【摘要】：近年來(lái),伴隨著節(jié)能、環(huán)保呼聲的日益高漲,各汽車(chē)廠商都加大了電動(dòng)汽車(chē)的研發(fā)投入,都試圖在這個(gè)關(guān)鍵時(shí)期實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)燃油車(chē)到電動(dòng)汽車(chē)的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型。然而,目前市場(chǎng)上在售的電動(dòng)汽車(chē)的車(chē)身結(jié)構(gòu)大多是在燃油車(chē)車(chē)身的基礎(chǔ)上小幅修改而來(lái),而并沒(méi)有結(jié)合電動(dòng)車(chē)身真實(shí)的承載方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。顯然,電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)在重量以及在整車(chē)中的布置形式上均存在較大的差異,這就決定了車(chē)身結(jié)構(gòu)重新設(shè)計(jì)的必要性。概念設(shè)計(jì)作為車(chē)身設(shè)計(jì)過(guò)程中三個(gè)最重要的階段之一,能夠最大程度地實(shí)現(xiàn)輕量化,同時(shí)也可以帶來(lái)比詳細(xì)設(shè)計(jì)和基本設(shè)計(jì)大得多的經(jīng)濟(jì)效益。因此,在車(chē)身的概念設(shè)計(jì)階段,如果將電動(dòng)汽車(chē)與傳統(tǒng)汽車(chē)的承載差異考慮其中,那么就可以在保證整車(chē)性能的前提下最大限度地降低整車(chē)的重量。目前,在進(jìn)行整車(chē)多工況拓?fù)鋬?yōu)化時(shí),更多的只是考慮車(chē)身的靜態(tài)彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度以及固有頻率等,車(chē)身耐撞性作為一個(gè)不可或缺的汽車(chē)安全性能還有待深入研究。顯然,車(chē)身耐撞性問(wèn)題是與時(shí)間相關(guān)的動(dòng)態(tài)非線性問(wèn)題,因此,根據(jù)現(xiàn)有的優(yōu)化算法直接對(duì)此類(lèi)問(wèn)題進(jìn)行靈敏度分析會(huì)帶來(lái)巨大的計(jì)算量。代理模型優(yōu)化方法簡(jiǎn)單、通用,但是該方法在很大程度上依賴于采樣數(shù)量,從而精度得不到保證。混合元胞自動(dòng)機(jī)(Hybrid Cell Automata,HCA)優(yōu)化方法由于準(zhǔn)確性和魯棒性較差只對(duì)小型結(jié)構(gòu)適用,對(duì)于大型結(jié)構(gòu)則會(huì)出現(xiàn)計(jì)算效率低下以及目標(biāo)函數(shù)出現(xiàn)非周期性振蕩行為等問(wèn)題。等效靜態(tài)載荷方法(Equivalent Static Load Method,ESLM)在解決動(dòng)態(tài)非線性優(yōu)化問(wèn)題上求解精度高、收斂速度快,其整個(gè)優(yōu)化過(guò)程由動(dòng)態(tài)非線性分析和靜態(tài)優(yōu)化兩個(gè)子過(guò)程構(gòu)成。通過(guò)將動(dòng)態(tài)非線性分析得到的位移響應(yīng)與模型的剛度矩陣相乘,可以計(jì)算出每個(gè)節(jié)點(diǎn)上的等效靜態(tài)載荷,再將求得的等效靜態(tài)載荷施加到模型中進(jìn)行靜態(tài)優(yōu)化。最后,根據(jù)靜態(tài)優(yōu)化結(jié)果對(duì)模型進(jìn)行更新,整個(gè)動(dòng)態(tài)優(yōu)化過(guò)程在兩個(gè)子過(guò)程中反復(fù)迭代,直至滿足收斂要求。為了解決動(dòng)態(tài)拓?fù)鋬?yōu)化這個(gè)難題,本文基于等效靜態(tài)載荷方法,利用VB.NET語(yǔ)言開(kāi)發(fā)了一款能夠解決動(dòng)態(tài)拓?fù)鋬?yōu)化問(wèn)題的軟件CrashTopologyOptimization(CrashTopt)。整個(gè)軟件的開(kāi)發(fā)過(guò)程從以下兩個(gè)方面展開(kāi):一方面,設(shè)計(jì)軟件開(kāi)發(fā)的流程、整體架構(gòu)以及操作界面;另一方面,通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)軟件的各項(xiàng)功能,包括文件的導(dǎo)入、文件存儲(chǔ)格式的轉(zhuǎn)換、模型的修改、剛度矩陣的提取、優(yōu)化參數(shù)的寫(xiě)入、等效靜態(tài)載荷的計(jì)算、模型的更新以及收斂判定,最終完成整個(gè)軟件的開(kāi)發(fā)。本文以某款SUV白車(chē)身為研究對(duì)象,綜合考慮了正面碰撞、側(cè)面碰撞、追尾以及頂壓等工況下的應(yīng)變能,建立了該SUV車(chē)身的拓?fù)鋬?yōu)化模型。優(yōu)化模型以體積分?jǐn)?shù)為約束,以上述工況下的加權(quán)應(yīng)變能最小(加權(quán)剛度最大)為目標(biāo)。接下來(lái),我們使用自主開(kāi)發(fā)的CrashTopt軟件對(duì)該白車(chē)身結(jié)構(gòu)進(jìn)行碰撞拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)。良好的優(yōu)化效果表明,CrashTopt軟件能夠在多個(gè)工況條件下對(duì)整車(chē)車(chē)身進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：U469.72;U463.82
【圖文】：

