基于拓扑优化的纯电动公交客车车身结构设计及结构分析

摘要

纯电动公交客车以电机代替传统客车的燃油发动机，车身承载形式和结构相对传统燃油客车已经发生改变，作为新型客车车身结构在概念设计阶段引入拓扑优化有着重要意义。
　　近年来，随着拓扑优化的研究不断深入和完善，其在例如汽车、航空航天以及建筑等工程领域带来了较大的经济价值，同时也成为了结构优化领域的前沿、热点以及重难点课题，越来越多的学者专注于该领域的研究。本文首先对拓扑优化进行了概述，进一步讨论了目前国内外在拓扑优化领域研究的现状以及拓扑优化在汽车结构设计中的意义，最后提出了利用拓扑优化的方法对纯电动公交客车车身进行结构优化和结构设计的构想。
　　进一步对客车车身结构优化设计方法以及拓扑优化基础理论进行了简要介绍，探讨了均匀化方法、变厚度法以及独立连续映射方法等各自的特点以及在工程实际中的应用。对拓扑优化的数学算法例如序列线性规划法、序列二次规划法、序列凸规划法和序列增广拉格朗日法等进行了研讨，最后确定利用基于simp插值方式的变密度法对纯电动公交客车车身进行拓扑优化设计。
　　最后基于多目标多工况拓扑优化方法对纯电动公交客车车身进行拓扑优化设计。介绍了多目标拓扑优化的基本理论，并且以客车正常行驶中的四种典型工况的柔度和车身自由模态前六阶频率为优化目标，进而建立了多目标多工况拓扑优化数学模型，根据纯电动公交客车的概念设计要求，建立了客车拓扑优化的有限元模型，通过Optistruct优化软件对车身结构进行了迭代计算。通过对迭代曲线的分析确定拓扑优化可靠，然后基于拓扑优化的结果进行车身结构设计。
　　针对最后的车身结构，利用有限单元法对纯电动公交客车车身进行结构分析，分析的主要内容有车身在四种典型工况下的静态强度刚度以及车身前六阶自由频率。有限元结构分析的结果表明，基于拓扑优化的纯电动公交客车车身结构满足基本的强度刚度要求，并且低阶模态频率避开了客车在正常行驶中的敏感频率范围。

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1 绪 论

1.1客车拓扑优化概述

1.2拓扑优化国内外研究现状

1.3纯电动客车车身拓扑优化意义

1.4本文研究内容和方法

2 结构优化设计与拓扑优化基本理论

2.1 结构优化设计

2.2 拓扑优化方法

2.3 拓扑优化数学算法

3 纯电动公交客车车身结构拓扑优化模型建立及求解

3.1 纯电动公交客车车身拓扑优化数学建模

3.2纯电动公交客车车身拓扑优化有限元建模

3.3纯电动公交客车车身拓扑优化求解及结果分析

3.4本章小结

4基于拓扑优化结果的纯电动公交客车车身结构设计及结构分析

4.1基于拓扑优化结果的纯电动公交客车车身结构设计

4.2纯电动公交客车车身有限元建模

4.3纯电动公交客车身有限元结构分析

4.4本章小结

5 全文总结与展望

5.1全文总结

5.2展望

致谢

参考文献

附录 A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录：