随着环境污染与能源危机问题日益严重,我国大力发展新能源汽车产业。在纯电动汽车推广的过程中存在续航里程低、碰撞安全等问题。目前动力电池能量密度提升缓慢,亟需通过结构减重设计提高续航性能。电池包作为电池的支撑与保护结构,其耐撞性要求极高。其轻量化设计必须保证碰撞安全性。因此,亟需发展兼具碰撞安全性的轻量化设计方法。本文研究动力电池包的结构特点和建模方法,研究建立基于形貌优化和多学科优化的电池包耐撞性提升轻量化设计方法。主要研究内容与成果如下:(1)动力电池包结构与精细化有限元建模方法。首先从材料、制造工艺与结构三方面出发,介绍电池包常用轻量化方法与结构特点。其次针对电池包碰撞安全设计要求,提出电池包精细化有限元建模方法,并以某典型电动车动力电池包为例,对电池包进行几何剖析,结合材料与结构特征,通过几何简化与清理、网格划分、模型装配,最终建立含电池组与箱内传力框架的精细化有限元模型,验证建模方法的有效性。(2)电池包结构安全性分析与防护功能评估。针对车辆行驶状态下的四种典型工况:前进制动、倒车制动、急转弯、垂向颠簸进行静力学仿真,分析电池包结构的应力分布与变形情况,评估其静态特性;对电池包进行模态分析,计算前十阶模态振型与固有频率,评估其动力学特性;根据相关法规要求,对电池包进行挤压工况仿真,评估碰撞安全性,结合仿真结果确定各工况安全设计要求。提出基于结构防护功能评估的分级优化策略,为后续结构优化与减重设计提供参考。(3)基于形貌与结构特征优化的轻质材料组件优化设计。针对次要防护结构进行优化设计,采用Optistruct求解器对上盖结构分别进行起筋形貌、复合材料铺层尺寸与次序优化设计,提升动刚度同时将上盖质量由19.5kg降至9.33kg。进一步对电池包结构进行铝合金材料替换,基于折衷规划法构造自定义目标函数,对底板加强筋进行静态多工况拓扑优化设计,并对其他部分次要防护结构进行多工况尺寸优化,在满足静动态工况强度要求的条件下,减轻结构重量。(4)基于多学科优化的电池包主要防护结构优化设计。对主要防护结构进行耐撞性功能分区,以分区箱体、侧围加强筋与压条等主要防护部件板厚为设计变量,最小结构质量为目标,以各工况安全标准为约束条件,基于Hyperstudy平台建立多学科优化模型,通过哈默斯利试验设计方法进行采样,联合仿真提取变量与响应并构建近似模型,使用全局响应面算法对电池包进行尺寸优化设计,在满足耐撞性要求的同时降低质量。优化后结果表明,在满足碰撞挤压安全要求的同时,电池包一阶模态频率由12.67Hz提升至30.22Hz,颠簸工况最大位移由6.75mm降至1.97mm。结构总质量由447.7kg降至383.3kg,减重占比14.38%,优化部件的减重比达到60.58%,轻量化效果显著。