基于多学科优化的纯电动汽车车身结构设计

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本文源自国家自然科学基金(No.51305314)及校企合作项目,基于多学科优化方法,提出了优化纯电动汽车(BEV)车身结构的正向设计方法。BEV具有零污染、低噪声、能效高等优点,有利于节能减排。白车身作为BEV主要承载结构,其轻量化有助于整车轻量化和续航能力增加。当前,BEV研发存在如下问题:①多数车身仍沿用传统车身结构,仅置换动力系统,这将导致车身刚强度不足、质量增加、固有频率较低等问题;②电池比功率低致使整车质量过大,导致耗能增加、续驶里程缩短。所以,设计与BEV动力系统相匹配的轻量化车身结构,已成为BEV研发的重要课题。本文主要工作如下:  ①阐述了车身设计的国内外研究进展:包括汽车轻量化和多学科优化方法;现代车身结构开发方法;车身静态刚强度分析;优化方法及所需软件。  ②提出了优化BEV白车身结构的正向设计方法:基于BEV的总布置参数,确定白车身拓扑设计空间和质量块载荷加载方法;基于汽车动力学理论,在Admas软件中构建了BEV动力学仿真模型,并提取车身接附点载荷。  ③基于多学科优化对白车身进行了拓扑优化:采用结构拓扑优化理论与折衷规划法,构建了白车身拓扑优化有限元模型;运用Optistruct优化模块,建立了考虑BIW多工况刚度和模态频率的静态-动态联合优化函数,仿真并输出了最优结构。  ④基于响应面的多学科优化对白车身作了尺寸优化:采用有限元分析了白车身初始结构参数,进行了板厚灵敏度分析以筛选设计变量;基于最优拉丁方试验,设计了样本点数据;基于iSIGHT,建立了白车身各响应多项式响应面近似模型,验证了其精度;并建立了以白车身板厚为变量,模态频率和弯扭刚度为约束,质量最小为目标函数的多学科优化数模,运用多岛遗传算法进行优化;并验证和分析了优化结果。优化结果:白车身质量微增加了1.34%,但一阶扭转和弯曲频率分别增加了2.74%、1.70%,弯曲刚度和扭转刚度分别提高了11.71%、4.94%,轻量化系数降低了4.12%。  工程实例优化表明:将多学科优化用于BEV白车身结构设计,获得了较理想的轻量化车身结构,证明了本文所提方法的可行性。
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