车身设计&轻量化&安全专题2024年
铝合金一体化精密铸造技术是实现汽车轻量化的重要方式之一。本文首先采用轻质铝合金材料、熔模真空吸铸工艺以及拓扑优化对白车身前副车架及仪表板横梁进行“材料-工艺-结构”一体化设计；其次对比一体化铝合金结构件的质量、研发成本、研制周期，较原钢制件大幅度降低；最后对加装一体化精密铸铝件的白车身进行刚度与模态的有限元仿真分析及台架试验。结果表明，一体化设计后，前副车架及仪表板横梁分别轻量36.6%、30.8%，同时白车身性能均满足设计要求。
电池车身一体化（CTB）是提升电动汽车续航里程的关键技术。利用胶接工艺将变厚度（VRB）结构与正交编织玻璃纤维增强复合材料（OW-GFRP）粘接形成的VRB/OW-GFRP混合结构，是降低CTB电池包质量的创新结构，有助于进一步提升电动汽车的续航里程。以某款电动汽车为研究对象，设计了一种CTB电池车身一体化结构，实现了电池包上盖与车身地板的集成融合。分别采用VRB结构、UT/OW-GFRP及VRB/OW-GFRP混合结构替代等厚度（UT）CTB电池包上盖总成，并基于多阶段优化方法开展了3种类型CTB电池包上盖总成的轻量化设计。结果表明，在满足CTB电池包刚度性能前提下，VRB结构相比UT结构实现减质量6.4%；基于VRB/OW-GFRP混合结构的CTB电池包上盖总成轻量化效果约为金属结构的3倍，VRB/OW-GFRP相比UT/OW-GFRP混合电池包上盖总成进一步减质量4.2%。由此可见，VRB/OW-GFRP混合结构是未来汽车轻量化技术发展的重要趋势，在CTB电池包上盖总成中具有巨大的应用前景。
碳纤维复合材料具有质轻高强等优势，是绝佳的轻量化材料，但汽车常用的碳纤维复合材料以环氧树脂等热固性树脂为基体，大规模应用会面临不易回收的难题。热塑性碳纤维复合材料具有易回收的优势，但其如何提升碳纤维与热塑性树脂的界面结合力及零件成型效率是行业难题。本文以热塑性碳纤维/尼龙6复合材料为研究对象，针对商品化碳纤维/尼龙6界面相容性差的问题，创新设计一种新型的可溶性共聚酰胺上浆剂，将碳纤维/尼龙6的界面强度提升74.2%，显著提升了碳纤维/尼龙6的综合性能。同时，优化预浸料制备和连续模压成型的工艺参数，将碳纤维顶盖横梁的模压生产效率提升至3.4 min/件，满足汽车行业大批量产节拍要求。同时，碳纤维/尼龙6顶盖横梁具有极高的弯曲强度和模量，与钢制件相比轻量率达68.8%。综上，本文为热塑性碳纤维复合材料（易回收）在汽车上的批量化应用提供了创新解决方案。
为了得到更为完善的商用车驾驶室轻量化设计，提出了钢-铝混合驾驶室材料-结构一体化轻量化方法。首先基于灵敏度分析、等刚度近似理论与等强度理论建立了性能驱动的材料选择方法，并针对钢制驾驶室初步设计了钢-铝混合材料方案。然后通过折衷规划法的拓扑优化识别了驾驶室关键传力路径，并加强了相关结构。其次考虑驾驶室零件厚度、截面尺寸设计参数，建立了驾驶室质量、刚度及模态性能的径向基函数的代理模型，并采用多目标粒子群优化方法对驾驶室进行多目标优化设计。优化结果表明，在满足驾驶室刚度、模态和碰撞性能的要求下，驾驶室质量减轻了12.8%。该方法对钢-铝混合驾驶室轻量化有实际的工程指导价值。
当前汽车行业对低碳化和轻量化的需求日益增长，新型一体化压铸技术应用于车身，能够实现质量、生产成本和周期的下降，并减少碳排放，成为各大汽车主机厂商争相研究热点。本文将某乘用车传统钢制车身前端机舱结构替换成一体化压铸件，对铝合金一体化前机舱进行了轻量化设计。通过SIMP法对前舱进行拓扑优化得到了最优刚度载荷路径，考虑前舱可铸造性对筋的拔模方向、厚度尺寸和位置分布进行设计。根据C-NCAP 2021进行正面碰撞仿真，通过田口实验设计方法与响应面优化改善了一体化压铸车身的耐撞性，并对优化后的白车身性能进行了仿真分析。与传统方案相比，一体化方案的质量减轻13.9%，白车身弯曲刚度提升9.7%，1阶模态达到要求。本文研究对后续一体化车身结构的平台化设计与工程应用具有指导意义。
