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考虑参数不确定性的汽车碰撞安全优化设计

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目录

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第1章绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 汽车碰撞安全分析及确定性优化

1.2.1 车身结构耐撞性分析与优化

1.2.2 考虑乘员损伤的约束系统分析与优化

1.3 汽车碰撞安全不确定性优化设计

1.3.1 基于概率不确定性的汽车碰撞安全优化设计

1.3.2 基于非概率不确定性的汽车碰撞安全优化设计

1.4 汽车碰撞安全不确定性优化设计目前存在的问题

1.5 本文的研究目标和主要研究内容

第2章考虑参数有界不确定性的汽车碰撞安全优化设计

2.1 引言

2.2 有界不确定性的区间度量模型

2.2.1 目标函数的不确定性处理

2.2.2 约束的不确定性处理

2.3 基于区间度量的稳健性优化设计模型及求解

2.3.1 考虑公差的区间稳健性优化模型

2.3.2 确定性转换

2.3.3 优化设计求解

2.4 车身耐撞性设计参数的区间稳健性优化

2.4.1 车身结构参数尺寸公差设计

2.4.2 车身结构参数形位公差设计

2.5 本章小结

第3章考虑参数多源不确定性的汽车碰撞安全优化设计

3.1 引言

3.2 多源不确定性的平行六面体度量模型

3.3 基于平行六面体度量的稳健性优化设计模型及求解

3.3.1 考虑多源不确定性的稳健性优化模型

3.3.2 独立性变换

3.3.3 确定性转换

3.3.4 优化设计求解

3.4 乘员约束系统稳健性优化设计

3.4.1 女性驾驶员约束系统设计

3.4.2 男性驾驶员约束系统设计

3.4.3 综合考虑男性和女性驾驶员约束系统设计

3.5 本章小结

第4章考虑参数混合不确定性的汽车碰撞安全优化设计

4.1 引言

4.2 混合不确定性的 P-box 度量模型

4.3 基于混合度量的可靠性优化设计模型及求解

4.3.1 混合可靠性优化模型

4.3.2 约束混合可靠性分析

4.3.3 优化设计求解

4.4 车身耐撞性混合可靠性优化设计

4.4.1 100%正面碰撞有限元模型分析

4.4.2 100%正面碰撞设计变量和不确定参数分析

4.4.3 100%正面碰撞目标函数和约束分析

4.4.4 100%正面碰撞 HRBDO 模型

4.4.5 100%正面碰撞优化结果分析

4.5 乘员约束系统混合可靠性优化设计

4.5.1 乘员约束系统模型分析

4.5.2 乘员约束系统设计变量和不确定参数分析

4.5.3 乘员各损伤值灵敏度分析

4.5.4 乘员约束系统 HRBDO 模型

4.5.5 乘员约束系统优化结果分析

4.6 本章小结

第5章 考虑参数复杂相关性的汽车碰撞安全优化设计

5.1 引言

5.2 参数复杂相关性的 Copula 度量函数

5.3 基于 Copula 函数的可靠性优化设计模型及求解

5.3.1 RBDO 模型

5.3.2 约束的可靠性分析

5.3.3 最优 Copula 函数选择

5.3.4 优化设计求解

5.4 汽车 100%正面碰撞可靠性优化设计

5.4.1 100%正面碰撞有限元模型分析

5.4.2 100%正面碰撞设计变量和不确定参数分析

5.4.3 100%正面碰撞目标函数和约束分析

5.4.4 100%正面碰撞 RBDO 模型

5.4.5 100%正面碰撞优化结果分析

5.5 汽车 40%偏置碰撞可靠性优化设计

5.5.1 40%偏置碰撞有限元模型分析

5.5.2 40%偏置碰撞设计变量和不确定参数分析

5.5.3 40%偏置碰撞目标函数和约束分析

5.5.4 40%偏置碰撞 RBDO 模型

5.5.5 40%偏置碰撞优化结果分析

5.6 本章小结

结论与展望

参考文献

附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文目录

附录 B 攻读学位期间所主持或参加的科研项目

致 谢

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摘要

