新能源汽车白车身构成拓扑及尺寸优化设计

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1、新能源汽车白车身构成拓扑及尺寸优化设计1新能源汽车车身设计现有方法与结构优化理论简介1.1新能源汽车车身设计现有方法目前，一些新能源汽车仍然沿用传统内燃机汽车的车身结构，各大厂商研究的新能源汽车车身不是沿用以往车型的车身，就是对旧车身稍加改造，对电池位置处或电池仓进行加固，然后换上新能源汽车的各个部件，整个车身结构并未发生太多变化。旧的车身难以适应载荷的变化，结构刚度并不一定满足要求。国内外针对新能源汽车的研究也很多，但大多集中在动力系统的性能改善，例如纯电动汽车包括动力电池性能的提升，电池与电机系统的匹配，以

2、及电机控制策略等，而针对新能源汽车车身结构设计的研究相对较少。车身使用旧的车型，仅对动力系统进行置换，例如赵红伟等对电动汽车电池仓进行了拓扑优化设计。.如果能在整车的设计阶段就对新能源汽车进行拓扑优化，便能给设计者提供必要的指导，激发设计者的灵感，使整车车身在满足要求的情况下实现轻量化。对于整车结构进行拓扑优化设计的相关问题已有个别研究工作有所涉及。例如，扶原放等在多工况条件下将拓扑优化设计应用在微型电动车车身结构设计中。张鹏飞等在多丁况条件下通过加权应变能将碰撞、NVH等组合为优化目标，研究了轿车白车身的拓扑

3、优化概念设计。高云凯等采用拓扑优化方法在多工况条件下对某电动改装轿车下车身结构进行了改进设计。丁利以刚度为约束条件将拓扑优化理论应用于电动小车的牢身设计，最终实现了车身的轻量化。上述研究均对拓扑优化的初始设计域进行了预先的构造。据所知，应用拓扑优化方法，在不限定初始设计域的前提下对新能源汽车白车身的概念设计，目前鲜有文献研究。车身作用载荷的变化，必然引起车身与载荷的不相适应，这便是H前新能源汽车车身设计存在的缺陷。在不限定初始设计域的情况下设计白车身，以拓扑优化为代表的结构优化理论可以很好的解决上述问题。1.2

4、结构优化理论简介结构优化是结构元件在满足一定约束的条件下，通过改变结构的边界尺寸等参数，以达原材料最省并使结构性能提高的一种优化方法，其应用伴随着人类发展史，但之前的发展并不系统化科学化。在上世纪六十年代随着屯子计算机科学技术在工程力学等方面的大范围使用，结构优化设计的理论与应用也迅速发展起来。近年来，从微型结构到大型机械，结构优化已较多应用到了汽车、船舶、航天等众多领域，并取得很好的效果；结构优化的目的是以最少的材料、最低的成本，实现结构的最大刚度或最优性能。结构优化按照由表及里一般可以分为三个方面：尺寸优化

5、、形貌优化和拓扑优化。尺寸优化、形貌优化相对简单，也很直观，拓扑优化是结构优化中最为复杂的一类问题，近二十年来拓扑优化已逐渐成为各个国家各个公司研究的热点之一。结构优化设计的模型中通常是包括约束条件、目标函数及设计变量，这三方面在结构优化中作用不同却必不可少。设计一个结构时必须要遵守的行业内的相关规定，设计人员通常将节点位移、材料的刚度及体积百分比等作为约束条件。评价设计优劣的标准及设计目标作为目标函数。结构优化设计中像单元的截面尺寸等参数不断变化的作为设计变量。优化设计的数学模型与结构优化设计的模型一样，也包

6、含约束条件、目标函数及设计变量三方面。结构优化设计根据优化变量优化目标优化位置选取的不同可以分为拓扑优化、形貌优化、尺寸优化三方面。拓扑优化是去除掉没用的材料，其设计变量是结构元件内部材料的有无，为0-1逻辑型设计变量；形貌优化的设计变量是结构加强筋的位置；尺寸优化的设计变量是结构元件的几何尺寸及截面尺寸。结构优化的研究已有四百年，早在17世纪伽利略和伯努利通过对弯曲梁的研究，引发的变截面梁形状优化问题，是最早的结构优化设计。后来麦克斯韦和迈克尔提出了在单一载荷条件下如何得到重量最小的桁架结构布局的基本理论，首

7、次提出了拓扑优化的概念。然而长期以来，得到数学结果的唯一手段是手算，计算困难且效率低下，结构优化设计一直在缓慢地发展。到上世纪六十年代，随着电子计算机科学技术和理论的日渐成熟和发展，有限元技术借助于计算机科学技术，得到了迅速的发展。1960年Schmit在研究几种载荷情况下弹性结构的最轻质量问题时，首次将数学规划理论引入到结构优化中，是现代结构优化技术的开端。1964年Dom等人将数值方法成功应用到了拓扑优化领域，从而提出了基本结构法，此后拓扑优化成为科研工研究的重要方面。90年代随着均匀化方法、密度法、渐进结

8、构优化法的产生与发展，结构优化己成为国内外研究的热点。2新能源汽车拓扑优化方法理论基础结构拓扑优化中的算法是拓扑优化技术的重要研究领域，直接关系着求解过程的速度与精度；数值不稳定现象是拓扑优化过程中常遇到的问题，关系着结果的准确性。处理不稳定现象是拓扑优化研究两个重要的方面。数值不稳定现象是拓扑优化经常遇到的问题，主要包括：棋盘格式、局部极值、网格依赖性、集中铰链现象等

9、。数值不稳定现