基于混合元胞自动机的车身变厚度板优化设计

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1、学校代号10532学号S150200333分类号U461.91密级公开硕士学位论文基于混合元胞自动机的车身变厚度板优化设计学位申请人姓名罗欣培养单位机械与运载工程学院导师姓名及职称成艾国教授学科专业机械工程研究方向车身被动安全论文提交日期2018年4月23日学校代号：10532学号：S150200333密级：公开湖南大学硕士学位论文基于混合元胞自动机的汽车变厚度板优化设计学位申请人姓名：罗欣导师姓名及职称：成艾国教授培养单位：机械与运载工程学院专业名称：机械工程论文提交日期：2018年4月23日论文答辩日期

2、：2018年5月19日答辩委员会主席：冯凯教授OptimizedDesignofAutomobileTailorRolledBlankbasedonHybridCellularAutomatabyLUOXinB.E.（HunanUniversity）2015AthesissubmittedinpartialsatisfactionoftheRequirementsforthedegreeofMasterofEngineeringinMechanicalEngineeringintheGraduateScho

3、olofHunanUniversitySupervisorProfessorCHENGAiguoMay,2018基于混合元胞自动机的汽车变厚度板优化设计摘要随着汽车工业的快速发展，针对车身轻量化和耐撞性设计的要求日益提高。连续变厚度轧制(TailorRolledBlank,TRB)技术是先进的轻量化制造工艺，有助于设计者根据结构的承载特点进行板料厚度的合理分布，实现汽车车身结构的轻量化和碰撞安全性设计。变厚度B柱是典型的车身关键碰撞传力结构和吸能部件，主要由若干等厚度区和厚度过渡区构成。然而确定其结构的等厚

4、度区和厚度过渡区的数量和位置存在很大的难度，属于多维、高度非线性的结构优化设计问题，使用传统的数值优化算法很难解决上述问题。混合元胞自动机(HybridCellularAutomata,HCA)方法是解决该问题的有效方法。本文结合HCA方法和TRB的结构特点，对TRB结构在弯曲载荷下的厚度分布优化问题开展了一系列研究工作，本文的研究工作和创新性成果主要体现在：(1)研究了HCA方法的基本理论，基于等应变能密度准则将结构刚度最大化的设计问题转化为等应变能密度的设计问题。建立了正方形薄板结构的有限元模型，以单元

5、厚度为设计变量应用HCA方法进行结构设计，验证了方法的有效性。(2)开展了帽型梁准静态三点弯曲试验，建立了等厚度帽型梁和TRB帽型梁的有限元模型，将仿真与试验结果进行对比，验证了模型的准确性。针对TRB帽型梁三点弯工况下厚度分布的优化设计，提出了一维混合元胞自动机(OneDimensionHybridCellularAutomata,ODHCA)方法。该方法在保证TRB结构满足轧制工艺的前提下，继承了HCA不具备梯度性的优点，成功解决了传统尺寸优化方法效率低的问题。本文分别利用HCA方法、ODHCA方法以及

6、代理模型的优化方法对TRB帽型梁的厚度分布进行优化设计，研究结果表明：HCA方法与ODHCA方法最优解的比吸能均比代理模型的优化方法最优解的比吸能高；与HCA方法相比，ODHCA方法优化的厚度分布满足柔性轧制工艺；与代理模型的优化方法相比，ODHCA方法在计算效率方面具有明显优势。(3)为了将TRB结构应用到汽车B柱的设计中，提出了改进的ODHCA方法。基于改进的ODHCA方法，对汽车变厚度B柱加强板进行厚度分布的优化设计，最终实现了汽车B柱的轻量化和耐撞性设计。ODHCA方法对变厚度B柱在车身上的应用有很

7、好的指导作用，具有理论和工程实际价值。关键词：连续变厚度板；混合元胞自动机方法；帽型梁；耐撞性；轻量化II硕士学位论文AbstractWiththedevelopmentoftheautomotiveindustry,therequirementsfordesigninglightweightandcrashworthinessofthevehiclebodyareincreasing.Tailorrolledblank(TRB)isanadvancedmanufacturingprocess,bywhic

8、h,itcanrationallydistributethethicknesstorealizethedesignoflightweightautomotivebodystructureandthecrashworthinessaccordingtothestressconditionsofthestructure.TheTRBB-pillarisatypicalbody'skeycollisionforce-t