基于拓扑优化的电动汽车新概念车身设计方法研究

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1、基于拓扑优化的电动汽车新概念车身设计方法研究姜卫远2015年1月中国分类号：TQ028.1UDC分类号：540基于拓扑优化的电动汽车新概念车身设计方法研究作者姓名姜卫远学院名称机械与车辆学院指导老师王文伟副教授答辩委员会主席林程教授申请学位工学硕士学科专业机械工程学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年1月StudyofNewConceptElectricVehicleBodyDesignMethodBasedonTopologyOptimizationCandidateName:WeiyuanJiangSchoolorDepartment:Schoolof

2、MechanicalEngineeringFacultyMentor:AssociateProf.WenweiWangChair,ThesisCommittee:Prof.LinChengDegreeApplied:MasterofEngineeringMajor:MechanicalEngineeringDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence:January,2015北京理工大学硕士学位论文摘要纯电动汽车已成为当今城市交通发展的热点，在电机技术、电池技术和能量控制策略日益完善的情况下，如何设计出

3、符合电动汽车特点、充分发挥其节能特点、改善能量利用率的电动汽车车身是重点和难点，也是本文主要的研究方向。展望电动汽车的发展趋势，独立底盘车架、电动轮独立驱动、线控技术等成为未来发展的方向，本文以电池中置、轮毂电机独立驱动的非承载式车身底盘车架为研究对象，采用拓扑优化、尺寸优化相结合的方法，对电动汽车底盘开发方法和流程进行了研究，主要的工作内容如下：首先，归纳和总结了拓扑优化的相关理论，重点分析了线性拓扑优化和非线性拓扑之间的区别和联系，并根据不同的工况、针对不同的优化目标确定了求解数学模型。基于碰撞工况的拓扑优化在实践中尚有一定的局限性，本文在应变能密度的基础上，

4、提出了基于吸能最大化的车身结构中前舱和行李舱拓扑优化方法，并引入了拓扑优化的数学模型。其次，根据设计目标和参考车型建立了拓扑优化设计空间。为了兼顾车架各方面的结构性能，针对单个工况进行单目标拓扑优化。针对线性静态工况，以柔度最小为目标函数，约束相应节点的位移和整体的体积分数，完成弯曲和扭转工况下的拓扑优化分析；针对非线性动态工况，以内能密度均匀化为目标，约束相应节点的位移和整体的体积分数，完成正面碰撞和追尾工况下的拓扑优化分析。参考相关的研究成果，初步确定不同工况之间的加权系数，根据层次分析法重新设定工况加权系数。对单工况的优化结果进行密度筛选，然后将筛选结果进行

5、叠加，根据优化结果中材料分布情况，确定有效的载荷传递路径，并综合考虑制造工艺和承载作用，最终得到底盘车架的桁架式结构。最后，利用多目标优化的方法综合考虑弯曲、扭转和模态三种工况，对桁架式底盘结构进行尺寸优化。分析结果表明，优化后底盘结构满足设计要求，在结构轻量化基础上实现了电动汽车底盘结构的全新设计。关键词：电动汽车；拓扑优化；多目标优化；概念设计I北京理工大学硕士学位论文AbstractAtpresent,electricvehicleisahotspotinurbantransportationdevelopment.Whilethemotorsbecomem

6、oreandmorepowerful,latestbatterycapacitygrowsbigger,andenergycontrolstrategytobemoreaccurate,thechallengeinfrontofusbecomeshowtomakeanefficientbodyinwhitesothatitcansaveenergyandhigh-efficiencyinenergyutilization.Basedonthispoint,thepaperwaslaunched.Accordingthedevelopmenttrendofelect

7、ricvehicle,itbecomesclearthatthefutureelectriccarwillhavecharacterssuchas:supportedbyitsownindependentchassis,bedrivenbywheelhubmotors,controlledbywires,etal.Theaimofthispaperistostudyandbuildtheconceptmodelofanindividualchassis,andthemethodsusedincludingtopologyoptimization,sizeoptim

8、izati