留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

稳健性和轻量化在车门结构优化设计中的应用

王栋 王丽娟 陈宗渝 吴晓东 张沈生

王栋, 王丽娟, 陈宗渝, 吴晓东, 张沈生. 稳健性和轻量化在车门结构优化设计中的应用[J]. 机械科学与技术, 2019, 38(4): 626-633. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180204
引用本文: 王栋, 王丽娟, 陈宗渝, 吴晓东, 张沈生. 稳健性和轻量化在车门结构优化设计中的应用[J]. 机械科学与技术, 2019, 38(4): 626-633. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180204
Wang Dong, Wang Lijuan, Chen Zongyu, Wu Xiaodong, Zhang Shensheng. Application of Robustness and Lightweight in Optimal Design of Door Structure[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2019, 38(4): 626-633. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180204
Citation: Wang Dong, Wang Lijuan, Chen Zongyu, Wu Xiaodong, Zhang Shensheng. Application of Robustness and Lightweight in Optimal Design of Door Structure[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2019, 38(4): 626-633. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180204

稳健性和轻量化在车门结构优化设计中的应用

doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180204
基金项目: 

国家自然科学基金项目 51165034

江西省自然科学基金项目 20132BAB206029

详细信息
    作者简介:

    王栋(1993-), 硕士研究生, 研究方向为车身结构优化设计与轻量化研究, dwang14@163.com

    通讯作者:

    王丽娟, 副教授, 硕士生导师, wjoker@163.com

  • 中图分类号: U463.834

Application of Robustness and Lightweight in Optimal Design of Door Structure

  • 摘要: 目前多数的轻量化研究,通常基于尺寸、形状、位置等某一单方面的设计因素展开,而忽略了各因素之间的交互性。另外,设计变量在制造生产过程中不可避免的存在一定范围内的波动。针对现有车门产品,结合多种类的设计因素,并考虑设计变量的波动对产品性能的影响,采用试验设计方法构造高精度的响应面模型,结合多岛遗传算法、蒙特卡罗模拟技术,对车门结构进行6σ稳健性与轻量化改进设计。结果表明,本研究在减轻车门质量的同时显著提高了产品性能及性能的稳健性。
  • 图  1  确定性优化与6σ稳健性优化

    图  2  车门有限元模型

    图  3  车门下沉刚度工况

    图  4  车门窗框侧向刚度工况

    图  5  侧面碰撞工况有限元模型

    图  6  侧面碰撞后车体结构变形

    图  7  车门结构优化流程图

    图  8  设计变量示意图

    图  9  防撞杆设计空间确定

    图  10  优化前后仿真结果对比

    表  1  车门下沉刚度数据对比

    F/N 200 400 600 800 1 000 卸载
    试验值/mm 1.46 2.86 4.33 5.91 7.47 0.36
    仿真值/mm 1.46 2.92 4.37 5.83 7.29 0.36
    下载: 导出CSV

    表  2  窗框侧向刚性数据对比

    F/N 40 80 120 160 200 卸载
    试验值/mm 1.00 2.12 3.21 4.35 5.52 5.52
    仿真值/mm 1.06 2.11 3.17 4.26 5.28 5.22
    下载: 导出CSV

    表  3  侧面碰撞工况门内板侵入量数据对比

    编号 测量项 侵入量/mm
    试验 CAE
    1 门内板对应假人上肋骨 117.7 110.8
    2 门内板对应假人下肋骨 131.7 129.8
    3 门内板对应假人腹部 162.5 151
    4 门内板对应假人H 175.2 159.9
    5 门内板对应假人骨盆 177.9 175.1
    下载: 导出CSV

    表  4  考核性能的约束条件

    性能 考核点 约束条件
    下沉刚度 加载1 000 N时加载点位置Z向弹性位移d1 d1≤7 mm
    窗框侧向刚度 加载200 N时加载点位置Y向弹性位移d2 d2≤5 mm
    耐撞性能 骨盆对应门内板Y向侵入量y >y≤170 mm
    下载: 导出CSV

    表  5  设计变量

    参数名称 下限 初始值 上限 分布类型 标准差
    拼焊线前侧
    内板T1/mm
    0.65 1.4 2.0 正态分布 0.016
    外后视镜安
    装板T2/mm
    0.65 1.6 2.0 正态分布 0.016
    内板上加
    强板T3/mm
    0.65 1.6 2.0 正态分布 0.016
    防撞杆管
    T4/mm
    1.4 2.0 2.8 正态分布 0.05
    防撞杆的
    管径D/mm
    22.0 32.0 36.0 正态分布 0.05
    防撞杆的
    长度l/mm
    778.0 788.0 851.6 正态分布 1.0
    防撞杆的
    角度α/(°)
    -7.0 9.0 15.0 正态分布 0.5
    防撞杆的
    高度h/mm
    0.0 0.0 106.0 正态分布 1.0
    拼焊线X
    向坐标/mm
    622.0 672.0 722.0 正态分布 0.5
    下载: 导出CSV

