到的近似模型进行多学科的轻量化优化设计,有效地控制分析与优化时间,给车身设计提供指导。最终得到的白车身方案减重12 kg,减重率达到4.5%。同时利用方差分析方法,对各设计变量对性能的贡献量与主效应进行分析,掌握设计变量对刚度,模态、被动安全性能以及重量的影响规律。     

基于协同优化和多目标遗传算法的车身结构多学科优化设计

在汽车车身结构NVH和侧面碰撞安全性研究中,实施多学科多目标优化的可行性设计。通过试验设计制定试验方案并进行数据采样,构建考虑整车侧撞安全性、白车身模态、静态弯曲刚度、扭转刚度和轻量化等性能的响应面近似模型,然后对车身结构分别进行确定性和可靠性轻量化单目标设计。最后,运用多目标遗传算法结合多学科协同优化对车身结构进行多目标优化设计,获取Pareto最优化解集。研究结果表明:可靠性优化设计较确定性优化设计而言,能考虑产品设计和生产过程中的不确定性因素,保证产品稳健性;车身结构的多目标优化设计全面考虑了车身结构轻量化、NVH和碰撞安全性能等多学科之间的耦合和解耦;设计者可按需选择其满意的优化结果,这将大幅缩减产品开发周期、降低产品开发成本。     

基于改进蝠鲼觅食算法的汽车前桥轻量化优化

汽车前桥结构是汽车的核心部件之一，在汽车设计中具有举足轻重的地位。为提高汽车前桥轻量化优化的收敛速度和精度，提出一种基于蝠鲼自身防卫策略改进的蝠鲼算法。采用六个经典的测试函数对改进蝠鲼算法进行性能测试验证，结果表明改进的蝠鲼算法具有良好的收敛速度和收敛精度。在此基础上，运用改进的蝠鲼算法对汽车前桥进行轻量化优化设计，优化结果表明经过94次迭代之后可以获得最优解，汽车前桥优化后的总质量从51.95 kg降低为43.24 kg,降低了16.75%。通过分析经典测试函数和汽车前桥案例的结果可知，改进的蝠鲼算法是一种高效的优化算法，对以后的工程优化问题和算法改进具有参考意义。     

基于6σ稳健设计的轿车侧碰车身B柱轻量化研究

考虑不确定性因素的稳健设计是提高轿车设计中结构可靠性与碰撞安全性的有效途径。传统的轿车车身优化设计,由于忽略加工、制造和环境等不确定性因素,导致设计目标如碰撞性能或者轻量化效果不稳健。研究了考虑不确定性因素干扰下的6σ稳健性设计,以某轿车侧面碰撞为实例,首先根据相关碰撞法规建立了准确的有限元模型并进行了验证,然后在建立了确定性优化模型以及代理模型后,采用序列二次规划算法求得了最优解并进行可靠性分析,最后采用6σ稳健性设计方法对原车身B柱进行了轻量化研究和改进并与确定性优化结果以及原车身B柱进行了对比分析。分析结果表明,优化后的轿车车身B柱碰撞工况下性能稳健性得到全面的提高,且质量相比于原车身B柱减小了3.2%。     

基于可制造性约束的车身变截面梁关联优化设计

在车身主断面设计过程中,变截面梁的设计一直存在较多问题,其形状设计受到结构性能和可制造性因素的多重约束。文中对车身变截面梁的设计问题进行了研究,通过构造基于工程约束的形状优化关联设计变量,建立了车身薄壁结构的多截面关联优化设计算法,实现了考虑可制造性约束的变截面梁优化设计方法,还可支持多种材料设计。同时提出了适合工程优化的最优解选择评分公式,实现了最优解的自动选取。该方法既可以应用于正向设计过程中车身主断面的变截面梁轮廓线的确定,也可对现有梁的结构性能的改进优化,实现制造成本降低和车身轻量化设计。文中给出具体的变截面梁关联优化算法,并通过某车型B柱截面优化实例验证了该算法的有效性。     

相对灵敏度与综合优化策略下的某商用车驾驶室轻量化设计

针对商用车驾驶室等复杂结构的轻量化设计,建立有限元模型。为避免优化的盲目性,提高设计效率,本文对模型进行灵敏度分析,建立各部件对驾驶室整体性能及总质量的贡献度;并进一步提出用相对灵敏度评价方法选择优化变量,简化变量选择过程。最后,提出3种基于不同优化方向的驾驶室结构设计方案:轻质量方案、高刚度方案及综合方案;根据不同优化结果的对比分析,综合优化方案快速实现了总体轻量化设计目标。     

