汽车多材料结构随机反应分析及轻量化设计方法

The study and application of structure design optimization to automotive light-weighting is the focus of automotive engineering. To improve the self-development ability,solving the problem of multi-material lightweighting structure design is one of the bottlenecks and key technologies.. In this study, the load spectrum will be built for multi-material structure in vehicle design.With the test and theoretical analysis, the nonlinear constitutive modeling will be established for the composite material. The performance of connecting joints between different material will be studied to realize the joints modeling. The generalized density evolution equation will be studied for automotive structure stochastic response analysis. The discrete property of material will be parameterized, then the material selection will be optimized by gradient algorithm. Due to the designability of fibre reinforced composite, the integrated design of structure and material will be realized by topology optimization and multidisciplinary design optimization. The study will be demonstrated with the light weighting design of some automotive development problem. The influence of multi-material structure nonlinear condition and uncertainties to structure design will be improved, and the the robust and reliability of the light-weighting design will be realized. The study is aimed to the key theoretical issues in the vehicle development and dedicated to applied basic research.

结构优化方法应用于汽车轻量化设计，是目前汽车工程领域的研究热点；解决含复合材料的多材料轻量化结构设计问题，是当前我国汽车自主开发的技术难点。.本项目构建面向汽车多材料轻量化结构的载荷谱；通过实验与理论分析相结合，实现车用复合材料非线性本构模型的建立；根据多材料结构异质材料连接接头传力特性及破坏机理，实现接头的有效模拟；将广义概率密度演化方程推广于汽车结构的随机反应分析，实现多材料非线性结构随机反应的计算分析。对材料的离散属性进行参数化描述，利用梯度方法实现多材料结构选材优化设计；利用纤维增强复合材料的可设计性，结合拓扑优化方法和多学科设计优化方法，实现结构与材料一体化设计；针对汽车轻量化设计开发问题进行实证分析，改善多材料结构非线性、载荷随机性及设计参数随机性对结构设计的影响，实现轻量化设计方案的稳健性与可靠性。项目研究内容针对汽车开发中关键科学问题，致力于应用基础研究。

汽车轻量化技术已成为汽车开发的迫切需求，包含碳纤维复合材料、铝合金等在内的多种类型轻质材料在汽车结构中的应用日益广泛，本项目以汽车多材料结构轻量化设计方法作为研究主题。.本项目针对多材料结构异质材料连接接头开展了深入研究，对多种类型的碳纤维复合材料、铝合金等轻质材料所构成的异质材料连接结构，开展了胶接、压铆、无铆钉铆接、多钉铆接、胶-压铆混合连接、胶-无铆钉铆接混合连接等对车用轻量化结构具有发展潜力的新型连接力学特性，及其湿热老化等特性的建模和试验研究，为多材料结构的传力特性和影响要素作用规律进行了深入分析。针对多材料混合结构材料力学特性及连接特性具有更强随机性和非线性耦合特性的问题，提出综合运用概率密度演化理论、多目标优化方法及近似模型技术等，在多种随机因素影响下以多材料结构轻量化为目标，实现多材料结构响应的可靠性设计。针对汽车多材料结构设计空间复杂、材料利用效率不充分的问题，提出基于结构拓扑优化方法开展了交替活动相多材料拓扑优化、多材料点阵多层级结构拓扑优化、多材料壳-填充结构拓扑优化等适用于新一代汽车多材料轻量化结构的轻量化设计方法研究。通过汽车控制臂、电池箱、车身等大量的汽车典型结构轻量化实际工程问题对所研究的方法进行应用技术研究，对相关研究成果在生产实际中的普及和应用奠定了良好的基础。