【摘要】：近年來,伴隨著節(jié)能、環(huán)保呼聲的日益高漲,各汽車廠商都加大了電動汽車的研發(fā)投入,都試圖在這個關(guān)鍵時期實現(xiàn)從傳統(tǒng)燃油車到電動汽車的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型。然而,目前市場上在售的電動汽車的車身結(jié)構(gòu)大多是在燃油車車身的基礎(chǔ)上小幅修改而來,而并沒有結(jié)合電動車身真實的承載方式進行設(shè)計。顯然,電機和發(fā)動機在重量以及在整車中的布置形式上均存在較大的差異,這就決定了車身結(jié)構(gòu)重新設(shè)計的必要性。概念設(shè)計作為車身設(shè)計過程中三個最重要的階段之一,能夠最大程度地實現(xiàn)輕量化,同時也可以帶來比詳細設(shè)計和基本設(shè)計大得多的經(jīng)濟效益。因此,在車身的概念設(shè)計階段,如果將電動汽車與傳統(tǒng)汽車的承載差異考慮其中,那么就可以在保證整車性能的前提下最大限度地降低整車的重量。目前,在進行整車多工況拓撲優(yōu)化時,更多的只是考慮車身的靜態(tài)彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度以及固有頻率等,車身耐撞性作為一個不可或缺的汽車安全性能還有待深入研究。顯然,車身耐撞性問題是與時間相關(guān)的動態(tài)非線性問題,因此,根據(jù)現(xiàn)有的優(yōu)化算法直接對此類問題進行靈敏度分析會帶來巨大的計算量。代理模型優(yōu)化方法簡單、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。混合元胞自動機(Hybrid Cell Automata,HCA)優(yōu)化方法由于準確性和魯棒性較差只對小型結(jié)構(gòu)適用,對于大型結(jié)構(gòu)則會出現(xiàn)計算效率低下以及目標函數(shù)出現(xiàn)非周期性振蕩行為等問題。等效靜態(tài)載荷方法(Equivalent Static Load Method,ESLM)在解決動態(tài)非線性優(yōu)化問題上求解精度高、收斂速度快,其整個優(yōu)化過程由動態(tài)非線性分析和靜態(tài)優(yōu)化兩個子過程構(gòu)成。通過將動態(tài)非線性分析得到的位移響應(yīng)與模型的剛度矩陣相乘,可以計算出每個節(jié)點上的等效靜態(tài)載荷,再將求得的等效靜態(tài)載荷施加到模型中進行靜態(tài)優(yōu)化。最后,根據(jù)靜態(tài)優(yōu)化結(jié)果對模型進行更新,整個動態(tài)優(yōu)化過程在兩個子過程中反復(fù)迭代,直至滿足收斂要求。為了解決動態(tài)拓撲優(yōu)化這個難題,本文基于等效靜態(tài)載荷方法,利用VB.NET語言開發(fā)了一款能夠解決動態(tài)拓撲優(yōu)化問題的軟件CrashTopologyOptimization(CrashTopt)。整個軟件的開發(fā)過程從以下兩個方面展開:一方面,設(shè)計軟件開發(fā)的流程、整體架構(gòu)以及操作界面;另一方面,通過編程實現(xiàn)軟件的各項功能,包括文件的導(dǎo)入、文件存儲格式的轉(zhuǎn)換、模型的修改、剛度矩陣的提取、優(yōu)化參數(shù)的寫入、等效靜態(tài)載荷的計算、模型的更新以及收斂判定,最終完成整個軟件的開發(fā)。本文以某款SUV白車身為研究對象,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車身的拓撲優(yōu)化模型。優(yōu)化模型以體積分數(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。接下來,我們使用自主開發(fā)的CrashTopt軟件對該白車身結(jié)構(gòu)進行碰撞拓撲優(yōu)化設(shè)計。良好的優(yōu)化效果表明,CrashTopt軟件能夠在多個工況條件下對整車車身進行優(yōu)化設(shè)計,具有一定的工程應(yīng)用價值。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：U469.72;U463.82
【圖文】：

重量和在整車中的布置形式上。因此，這就導(dǎo)致了電動汽車車身和傳統(tǒng)燃油車車載方式上的巨大差異。然而，目前，電動汽車大多還是沿用傳統(tǒng)的燃油車車身，是在燃油車車身的基礎(chǔ)上進行小幅修改而來，而并沒有結(jié)合電動汽車車身真實的式來進行設(shè)計。顯然，沿用傳統(tǒng)的燃油車車身必然難以滿足車身的剛度要求。概作為車身設(shè)計過程中三個最重要的階段之一，能夠最大程度地實現(xiàn)輕量化，同時帶來比詳細設(shè)計和基本設(shè)計大得多的經(jīng)濟效益。因此，在車身的概念設(shè)計階段，電動汽車與傳統(tǒng)汽車的承載差異考慮其中，而不是僅僅依靠工程師們的經(jīng)驗來設(shè)么就可以在保證整車性能的前提下實現(xiàn)輕量化。車身設(shè)計的流程如圖 1.2 所示，其中，設(shè)計的第一步是考慮多個工況條件對整進行拓撲優(yōu)化設(shè)計。然而，目前在對整車車身進行多工況拓撲優(yōu)化時，還無法將動態(tài)工況考慮其中。因此，解決動態(tài)優(yōu)化這個技術(shù)難題，并將其應(yīng)用于電動汽車設(shè)計中，具有重要的研究價值。

圖 1.3 Altair 公司利用拓撲優(yōu)化技術(shù)開發(fā)的 SUV 底盤骨架拓撲優(yōu)化技術(shù)不僅可以應(yīng)用于汽車零部件，對于整車車身也同樣適用。Wang拓撲優(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，在降低白車身重提高了白車身的剛度。扶原放等[51]以體積分數(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，對某微型電動車車身結(jié)構(gòu)完成了拓撲，得到了滿足性能要求的車身梁骨架結(jié)構(gòu)。謝倫杰等[52]綜合考慮了車身結(jié)構(gòu)的性，對某電動車車身結(jié)構(gòu)進行拓撲優(yōu)化設(shè)計，得到了同時滿足靜態(tài)剛度和動態(tài)要求的車身拓撲。楊蔚等[53]以整車彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度為優(yōu)化目標，對某微型行優(yōu)化設(shè)計，得到了最優(yōu)的車身骨架承載形式。在對整車車身進行多工況拓撲究中，大多只考慮了結(jié)構(gòu)的靜態(tài)剛度，而并沒有把碰撞工況考慮進去，這也是耐撞性優(yōu)化問題目前還沒有一個較好的解決方案。車身耐撞性優(yōu)化問題是一個涉及幾何非線性、材料非線性和邊界非線性的動力其控制方程可表述如下：

第 2 章 等效靜態(tài)載荷方法下的動態(tài)非線性結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化第2章 等效靜態(tài)載荷方法下的動態(tài)非線性結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化續(xù)體拓撲優(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)計域 內(nèi)尋求一個最佳的材料分布，在提高材時改善結(jié)構(gòu)的承載性能。從設(shè)計變量類型的角度劃分，連續(xù)體結(jié)構(gòu)優(yōu)化可個方面：拓撲優(yōu)化、尺寸優(yōu)化和形貌優(yōu)化，分別對應(yīng)于產(chǎn)品開發(fā)過程中的段（概念設(shè)計、詳細設(shè)計、基本設(shè)計），其具體對應(yīng)關(guān)系如圖 2.1 所示。

【參考文獻】

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本文編號：2768938