摘要
车身门盖系统包含前后车门以及舱盖（即四门两盖）。它们与白车身相应开口部分匹配，不仅要求在静态下具有优良的匹配间隙均匀度和型面平整度，而且其振动特性更是影响整车NVH特性的重要因素，是整车外观几何精度和内在性能质量的重要感知部件。其中，前盖又是静态匹配面积大、动态风压承受载荷最多的总成，通常由内外薄板通过涂胶-滚合-固化等多步复杂工艺制成。面向车身轻量化，前盖内板仍采用钢材，以保持必要的结构刚度和强度，而外板则广泛应用铝合金等低密度、高强度轻质新材料，并由此采用胶粘新工艺以解决钢铝异质板材连接难题。 然而，就轻量化前盖内部的材料和工艺而言，异质内外板内填充了更多更厚的胶粘材料，不仅改变了前盖原有的几何结构和材料分布，而且新的胶焊接工艺还将改变内外板的接触属性和应力状态。就其外部激励而言，面向更高行车速度，车身所受非稳态风压载荷将更显著地影响轻量化异质前盖的动态特性，导致颤振、风噪声等。这些内在和外在的材料和工艺，都将无可避免地影响前盖静/动态特性。因此，无论是面向更轻质的传统燃油车发动机盖，还是NVH性能要求更高的新能源车前舱盖，都迫切需要对含胶异质车身前盖的振动特性进行研究，明确胶粘剂属性及连接工艺对车身前盖振动特性的影响，探究汽车高速行驶工况下前盖风压分布规律，系统地建立基于材料–工艺一体化的车身前盖振动特性预测模型。 本文以含胶异质车身前盖为研究对象，首先揭示并验证了胶粘剂厚度对车身前盖典型直边-平面包边胶粘结构振动特性的影响规律，在此基础上，建立了包含胶粘剂几何特征的车身前盖有限元模型，分别探究了胶粘剂属性及连接工艺对前盖振动特性的影响，以此明确轻量化前盖内部的材料和工艺影响因素；其次，基于整车的高速外流场分析，探讨了汽车高速行驶工况下车身前盖的风压分布规律，以此量化外部载荷变化对门盖动态特性影响；最后，引入一体化的设计优化策略，基于SVM-SA（Support Vector Machine-Simulated Annealing algorithm）联合算法建立面向振动特性预测的车身前盖材料-工艺一体化模型。 全文的主要研究内容如下： 1.异质金属薄板胶粘结构振动特性的数值模拟及验证。胶粘连接是用于异质车身前盖内外板的一种连接方式，然而，高分子胶粘剂建模困难，导致以往车身前盖振动特性研究常常简化为仅仅只含有金属内外板，而忽略胶粘剂的影响。针对这一问题，结合胶粘剂主要存在前盖包边区域这一特点，本文以前盖上最典型的直边-平面包边结构为研究对象，并模拟其实际约束状态揭示并验证了胶粘剂厚度对车身前盖典型胶粘结构振动特性的影响。结果表明，胶粘剂厚度对胶粘结构的前两阶固有频率最大增幅为13.1%。因此，在研究异质车身前盖的振动特性时必须要考虑胶粘剂厚度对结构自身模态的影响。本节内容为车身前盖材料-工艺一体化建模中模态分析有限元模型建立了理论基础。 2.基于静态特性的车身前盖模态分析。胶粘剂的存在不仅改变了车身前盖原有结构，新的连接工艺还改变了内外板的接触属性和应力状态，从而影响了异质车身前盖的振动特性。针对这一问题，本文首先建立了包含胶粘剂几何特征及其与内外板连接属性的有限元模型，其次设计正交实验探究了胶粘剂密度、弹性模量及厚度对前盖振动特性影响的主次顺序；最后基于胶粘点焊接头残余应力的数值模拟结果，揭示了胶粘点焊及滚边压合工艺带来残余应力对异质车身前盖振动特性的影响。根据所建立的车身前盖模态有限元模型，得到基于胶粘剂属性及连接工艺与其振动特性一一对应的数据集，为后文的SVM-SA联合预测模型提供了样本输入输出集。 3.面向动态特性的车身前盖外流场分析。汽车在高速行驶状态下，车身所受非稳态风压载荷将更显著地影响轻量化异质前盖的动态特性，因此迫切需要掌握汽车高速行驶工况下前盖风压分布规律。本文依据实车三维模型建立了包含影响车身外流场关键特征的有限元模型，最终基于整车外流场分析结果获得了车身前盖的风压分布规律。结果表明，车身前盖区域主要呈正风压，从汽车前部到挡风玻璃端风压逐渐增大；在沿车身Y方向上，风压分布较为均匀，无明显分层现象。所得到的车身前盖风压分布规律最终为面向静动态特性预测的车身前盖材料-工艺一体化模型提供了外部载荷输入。 4.基于SVM-SA的车身前盖材料-工艺一体化建模。基于以胶粘剂属性及连接工艺参数为输入空间，以车身前盖振动特性为输出空间组成的样本数据集，采用径向基函数为核函数的支持向量机学习模型，并利用模拟退火算法优化模型关键参数，最终得到了基于SVM-SA的车身前盖材料-工艺一体化模型。结果表明，模型预测值与有限元仿真值的最大百分比误差不超过5%，验证了所建模型的有效性，SVM-SA联合预测模型能够有效用于车身前盖振动特性的预测。 综上所述，本文系统地考虑车身前盖内部结构、胶粘剂属性、内外板连接工艺及外部车身流场特征对其振动特性的影响，建立了钢铝异质车身前盖材料-工艺一体化模型，支持实现车身门盖系统静动态特性的预测，提高了车身数字化开发和系统优化设计水平。
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