车身设计&轻量化&安全专题2024年
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。
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。
冲压模具结构设计的目标是在同时考虑结构性能和模具质量的情况下，获得最优的结构构型及相应的尺寸参数。仅靠单一的拓扑优化流程很难实现这一目标。为此，本研究提出了一种模具结构拓扑—尺寸联合优化设计方法。该方法通过采用节点一一对应的载荷映射策略，避免了复杂的载荷映射计算步骤，直接将接触面的载荷分布转换为静力模型中的加载工况。通过给出的性能评价指数和相应的选择策略确定拓扑优化模型中结构性能的放松系数，使拓扑优化后模具力学性能不弱于初始设计的同时尽可能轻量化。最后，根据拓扑优化获得的最优结构构型，采用基于多代理模型的尺寸优化方法确定其对应的结构参数。该方法被成功应用于汽车结构件冲压模具的优化设计，并通过对比初始设计、拓扑优化设计和拓扑—尺寸联合优化设计的结果，验证了所提方法的有效性。
点阵结构力学超材料由于其良好的力学特性及耐撞性，广泛地应用于各类防护结构。传统点阵材料多为周期性排布的规则多孔材料，受金属材料微观晶体结构启发，本文在点阵材料的设计中引入了随机的晶界结构，提出并采用3D打印技术制备了多晶体点阵材料试件，进一步地，基于经试验验证的有限元模型开展了其耐撞性研究。研究结果表明：与单晶体点阵材料相比，当晶格角度相同时，多晶体点阵材料的比吸能提升较大，尤其在30°角度下提升了143%；多晶体点阵材料的晶粒尺寸、晶粒内晶格角度、晶粒随机度均会影响其耐撞性，当晶粒变小时，材料的吸能过程会更加平稳，但由于边界效应的影响，晶粒过小反而会加剧吸能过程中的波动；45°晶格角度与30°/60°随机晶格角度排列下的多晶体点阵材料有着平稳的吸能过程；随机度较大的多晶体点阵材料其能量吸收过程更加平稳。本文提出的新型多晶体点阵力学超材料可以有效地提高传统点阵材料的耐撞性，可为发展新型轻质点阵超材料的设计与优化提供指导。
汽车前轴的尺寸大、受力复杂，主要用锻造方法制造，受到工字形结构的限制难以轻量化。本文给出了空心汽车前轴的设计方法，采用变截面变壁厚的空心矩形结构和组合的钢板弹簧座，实现轻量化、改善抗弯扭性能。通过垂向及纵向工况有限元模拟揭示主销孔处壁厚对拳部强度的影响规律，给出拳部壁厚系数、封堵孔高度系数、封堵孔宽度系数的合适范围。选用无缝钢管试制出某轴荷5 t的空心前轴1∶1样件，较锻造前轴轻量10.75%。针对试制的空心前轴样件，进行了垂向、纵向的刚度试验以及垂向工况的静强度试验、疲劳试验，揭示了轴体下表面的垂向位移、轴向应力的变化，揭示了拳部外端面封堵孔边缘的应力分布。试验结果表明：变截面空心矩形前轴的刚度、静强度均符合行业标准，垂向工况的疲劳寿命远高于行业标准，在轻量化的同时改善了性能。
为开发更佳行人保护效果的发罩，先设计圆形、三角形和矩形3种吸管吸能模块，再制备以PA11为材料的圆形吸管吸能模块（CSEAM）样件，并验证了有限元模型，进而通过仿真评估3种新型仿吸管夹层发罩（NSSH）的人体损伤防护效果且分析了变形模式。研究显示：3种NSSH均能显著降低行人头部损伤，且三角形吸管夹层发罩（TSSH）的人体损伤防护效果最佳；其变形均以规则形状均匀扩散，通过降低发罩整体结构刚度而优化了碰撞波形中各阶段的加速度和冲击力峰值。进一步分析发现，TSSH的人体损伤防护效果随车速和撞击角度增大而降低，且所致损伤均大幅低于原发罩，表明抬升发罩即减小撞击角度可更好地保护行人；而当身罩比Rh≤2.1和Rh≥2.45时头部分别仅撞击发罩和风窗玻璃，其可作为发罩抬升的判别依据。研究成果将为行人保护效果更优的发罩结构设计提供支持。
耐撞性优化是实现车辆更好被动安全保护性能的有效途径，但目前的优化都专注于数值型响应的提升，而忽略了变形模式这一类别型响应的控制。关键部件的变形模式关乎车辆传力路径设计是否有效，如果不理想的变形模式出现在优化解中，则无法保证优化结果的有效性。为此，本研究提出了基于机器学习的变形模式控制优化方法，以实现在提升耐撞性指标的同时保证优化解中的样本均以理想模式变形。结构变形以图片形式进行数据表示，利用深度学习自编码提取变形特征并进行聚类识别不同的变形模式，然后对识别出的变形模式和数值型响应均建立基于Light Gradient Boosting Machine （LightGBM）的机器学习预测模型，最后在机器学习预测模型上开展优化求解。使用整车正碰案例对提出的机器学习优化方法进行验证，结果显示该优化方法在提升耐撞性数值响应的同时保证了纵梁以理想模式变形。本研究展示了机器学习在提升结构优化有效性方面的前景。