    表  6  响应面系数

    对应变量 m d1 d2 y
    a0 常数项 21.310 -108.362 12.080 -884.116
    D -0.068 0.294 0.076 -0.237
    T1 -0.273 -16.290 -6.398 26.084
    T2 0.193 -2.156 -0.962 31.230
    T3 0.921 0.616 0.402 57.181
    ai T4 0.486 0.389 -0.437 -9.403
    X -0.009 0.096 0.003 0.812
    α 0.519 13.191 2.564 -22.334
    h -0.089 9.182 2.214 22.219
    l 0.05 -12.576 -3.812 -7.475
    D2 0.000 -0.005 -0.001 -0.020
    aii
    l2 -0.0001 0.0084 0.002 0.0185
    D×T1 0.003 -0.014 -0.001 -0.155
    aij
    h*l 0.0002 -0.012 -0.002 -0.045
    下载: 导出CSV

    表  7  车门各响应的拟合精度

    m d1 d2 y
    R2 0.999 0.996 0.998 0.947
    下载: 导出CSV

    表  8  初始值、确定性最优解和稳健性最优解

    参数 初始值 确定性最优解 6σ稳健性最优解 6σ稳健性最优解(圆整后)
    结果 标准差 σ水平 结果 标准差 σ水平 RSM 有限元
    D/mm 32 22.5 8 26.3 8 26
    T1/mm 1.4 1.5 8 1.7 8 1.7
    T2/mm 1.6 1.9 2.8 1.9 8 1.9
    T3/mm 1.6 1.1 2.8 0.9 8 0.9
    T4/mm 2 1.4 1 1.7 8 1.7
    X/mm 672 680.7 6 631.7 8 632
    α/(°) 9 5 8 5 8 5
    h/mm 0 34.4 8 23.8 8 24
    l/mm 788 803.1 8 796.2 8 796
    d1/mm 7.29 6.38 0.135 8 6.25 0.022 8 6.29 6.83
    d2/mm 5.28 4.98 0.014 1.38 4.97 0.005 6 4.98 5.08
    y/mm 175.1 170.6 0.16 2.87 168.8 0.14 8 169.3 170.5
    m/kg 17.9 16.4 0.037 16.6 0.036 16.6 16.6
    下载: 导出CSV
  • [1] 刘玉山, 徐安平, 富大伟, 等.基于预偏移的激光拼焊板焊缝优化补偿方法[J].机械工程学报, 2012, 48(16):59-63 http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/jxgcxb201216010

    Liu Y S, Xu A P, Fu D W, et al. Pre-offset-based approach to optimizing and compensating weld-line of tailor-welded blanks[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2012, 48(16):59-63(in Chinese) http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/jxgcxb201216010
    [2] 朱茂桃, 朱彩帆, 郭佳欢, 等.基于6σ稳健性的轧制差厚板车门优化设计[J].中国机械工程, 2017, 28(8):996-1001 doi: 10.3969/j.issn.1004-132X.2017.08.020

    Zhu M T, Zhu C F, Guo J H, et al. Optimization design of TRB car doors based on 6σ robustness[J]. China Mechanical Engineering, 2017, 28(8):996-1001(in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1004-132X.2017.08.020
    [3] Baril C, Yacout S, Clément B. Design for six sigma through collaborative multiobjective optimization[J]. Computers & Industrial Engineering, 2011, 60(1):43-55 http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=9cffd1482be5891457ddf8494d4b635b
    [4] 崔杰, 张维刚, 常伟波, 等.基于双响应面模型的碰撞安全性稳健性优化设计[J].机械工程学报, 2011, 47(24):97-103 http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/jxgcxb201124016

    Cui J, Zhang W G, Chang W B, et al. Robustness optimization for crash safety based on dual-response surface model[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2011, 47(24):97-103(in Chinese) http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/jxgcxb201124016
    [5] 谢晖, 刘行, 洪健程.基于Taguchi方法的车门结构稳健性优化[J].中国机械工程, 2013, 24(12):1676-1681 doi: 10.3969/j.issn.1004-132X.2013.12.023