近年大型一体压铸铝合金车身结构件逐渐被用于取代传统的冲压-焊接白车身结构。本文以一体压铸的车身后地板结构为对象，开展了轻量化设计研究。针对一体压铸车身结构件的分析问题，提出了等效分析方法；考虑压铸结构的工艺与性能，研究了结构设计中的工艺约束，阐明了其材料性能的非均质性；基于拓扑优化方法，分析了该结构的设计域，获取了最优传力路径；在上述研究内容的基础上，开展了轻量化设计，在保证性能的同时实现了7%的轻量。相关研究工作明确了新型一体压铸铝合金车身结构件的设计优化流程，具有一定的参考和借鉴意义。
为适应城市电动客车的发展以及国家节能环保政策的需要，提出了一种基于电动客车静强度和侧翻安全性能的灵敏度分析的车身结构轻量化方法。首先建立某电动客车的有限元模型，通过有限元方法对车身结构进行静强度和侧翻安全性分析。其次对有限元模型进行弯曲、弯扭工况下的车身静强度和侧翻安全性的灵敏度分析。基于灵敏度分析结果，筛选出有利于轻量化且对车身静强度和侧翻安全性影响不大的部件板厚为设计变量，以车身骨架质量最小为目标，以各材料所在单元的最大vonMises应力不超过其材料屈服强度为约束，进行尺寸优化。优化结果表明，车身结构静强度和侧翻安全性能满足法规要求，且车身骨架质量减轻了3.8%。
兰姆波具有传播距离长、成本低、对损伤敏感性高的特点，为研究碳纤维增强复合材料（carbon fiber reinforced polymer，CFRP）电池箱因低速冲击造成的目视不可见的冲击损伤提供了巨大的潜力。虽然相对声学非线性参数（relative acoustic nonlinear parameters，RANP）被证明在量化复合材料冲击损伤程度方面有效，但损伤对其影响机制尚未得到探索。本研究采用实验和仿真相结合的方法，首次研究了不同冲击损伤对兰姆波在CFRP电池箱中传播的影响。为此，首先建立电池箱结构的几何模型，然后针对CFRP开展冲击实验，搭建CFRP电池箱损伤-监测的仿真模型，最后研究分层、基体压缩损伤和纤维拉伸损伤等对CFRP电池箱损伤评估参数的影响。结果表明，建立的CFRP仿真模型计算精度可靠，RANP参数对各模式损伤面积敏感，而对于损伤在厚度方向上出现的位置不敏感；损伤会使兰姆波在传播时产生新的频率成分，计算RANP参数能够分析损伤的程度；损伤程度在较低时，RANP参数大小更多取决于分层损伤，一旦损伤超出某个阈值，RANP参数大小更多取决于纤维断裂等CFRP层内损伤。该研究成果对于汽车碰撞安全部件的结构-功能一体化设计具有重要指导价值。
在车身前期设计阶段，为了考核车辆在极限坑洼路面的冲击下对车身结构的影响，根据通用全球相关方坑道路试验标准，本文针对极限冲击的方坑#3路面，以某车型在方坑#3路试中出现了车身结构失效的问题为研究对象，找出了传统钣金失效准则CAE方法的不足，不能复现出试验失效的问题，进而通过大量料片试验建立了断裂成形极限图（fracture forming limit diagram，FFLD），来作为钣金失效准则的CAE新方法。随后基于该CAE新方法，通过车辆动力学科计算的方坑#3虚拟路谱作为载荷输入，对车身结构进行有限元仿真分析，成功复现了试验失效。根据CAE新方法分析的结果，对车身结构进行改进，最终通过了方坑#3路试验证，且试验和CAE仿真结果对标具有良好的一致性。证明了基于该方法，可以在车身开发前期阶段，准确预测出钣金在复杂变形条件下的真实破坏情况，从而减少了后期试验中出现的车身结构失效的风险。
针对车身用铝合金板内部铆钉缺陷特征提取难度大、缺陷类型与程度识别准确率低的问题，提出一种基于高斯卷积深度信念网络与双向长短期记忆网络相结合的铆钉失效缺陷诊断模型与检测方法。首先，面向5种铆钉断裂缺陷设计试件并搭建自动检测系统，通过规划和调整探头姿态有效地降低提离效应对检测信号的影响。其次，设计双网络融合诊断模型提取和学习多维度缺陷特征信息，解决检测曲线中由时序变化特性和空间分布状态表征的缺陷信息提取难题。实验结果表明，与传统卷积网络及单一深度信念网络相比，优化后算法诊断模型的平均准确率为99.85%，相比提升了14.54%，且具有良好的通用性和鲁棒性，可实现铆钉内部缺陷的在线诊断。