重量和在整車(chē)中的布置形式上。因此，這就導(dǎo)致了電動(dòng)汽車(chē)車(chē)身和傳統(tǒng)燃油車(chē)車(chē)載方式上的巨大差異。然而，目前，電動(dòng)汽車(chē)大多還是沿用傳統(tǒng)的燃油車(chē)車(chē)身，是在燃油車(chē)車(chē)身的基礎(chǔ)上進(jìn)行小幅修改而來(lái)，而并沒(méi)有結(jié)合電動(dòng)汽車(chē)車(chē)身真實(shí)的式來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。顯然，沿用傳統(tǒng)的燃油車(chē)車(chē)身必然難以滿足車(chē)身的剛度要求。概作為車(chē)身設(shè)計(jì)過(guò)程中三個(gè)最重要的階段之一，能夠最大程度地實(shí)現(xiàn)輕量化，同時(shí)帶來(lái)比詳細(xì)設(shè)計(jì)和基本設(shè)計(jì)大得多的經(jīng)濟(jì)效益。因此，在車(chē)身的概念設(shè)計(jì)階段，電動(dòng)汽車(chē)與傳統(tǒng)汽車(chē)的承載差異考慮其中，而不是僅僅依靠工程師們的經(jīng)驗(yàn)來(lái)設(shè)么就可以在保證整車(chē)性能的前提下實(shí)現(xiàn)輕量化。車(chē)身設(shè)計(jì)的流程如圖 1.2 所示，其中，設(shè)計(jì)的第一步是考慮多個(gè)工況條件對(duì)整進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)。然而，目前在對(duì)整車(chē)車(chē)身進(jìn)行多工況拓?fù)鋬?yōu)化時(shí)，還無(wú)法將動(dòng)態(tài)工況考慮其中。因此，解決動(dòng)態(tài)優(yōu)化這個(gè)技術(shù)難題，并將其應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)設(shè)計(jì)中，具有重要的研究?jī)r(jià)值。

圖 1.3 Altair 公司利用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)開(kāi)發(fā)的 SUV 底盤(pán)骨架拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)不僅可以應(yīng)用于汽車(chē)零部件，對(duì)于整車(chē)車(chē)身也同樣適用。Wang拓?fù)鋬?yōu)化和尺寸優(yōu)化方法得到了更優(yōu)的材料分布和板件厚度，在降低白車(chē)身重提高了白車(chē)身的剛度。扶原放等[51]以體積分?jǐn)?shù)、位移及一階頻率為約束條件，況條件下的加權(quán)應(yīng)變能最小為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)某微型電動(dòng)車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)完成了拓?fù)洌玫搅藵M足性能要求的車(chē)身梁骨架結(jié)構(gòu)。謝倫杰等[52]綜合考慮了車(chē)身結(jié)構(gòu)的性，對(duì)某電動(dòng)車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，得到了同時(shí)滿足靜態(tài)剛度和動(dòng)態(tài)要求的車(chē)身拓?fù)�。楊蔚等[53]以整車(chē)彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)某微型行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到了最優(yōu)的車(chē)身骨架承載形式。在對(duì)整車(chē)車(chē)身進(jìn)行多工況拓?fù)渚恐校蠖嘀豢紤]了結(jié)構(gòu)的靜態(tài)剛度，而并沒(méi)有把碰撞工況考慮進(jìn)去，這也是耐撞性優(yōu)化問(wèn)題目前還沒(méi)有一個(gè)較好的解決方案。車(chē)身耐撞性優(yōu)化問(wèn)題是一個(gè)涉及幾何非線性、材料非線性和邊界非線性的動(dòng)力其控制方程可表述如下：

第 2 章 等效靜態(tài)載荷方法下的動(dòng)態(tài)非線性結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化第2章 等效靜態(tài)載荷方法下的動(dòng)態(tài)非線性結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化續(xù)體拓?fù)鋬?yōu)化理論基礎(chǔ)密度法構(gòu)優(yōu)化的目的是在給定的設(shè)計(jì)域 內(nèi)尋求一個(gè)最佳的材料分布，在提高材時(shí)改善結(jié)構(gòu)的承載性能。從設(shè)計(jì)變量類(lèi)型的角度劃分，連續(xù)體結(jié)構(gòu)優(yōu)化可個(gè)方面：拓?fù)鋬?yōu)化、尺寸優(yōu)化和形貌優(yōu)化，分別對(duì)應(yīng)于產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中的段（概念設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、基本設(shè)計(jì)），其具體對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖 2.1 所示。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2768938