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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
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    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
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    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
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    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
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    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
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    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
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    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
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    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
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  • 收稿日期:  2018-02-03
  • 刊出日期:  2019-04-05

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