在智能汽车和自动驾驶技术的发展背景下，以乘员舒适性为核心的零重力座椅开始配置于部分乘用车。与直立坐姿相比，后倾坐姿乘员在碰撞事故中存在较高的损伤风险，使得其碰撞安全解决方案的研发迫在眉睫。本文围绕后倾坐姿乘员碰撞安全问题，从损伤机理、约束系统、研究工具3个方面综述了相关研究现状及发展趋势。梳理总结发现：（1）后倾坐姿乘员碰撞损伤形式有别于直立坐姿乘员，其腰椎、髂骨等特征部位损伤机理尚未完全明确；（2）以三点式安全带为核心的传统乘员约束系统经改进与优化后仍难以对后倾乘员提供有效的整体保护，在主被动安全一体化体系下研发能够合理兼顾下潜损伤与脊柱损伤的新型防护手段是后倾乘员碰撞防护研究的关键问题；（3）作为主要研发和评测工具的碰撞假人和人体模型须针对后倾工况改善其可用性和生物逼真度。
随着移动通信技术在智能自动驾驶系统中的持续发展，保障车载通信数据的安全已成为交通系统安全的一个重要环节，面对黑客可能通过CAN总线网络远程操控车辆的威胁，现有网络框架虽能检测已知攻击，但在识别未知攻击时表现不佳。为此，本研究提出一种融合证据深度学习的检测框架，该框架由数据预处理模块、数据分析模块和攻击检测模块组成。预处理模块通过独立热编码技术，以提升数据质量和适应性；数据分析模块通过生成对抗网络（GAN）技术增强该框架的泛化能力并模拟攻击场景；攻击检测模块应用了证据深度学习，提高了框架在应对未知攻击时的不确定性处理能力。该框架在开源汽车黑客数据集和基于奇瑞EXEED RX车型自主构建的数据集上进行了测试。实验结果表明，该框架在检测未知攻击时，相比于传统的基于softmax的分类网络综合性能提高了24.5%。
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。
有无紧急制动（AEB）的正面碰撞工况中驾驶员姿态对运动学响应及损伤风险具有重要影响。本文采用THUMS（Ver.6.1）人体有限元模型建立了标准、后仰和前倾等3种驾驶姿态，搭建了正面碰撞约束系统模型，进行了6组50 km/h的仿真实验，对比分析驾驶员不同姿态在有和无AEB作用下的运动学响应以及驾驶员头、胸部损伤参数。结果表明：在有和无AEB介入时，后仰姿态的头部损伤风险均最高，其中有和无AEB介入的HIC15分别为817.5和626.9。AEB的介入对驾驶员胸部压缩量影响最大，3种姿态的胸部压缩量分别增大了89%、115%和22%，后仰姿态胸部压缩量损伤最严重。研究结果厘清了驾驶姿态与AEB对驾驶员运动学响应以及头、胸部损伤的影响，为汽车约束系统和AEB的开发与设计提供了参考价值。
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。
当前面向行人的碰撞保护研究主要针对成人开展，未对成人和儿童实施分类保护。本文根据Euro-NCAP相关碰撞条款，建立了人-车碰撞数值仿真模型。仿真分析表明，通用气囊无法同时有效降低成人和儿童头部损伤。为此，根据安全气囊的特点及成人和儿童生理上的差异研究了成人和儿童分类保护气囊式吸能装置，并提出了一种改进的YOLOv5行人目标检测模型以实现对成人和儿童的分类识别。根据分类结果，汽车控制模块动态调整气囊式吸能装置参数，使该装置能够针对成人和儿童分别展开到不同状态，实现对行人的分类保护。结果表明，所设计的目标检测模型能够实现行人的分类识别，与初始模型相比，其在成人和儿童类别检测精确度方面分别提高了3.11%和4.32%。安装分类保护气囊装置后，成人头部HIC值能够最大降低63.4%，峰值加速度能够最大降低61.7%；儿童头部HIC值能够最大降低31.4%，峰值加速度能够最大降低53.2%。研究成果能够为行人主被动安全保护装置设计提供科学理论支撑。
为识别和获取用户路线的汽车结构疲劳损伤，提出了“素材谱”和“探测车”的概念，进而提出了一种基于路况识别、划分并与素材谱相结合的用户路线的汽车结构疲劳损伤的便捷获取方法。首先，构建了IRI（国际平整度指数）识别路面等级的数学模型，建立了通过探测车的简配传感器方案识别用户路面等级的方法，并研究了车速与IRI的关联性和独立性。接着，提出了基于IRI和车速二维变量对用户路线的探测车道路工况细化分级及里程分布确定的方法。然后，结合全通道样车在本地采集的素材谱及单位里程损伤，最终高效地计算、获得用户路线及区域的汽车结构疲劳损伤。从而创建和形成了“素材谱+探测车”识别用户路线总损伤的解决方案。验证结果良好，表明所研究技术方法具有良好的可操作性、精确性和有效性。
对某汽车车门关闭过程中产生的疲劳失效问题进行了研究。首先，对车门关闭工况下的瞬态冲击载荷进行离散化处理，通过整车和台架实验分别采集振动加速度响应信号和频率响应函数，从而利用传递路径分析（transfer path analysis， TPA）方法计算得到离散化瞬态冲击载荷。其次，将求取的瞬态冲击载荷输入至车门有限元模型中，进而获得关门工况下的应力-时间历程响应云图，进一步由疲劳损伤理论计算车门关闭工况下的疲劳寿命。最后，将基于载荷识别的疲劳分析结果、基于显式动力学的疲劳分析结果以及车门关闭工况下的疲劳实验结果进行对比验证，结论表明三者结果一致性较好，验证了该方法的合理性。
车身设计&轻量化&安全专题2024年