为推动喷射器回收膨胀功技术的实车应用，本文开展了-30~50 ℃宽温区运行工况下车用压缩-引射式CO2热泵系统制冷制热性能及喷射器膨胀功回收特性研究，重点分析了工作喷嘴对固定尺寸喷射器变工况适应性的影响。结果表明：制冷工况下随着环境温度升高，喷射系数递减，而升压比递增；制热工况下随着环境温度降低，喷射系数和升压比均先增大后减小；制冷工况下喷射器回收膨胀功占最大可回收膨胀功的16.7%~37.2%，制热工况下为9.9%~41.3%；以高温制冷工况设计的固定尺寸喷射器难以适应低温制热工况，偏离设计工况时，喷嘴出口过膨胀会造成激波能量损失，而低温制热工况下喷嘴出口因欠膨胀会导致喷射器无引射效果。
产品族的平台化设计可以提高零部件的通用率，降低生产成本。但是目前关于平台化的研究主要集中在参数化设计层面，缺少直接对产品拓扑结构进行平台化设计的方法。为此，本文面向车身结构的平台化设计需求提出了一种适用于多对象拓扑结构的并行设计方法。首先将改进图分解算法与多目标遗传算法结合得到单个车型拓扑结构划分的最优设计方案；其次基于车身拓扑结构模块化设计流程提出了一种面向多对象优化的多种群多染色体遗传算法（multi-population and multi-chromosome genetic algorithm， MPMCGA），该算法能够保证各对象的设计目标损失在允许范围内的同时，提升平台模块的共享潜力。最后通过对3款概念车身的底板结构进行平台化设计，验证了多对象离散拓扑优化方法的有效性。
概念设计作为汽车设计流程的重要阶段，需要快速地进行方案设计和方案评估。目前一般采用参数化设计和CAE相结合的方法，实现基于分析的车身结构概念设计。随着机器学习和深度学习算法的发展和成熟，智能设计方法将成为车身结构设计主要创新技术。本文使用数据驱动和优化设计相结合的方法，自主研发了车身结构智能设计软件工具（S-iVCD）。首先，基于残差网络和热力图回归算法提取车身结构特征点，实现车身结构概念模型的自动化建模。其次，基于高斯过程采样收集车身结构数据集，采用全连接神经网络模型构建了车身结构网络模型，通过将车身各部件参数输入训练好的网络模型，实时得到车身整体性能的结果。最后，将数据驱动计算与移动渐近线算法结合，快速实现考虑质量、弯曲刚度和扭转刚度的车身结构多目标优化设计。通过与有限元实例对比，计算结果的误差在允许范围内，优化计算时间大为缩短，轻量化率达到了7.4%。由此表明基于数据驱动的车身结构优化设计方法对于汽车概念设计阶段提高效率是有效的。
铝合金多胞薄壁管轴向压缩在能量吸收方面比普通方形管具有更优的力学性能，在汽车、航空、军事装备以及其他产业应用前景非常广泛。为研究挤压型材6061-T6铝合金材料各向异性特征，在板材上分别沿挤压方向0°、45°、90°取样进行单轴拉伸力学特性试验，获取相应的应力-应变曲线和各向异性特征参数，基于各向异性硬化行为的屈服准则建立材料本构模型。设计口字、日字、目字等构型截面并对管件进行准静态压溃试验，通过对比分析变形-压溃力曲线表明目字型多胞铝合金薄壁结构具有更加优越的耐撞性能。为进一步获得目字型薄壁管最优设计参数，考虑泊松比、弹性模量等材料参数波动对结构耐撞性能产生不确定性影响，建立多胞铝合金薄壁管耐撞性区间不确定性优化模型，采用区间可能度方法将其转化为确定性问题，结合人工神经网络 （artificial neural networks， ANNs） 模型与交错投影寻踪遗传算法 （intergeneration projection genetic algorithm， IP-GA） 方法对该问题进行双层嵌套优化，分析不同可能度水平对不确定性优化结果的影响，为不同可靠性优化设计的选择提供指导性意见。
为解决某车型在粗糙沥青路面30 km/h时速下产生的35-40 Hz频段路噪问题，通过仿真与测试的方法进行分析。基于结构噪声传递路径分析（TPA）理论与节点贡献量分析，确定问题频率噪声主要由车身钣金件的低频振动导致。为此，根据局部共振原理，设计了一种可根据钣金形状及钣金局部空间进行工业化设计的局部共振结构，该结构由金属支架与金属块组成。将该结构添加至贡献较大的钣金处，通过仿真得到，该结构降低了钣金的振动，从而优化了车内噪声，前排与后排噪声峰值分别降低了8.6和6.4 dB。同时，实车试验结果表明车内噪声前排与后排噪声峰值分别改善了7.0和5.8 dB。为控制钣金部件振动和辐射的低频噪声提供了一种新的研究方法和优化方案。
