基于碰撞和振动约束的轻质镁车身结构设计



基于碰撞和振动约束的轻质镁车身结构设计

提出材料替代和多学科设计优化策略，目的是开发一种轻量化车身结构，使其既满足碰撞和振动标准，又能最大限度地减轻质量。通过有限元模拟，根据整车模型的正面、前侧面和侧面的碰撞求出峰值加速度、进入距离和结构件的内部吸能量。前三阶固有频率与碰撞指标相结合形成设计约束。22个零件的壁厚作为设计变量，拉丁超立方抽样作为样本设计空间，径向基函数方法为多点选定的碰撞响应及前三阶固有频率建立代理模型。在碰撞和振动约束下，为使质量最轻，建立一个非线性的基于代理模型的优化问题。采用序列二次规划解决优化设计问题。采用镁合金零件进行优化设计使产品质量显著减轻且具有更好的性能。

为开发一种具有改进结构性能的轻量化车身，研究了材料的替代应用、代理模型和结构优化技术。选择1996年产道奇彩虹车模型共计22个钢零件，并用镁合金AZ31进行替换。以各零件的壁厚为设计变量，以所选择的部件质量为目标函数，以有限元模型的碰撞和振动响应为设计约束，构成结构设计优化问题。

为获得碰撞响应，用LSDYNA在3种最重要的碰撞状况下分析道奇彩虹的有限元模型。为满足振动设计要求，用MSC公司的NASTRAN振动分析优化汽车整个有限元模型，使其白车身模型具有兼容性。选择前三阶固有频率作为振动响应，因其影响结构刚度。使用拉丁超立方抽样，产生138个设计点，模拟运行获得相应的响应。为降低计算成本，使用代理模型技术近似每个训练点的响应。镁合金的替代和设计优化使总质量减轻46.7kg，相比钢结构设计质量减轻近44.3%。

刊名：Journal of Magnesium and Alloys（英）

刊期：2014年第2期

作者：Morteza Kiani et al

编译：郭永奇