微型电动汽车车身的轻量化

目前对于电动汽车车身轻量化研究中,多数都没能兼顾优化后车身性能、优化效率和精度。为了提高轻量化后车身的性能,提出一种综合考虑质量、刚度与一阶振动模态的多目标优化设计法。将有限元分析法和实验验证相结合,构造了基于材料和尺寸的微型电动汽车车身轻量化方法,确保了优化精度。采用灵敏度分析法确定关键部件厚度为优化模型的设计变量,提高了轻量化研究的效率。与传统的轻量化研究相比,该方法在获得近似最优解的同时能够保证轻量化后的车身性能满足要求,并且提高了计算效率和精度。     

面向主梁优化的改进果蝇优化算法研究

针对果蝇优化算法收敛速度慢、易陷入局部最优、收敛早熟等不足,引入了自适应步长、粒子群算法中的粒子速度,使得改进后的算法收敛性加强,收敛速度提高,改善了随机性,提高了寻优精度。将改进果蝇优化算法运用到桥式起重机主梁的轻量化中,并运用有限元软件对优化后的主梁进行力学分析,通过实例验证了算法的优越性;最后通过对比优化前后的结果,得出优化后的主梁质量减重效果明显且符合设计要求,对实际工程结构的设计有指导意义。     

基于正交试验设计的客车车身结构优化研究

应用MSC.Nastran软件对某客车车身骨架结构进行四种不同工况下的截面尺寸优化,然后采用正交试验设计方法,分析了四种优化工况结果在综合优化分析中所占的最优权重,确定了最优的综合优化方案.通过对综合优化后的车身结构进行分析校核可以确认,引入正交试验设计方法进行结构综合优化,可以在确保大客车车身刚度、强度和模态等性能指标的前提下,实现结构多工况优化设计和车身结构的轻量化.     

基于模拟退火算法的地铁车辆调簧优化算法设计

为优化地铁车辆弹性支撑点载荷分布,减小其轮（轴）重偏差,保证其动力学性能,通过建立轴式CO_CO的地铁车辆的一系弹簧力学模型和数学优化模型,设计了一种基于模拟退火算法的调簧算法。经对国产某型地铁车辆优化计算和验证,该算法优化效果明显,平均耗时较短。同时,这种方法的克服了遗传算法等智能算法易陷于局部最优的缺陷,能稳健地收敛于全局最优解。该算法较快的搜索速度使得调簧试验的实时性大幅提高,更加适合现场操作。     

某空中平台空间管桁架结构设计及优化

空间管桁架结构具有整体性能好、抗弯扭、刚度大、内部空间大、节省材料等特点,因而广泛应用在大跨度的结构中。文中结合这些特点,论述了某空中平台空间管桁架的结构设计,利用有限元分析和试验测试相结合的方法,通过结构优化,实现桁架轻量化、刚强度好的设计目标。     

基于Altair-OptiStruct的客车车身结构拓扑优化设计

采用Altair-OptiStruct对某型客车车身结构进行拓扑优化计算,实现客车车身结构轻量化设计。根据优化空间最大化的原则,建立车身拓扑优化模型,然后分别对弯曲工况和弯扭组合工况进行车身结构拓扑计算,最后对新的车身结构性能进行验证评价。结果表明:拓扑优化后的车身骨架性能得到了提高、质量减少3.8%,优化结果可为客车轻量化设计提供参考。     

基于空间收缩回归的汽车耐撞性优化

选择汽车正面碰撞耐撞性为优化目标,结合最优拉丁超立方样本点设计、RBF模型以及NSGA-Ⅱ多目标优化对设计变量进行优化。为了加快目标值收敛速度并寻求可能存在的初始设计域之外的最优解,引入空间收缩回归法在迭代过程中对设计域进行动态更新。优化迭代过程最终收敛到一组最优解,使得在未增加车身总质量的条件下提升了车身正面碰撞耐撞性。通过与有限元模型计算结果进行对比分析,验证了该方法具有收敛速度快和寻优精度高的特点。     

多目标优化在新车型总体轻量化设计中的应用

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开发了一款跟原车型结构相似、整车尺寸加长加宽加高的新车型,将整车长度、整车高度、整车宽度及部分零件厚度作为设计变量,采用最优拉丁实验设计方法进行了样本数据设计,并且采用移动最小二乘响应面方法构建了白车身NVH、白车身关键区域强度及白车身质量等性能参数的多目标优化系统的近似模型,利用多目标遗传优化算法NSGA-Ⅱ(非支配解排序遗传算法)对近似模型进行优化。在满足白车身关键区域内强度、白车身NVH等约束性能的同时,追寻车内新增空间最大化,并实现了新车型的轻量化设计。 
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车身多性能约束下的一体压铸三角梁轻量化设计