    Xie H, Liu X, Hong J C. Robust optimization of automotive door structure based on Taguchi method[J]. China Mechanical Engineering, 2013, 24(12):1676-1681(in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1004-132X.2013.12.023
    [6] 贺新峰, 于德介, 肖枚清.基于响应面的结构疲劳寿命6σ稳健优化设计[J].汽车工程, 2014, 36(3):368-373, 377 doi: 10.3969/j.issn.1000-680X.2014.03.021

    He X F, Yu D J, Xiao M Q. Six-sigma robust design of structural fatigue life based on response surface method[J]. Automotive Engineering, 2014, 36(3):368-373, 377(in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1000-680X.2014.03.021
    [7] Gu X G, Sun G Y, Li G Y, et al. A comparative study on multiobjective reliable and robust optimization for crashworthiness design of vehicle structure[J]. Structural and Multidisciplinary Optimization, 2013, 48(3):669-684 doi: 10.1007/s00158-013-0921-x
    [8] Yoon T H, Kim H, Heo C, et al. An experiment and FE simulation for the development of a SPFC1180 AHSS one-body door impact beam about a car side collision[J]. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing, 2016, 17(1):81-89 doi: 10.1007/s12541-016-0011-2
    [9] Koch P N, Yang R J, Gu L. Design for six sigma through robust optimization[J]. Structural and Multidisciplinary Optimization, 2004, 26(3-4):235-248 doi: 10.1007/s00158-003-0337-0
    [10] 李玉强, 崔振山, 陈军, 等.基于响应面模型的6σ稳健设计方法[J].上海交通大学学报, 2006, 40(2):201-205 doi: 10.3321/j.issn:1006-2467.2006.02.005

    Li Y Q, Cui Z S, Chen J, et al. Six sigma robust design methodology based on response surface model[J]. Journal of Shanghai JiaoTong University, 2006, 40(2):201-205(in Chinese) doi: 10.3321/j.issn:1006-2467.2006.02.005
    [11] 王嵌, 杨济匡, 郭杰.轿车车门防撞杆结构优化的研究[J].汽车工程, 2010, 32(12):1047-1052 http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/qcgc201012008

    Wang Q, Yang J K, Guo J. A study on the structural optimization of side door bar for a passenger car[J]. Automotive Engineering, 2010, 32(12):1047-1052(in Chinese) http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/qcgc201012008
    [12] 高云凯, 申振宇, 冯兆玄, 等.多目标优化在车门轻量化设计中的应用[J].同济大学学报:自然科学版, 2017, 45(2):275-280, 308 http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/tjdxxb201702018

    Gao Y K, Shen Z Y, Feng Z X, et al. Application of multi-objective optimization in vehicle door lightweight[J]. Journal of Tongji University:Natural Science, 2017, 45(2):275-280, 308(in Chinese) http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/tjdxxb201702018
    [13] 王嵌, 杨济匡, 郭杰.轿车车门防撞杆结构优化的研究[J].汽车工程, 2010, 32(12):1047-1052 http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/qcgc201012008

    Wang Q, Yang J K, Guo J. A study on the structural optimization of side door bar for a passenger car[J]. Automotive Engineering, 2010, 32(12):1047-1052(in Chinese) http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/qcgc201012008
    [14] 侯飞, 高卫民.基于计算机模拟的轿车侧门防撞杆对美国侧撞法规作用的研究[J].汽车工程, 2005, 27(1):47-49, 96 doi: 10.3321/j.issn:1000-680X.2005.01.012

    Hou F, Gao W M. Simulation on crashworthiness of car door impact bars in terms of FMVSS214 requirements[J]. Automotive Engineering, 2005, 27(1):47-49, 96(in Chinese) doi: 10.3321/j.issn:1000-680X.2005.01.012
    [15] 孙光永, 李光耀, 张勇, 等.基于鲁棒性的概率优化设计在薄壁构件耐撞性中的应用[J].中国机械工程, 2007, 18(4):479-483 doi: 10.3321/j.issn:1004-132X.2007.04.027

    Sun G Y, Li G Y, Zhang Y, et al. Application study on robust-based probabilistic optimization design in thin-walled structure of crashworthiness[J]. China Mechanical Engineering, 2007, 18(4):479-483(in Chinese) doi: 10.3321/j.issn:1004-132X.2007.04.027
  • 加载中
图(10) / 表(8)
计量
  • 文章访问数:  228
  • HTML全文浏览量:  259
  • PDF下载量:  38
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2018-02-03
  • 刊出日期:  2019-04-05

目录

    /

    返回文章
    返回