汽车碰撞安全优化设计是一项非常复杂和高难度的系统工程。因制造工艺、人为认知和外部环境等的影响,汽车碰撞的实际工程问题中存在着如材料属性、结构几何尺寸和载荷等各种不确定性。在各种不确定因素的耦合作用下,基于传统确定性的汽车碰撞安全优化设计可能会产生较大分析偏差,已难以很好地满足汽车碰撞安全的设计需求。随着人们认识水平和安全意识的提高,汽车碰撞安全不确定性优化设计理论和方法应运而生。不确定性优化设计可充分考虑优化过程中的不确定因素对约束可行域或目标变化范围的影响,以获得能够满足优化要求的设计结果。虽然考虑不确定性的汽车碰撞安全优化设计研究在过去很长时间受到了科学界和工程界的广泛关注,但目前还未发展成熟,仍然需要改进和完善,特别对参数含复杂不确定性问题、优化设计求解及其效率等方面尚存在一系列技术难点亟待解决。  为此,本文针对汽车碰撞安全设计中存在大容差多参数关联非精确概率的不确性优化难题,从不确定参数样本变化信息量、各种相关关系、不确定性描述等方面展开了研究。研究思路从设计变量或设计参数的有界不确定性、多源不确定性、混合不确定性和复杂非线性相关性几个角度出发,力求对考虑各种参数不确定性的分析模型与优化求解效率工作给出一些探索性方法,最终为汽车碰撞安全性能的提升和有效设计给予指导和借鉴。首先为了降低不确定性参数在有界范围内波动的敏感性,针对容差问题,采用区间模型描述参数的不确定性,建立了一种考虑公差设计的汽车碰撞安全稳健性优化模型,进一步考虑到不确定性参数的多源相关性问题,建立了一种可用于处理区间参数独立性和相关性的汽车碰撞安全稳健性优化设计模型,并且发展了高效的优化算法;其次考虑到非精确概率分布的非单一不确定性问题,将区间不确定性与概率不确定性相融合,建立了一种汽车碰撞安全混合可靠性优化模型并发展了高效设计方法。另外,还考虑了存在复杂参数相关性的不确定性问题,研究了汽车碰撞安全可靠性分析与高效设计方法。鉴于上述思路,本文开展和完成了如下研究内容:  1)基于区间不确定性分析,发展了一种考虑参数有界不确定性的汽车碰撞安全优化设计方法。针对汽车碰撞优化中主要设计部件的尺寸、形状和位置容差的不确定性问题,采用表示对称公差形式的区间模型度量参数的不确定性。根据稳健性理论,将目标函数的半径作为稳健性评价指标。结合参数设计和公差设计,引入公差评价指标,建立一种同步优化设计变量名义值和公差的稳健性优化模型。利用基于可靠性的区间可能度处理模型中的不确定约束,将考虑公差的稳健性优化问题转换为确定性嵌套多目标优化问题,并且发展了相应的优化算法。通过在车身耐撞性优化设计的应用表明该方法同步调整设计变量的名义值和公差可在保证碰撞安全性稳健的同时实现公差范围的最大化,提高制造工艺性能,避免设计的重复性,降低生产成本。  2)基于区间不确定性的相互关联关系,发展了一种考虑参数多源不确定性的汽车碰撞安全优化设计方法。针对汽车碰撞优化中存在独立和相关参数的不确定性问题,融入一种平行六面体凸模型来度量参数的多源不确定性,使得独立和相关参数得以在一个统一的框架内进行描述,进而建立一种考虑多源不确定性的稳健性优化模型,对目标函数的中点和半径进行优化。采用一种独立性转换技术,将不确定性参数转换为标准的独立区间参数,多维平行六面体不确定域转化为多维立方体域,从而含多源不确定性的稳健性优化模型转换为标准的独立区间稳健性优化模型,大大方便后续的稳健性分析和优化设计。利用基于可靠性的区间可能度处理不确定约束,将独立区间稳健性问题转换为确定性的多目标嵌套优化问题。以高效的微型多目标遗传算法作为框架,结合独立性转换和基于一阶泰勒展开的区间分析,发展了一种有效的稳健性优化算法,消除了嵌套问题的内层优化。通过在考虑乘员损伤的女性和男性假人约束系统优化设计的应用表明该方法不仅可保证安全性能的稳健性还能提高优化结果的准确性。  3)基于非单一区间不确定性,发展了一种考虑参数混合不确定性的汽车碰撞安全优化设计方法。针对汽车碰撞优化中含有非精确概率分布的不确定性问题,虽然难以给定参数的精确概率分布函数,但给定其分布类型和分布参数变化区间是可能的,引用参数化概率盒度量此类概率-区间混合不确定性,进而以保证汽车碰撞安全性指标的可靠性为约束,建立一种关于汽车碰撞安全问题的混合可靠性优化设计模型。考虑到区间参数的存在,对约束的评估遵循保守原则,在经典序列优化与可靠性评估(Sequential Optimization and Reliability Assessment, SORA)方法理念的基础上,基于功能度量法(Performance Measurement Approach, PMA)得到混合可靠性最差情况时的MPP和区间向量(最不利点),再利用该MPP并结合最不利信息构造移动向量,通过解耦算法使原优化问题变为确定性设计优化与可靠性评估交替执行的序列迭代过程。由此,避免了内外层嵌套寻优,可实现汽车碰撞混合可靠性优化设计的快速收敛和高效性。通过在车身耐撞性和考虑乘员损伤的约束系统优化设计的应用表明该方法不仅可保证安全性能的可靠性还能提高优化结果的准确性。  4)基于相关性的多元化,发展了一种考虑参数复杂相关性的汽车碰撞安全优化设计方法。针对汽车碰撞优化中不确定参数存在各种相关性的问题,融入Copula函数度量参数的弱非线性、强非线性及尾部相关性,以保证汽车碰撞安全性指标的可靠性为约束,建立一种关于汽车碰撞安全参数相关问题的可靠性优化设计模型。根据样本点数量选择使用贝叶斯方法或参数估计法挑选与已知样本匹配度最佳的Copula函数来构造参数间的联合分布函数,将不确定性参数的相关性集成到可靠性分析中。在经典SORA方法理念的基础上,采用一种可考虑参数间相关性的解耦算法,将嵌套优化问题转换为基于Copula函数的可靠性分析和确定性优化交替进行的序列迭代过程,以快速实现汽车碰撞安全在考虑不确定性参数复杂相关情况时的可靠性设计。通过在车身耐撞性优化设计的应用表明该方法不仅可保证安全性能的可靠性还能提高优化结果的准确性。

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