蜂窝材料具有轻质、高比吸能等优良的能量吸收性能，被广泛应用于各类吸能防护结构，本文基于Voronoi图形和3D打印技术，设计并制备了新型梯度随机蜂窝夹芯结构，建立其三点弯曲加载的有限元模型，并进行了试验验证，进而基于数值模型开展了其耐撞性研究以及多目标优化设计，研究结果表明，均匀随机蜂窝夹芯结构中，较低随机度的蜂窝夹芯结构具有更好的能量吸收特性，壁厚增大增加比吸能的同时因其细观变形模式由塑性铰主导而具有较大的承载波动系数，相对密度一致时，胞元尺寸不同的随机蜂窝夹芯结构的比吸能相差不大，胞元尺寸的减小使变形过程更加平稳而降低了承载波动系数；对于胞元尺寸梯度、壁厚梯度随机蜂窝夹芯结构，正梯度的引入增大了加载端强度，使得吸能指标提高；基于非支配排序速传算法（non-dominated sorting genetic algorthm-II，NSGA-II），对正梯度随机蜂窝夹芯结构进行多目标优化，得到的优化结果相比于未进行优化设计的均匀随机蜂窝夹芯结构，比吸能提高了33.9%。
本文研究了1500HS热成形钢两层板电阻点焊接头的组织演变和变形行为。通过金相组织分析、热输入分布图以及合金材料性质图，分析了点焊接头在不同热输入量位置的组织演变。随着距焊核中心区域距离增加，点焊接头组织可以分为柱状晶马氏体、粗晶马氏体、细晶马氏体、铁素体-马氏体双相组织和回火马氏体组织。结合维氏硬度分析，明确了不同组织特征下的硬度差异，结果表明在铁素体-马氏体双相组织和回火马氏体区域的硬度下降较为明显，是焊点的薄弱区域。基于不同板厚组合下的熔核尺寸、最大失效载荷、断口宏观形貌、初始断裂位置和维氏硬度等实验结果，阐明了板材厚度和板材强度两类因素对于焊点断裂模式、初始断裂位置和最大失效载荷的影响规律。
为提高电动载货汽车轻量化水平，本文提出了一种车架与电池舱一体化（cell to frame-简称“CTF”）结构。首先建立对标车型车架有限元模型，计算了其静力学性能与自由模态，并通过自由模态试验验证有限元模型的准确性。然后采用道路实采的多工况组合疲劳载荷谱在时域内运用名义应力法进行车架疲劳寿命分析。接着对经有限元分析验证合理的CTF结构初始设计进行试验设计并建立代理模型。最后采用全局响应面法进行优化设计，获得最佳轻量化方案。结果表明，优化设计后，CTF结构质量相较于传统的车架与电池舱分离设计结构轻量139.95 kg，轻量化率达14.09%，同时CTF结构力学性能与疲劳寿命均满足设计要求。
一体压铸零件在快速的填充和冷却过程中不可避免地会产生缺陷，且缺陷对铸件力学性能的影响不可忽视。然而，现有力学分析模型难以准确预测含缺陷铸件的力学性能，给铸件结构安全性设计带来巨大困难。针对此问题，本研究提出了一套考虑缺陷的铸铝弹塑性本构和断裂模型。从一体压铸后地板的不同位置裁剪出5种不同形状的样件，并开展了试验测试。利用扫描电镜统计了断面上的缺陷信息。基于标准拉伸样件的应力-应变曲线，提出了考虑缺陷和饱和应力的弹塑性本构，准确描述了其应变硬化特性。基于现有的Modified Mohr-Coulomb （MMC）断裂准则，提出了考虑缺陷和应力状态的改进MMC模型，并通过4种不同形状的样件进行了参数标定。为了验证所提模型的有效性，进行了试验和仿真的对比分析。结果表明，相比于传统硬化模型，所提弹塑性本构具有很高的拟合精度（R2>0.994）。不同样件试验和仿真的载荷-位移曲线吻合度较高，验证了所提断裂模型的有效性。本研究为一体压铸铝合金力学性能的高精度预测提供了新的思路。
本研究针对电动汽车一体式前机舱复杂薄壁结构设计，提出了一种基于拓扑优化的结构性能协同设计方法。研究通过拓扑优化确定多重负载条件下的最优载荷路径，并进行前机舱一体压铸部件工艺可行性设计。对压铸材料进行了材料测试并开发了基于应力三轴度和罗德角系数应力状态的失效曲面，搭建了正面碰撞简化模型用于评估前机舱集成结构挤压型材纵梁与压铸部件的刚度匹配。结果表明，采用该设计方法可以有效获得多性能约束下的拓扑路径，充分考虑前机舱结构工艺可行性及结构性能匹配，降低研发成本。
车身设计&轻量化&安全专题2024年