系统性地构建了一体压铸结构的优化方法,基于车身系统超单元模型实现多性能约束下的车身压铸件轻量化设计。首先,缩减复杂的车身系统,针对连续的车体结构,提出了子系统划分原则和方法,分别对各子系统进行超单元缩减,保证车身系统模型的分析精度并提高计算效率,为快速优化奠定基础;其次,同步考虑压铸结构单体性能和车身系统性能,采用折衷规划法归一化静动态子目标并构建综合目标函数,应用层次分析法得到子目标权重系数,进而开展了多模型拓扑优化,确定了加强筋位置分布;进一步地,同步考虑可设计与可制造性,对压铸结构变厚度拔模面进行参数化定义,并在优化过程中施加制造约束,基于构造的组合代理模型完成厚度参数设计。研究结果表明：在保证分析精度的前提下,缩减的车身系统模型可节省97.3%的计算资源;通过优化,在大幅提高车身一体压铸三角梁结构相关性能的同时,可实现轻量化,表明了所提方法的正确性和实用性。     

基于改进果蝇算法的桥式起重机金属结构优化设计

以通用桥式起重机箱形主梁金属结构为研究对象,针对现阶段桥式起重机金属结构在优化方法方面存在的易陷入局部最优、搜索时间较长等问题,在研究果蝇算法及传统优化算法搜索方式的基础上,将果蝇算法进行了适当的改进,利用果蝇算法高效的全局寻优能力,并结合传统优化算法的稳定性,提出了一种新的具有较高搜索效率的优化方法,将该方法运用到50 t/20 m双梁桥式起重机主梁金属结构轻量化设计之中。计算结果表明,该方法可以加速优化算法的收敛速度,具有良好的优化性能,证明了文中所提方法适合进行起重机金属结构轻量化设计,为起重机金属结构的轻量化研究提供了一种新的高效的设计手段。     

基于径向基函数神经网络的白车身减重优化研究

针对白车身变量多、性能响应复杂问题,在车身结构的板厚优化设计中引入近似模型方法,提高设计效率。以某轿车车身结构为轻量化设计对象,通过灵敏度分析确定优化设计变量,基于径向基函数神经网络近似模型进行全局优化,在不降低刚度和模态性能的情况下实现白车身减重目标。通过最优拉丁超立方试验设计构造样本点,用径向基函数神经网络法构造刚度和模态的近似模型,并用自适应模拟退火法进行优化求解。结果表明,径向基函数神经网络模型能较好地模拟车身结构刚度和模态响应问题,提高了整体的设计效率。通过有限元模型的验证,基于近似模型的优化结果精度较高,实例白车身减重达5.73%。     

考虑NVH性能与碰撞安全性的轿车车身轻量化设计

建立某国产轿车车身有限元模型,在考虑车身的模态、刚度、车内声压以及多种碰撞工况的前提下,以车身结构质量最小化为目标,以车身的相关部件的厚度为变量,在进行最优拉丁超立方采样的基础上,运用Kriging近似建模技术建立近似模型,采用改进的粒子群算法求解其最优解,建立了综合考虑NVH性能和碰撞安全性的车身轻量化设计方法,在满足以上性能的情况下,达到了减重10.3%的效果,为开展车身多学科优化设计研究提供可借鉴的方法和途径。     

基于模态识别的参数化白车身轻量化优化设计

利用参数化建模软件SFE-CONCEPT建立了某轿车白车身的参数化模型,为白车身轻量化优化提供形状、厚度设计变量。对参数化白车身模型的静态弯曲、扭转刚度和低阶模态性能进行仿真分析并与试验对比,验证了所建参数化白车身模型的有效性。通过编辑脚本实现白车身模态振型与阶次的自动识别功能,避免了白车身优化过程中的人工介入。将脚本文件嵌入到Isight优化软件中,实现了参数化白车身轻量化全自动优化,从而减少了工作量并提高了白车身优化效率。轻量化优化过程中约束白车身静态弯曲刚度和一阶弯曲、扭转模态频率,寻求白车身质量最低、扭转刚度最大的方案。采用近似模型的方法对白车身进行优化,从而进一步提高白车身轻量化的优化效率。优化后白车身质量降低了33.97 kg,减重率达9.33%,白车身的弯扭刚度和一阶弯曲、扭转模态频率与初始模型基本一致,取得了显著的轻量化优化效果。