小型电动车车架多工况结构拓扑优化设计研究

摘要

随着社会越来越重视环保与节能，现在纯电动车正成为世界各国研究开发的热点，其污染物排放少、噪声低、能效高等优势是传统燃油汽车不可比拟的。车架作为汽车重要部件之一，承受着驾驶室、动力总成和其它所有零部件的质量载荷，并且承受着不同工况下来自路面的振动、冲击、扭曲等。如果能在满足车架各项性能要求的同时，提高材料使用率，实现车架的轻量化，那将非常具有工程使用价值。特别是在电池技术发展依旧限制电动汽车发展的现阶段，降低车辆自重提升续航能力意味着整车成本能有较大幅度的降低，有利于电动汽车的推广。因此在车架结构设计的初期就应该使用拓扑优化设计技术，在设计域内得到车架拓扑结构。本文主要研究内容如下：　　(1)创建基于传统汽车车架的小型电动车车架简易模型，提出两种小型电动车动力电池布置方案；在弯曲、扭转、制动和转弯四种典型工况下对两种方案中的车架进行有限元分析，最终选择动力电池组中置的小型电动车车架布置方案；　　(2)构建以体积最小为目标，结构总体柔度为约束的拓扑优化数学模型；提出多工况权重比分配问题的求解方法；在Hypermesh中建立了小型电动车车架局部拓扑优化有限元模型；将权重比代入加权柔度函数，以加权柔度为约束，结构最小体积为目标，在Hypermesh中完成了小型电动车车架多工况拓扑优化；构建基于拓扑优化结果的小型电动车车架三维模型，对比优化前后静力学分析和模态分析结果。　　优化结果显示，局部优化后的车架结构满足使用要求，减轻了车架优化区域的总质量，使材料的有效利用率得以提高，对进一步的结构优化研究具有重要意义。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 研究现状

1.3 论文研究思路及内容

第2章 结构拓扑优化基本理论

2.1 结构优化简介

2.2 有限元分析方法

2.2.1 有限元方法的基本思想

2.2.2 弹性力学基本方程

2.2.3 有限元分析的基本步骤

2.2.4 有限元工程分析流程

2.3 基于变密度法的结构拓扑优化模型

2.4 OC 算法

2.5 本章小结

第3章 小型电动车车架布置优化

3.1 引言

3.2 车辆操纵稳定性分析

3.2.1 纯电动车的结构影响因素

3.2.2 整车结构对操纵稳定性的影响

3.3 小型电动车车架多方案布置设计

3.3.1 动力电池组前置方案

3.3.2 动力电池组中置方案

3.4 车架有限元模型建立

3.4.1 网格划分

3.4.2 输入材料属性

3.4.3 设置边界条件

3.5 小型电动车车架静态分析

3.5.1 满载弯曲工况

3.5.2 满载扭转工况

3.5.3 紧急制动工况

3.5.4 紧急转弯工况

3.6 小型电动车车架模态分析

3.6.1 模态分析理论基础

3.6.2 车架模态分析步骤

3.6.3 模态计算结果及分析

3.7 小型电动车车架布置方案选择

3.8 本章小结

第4章 小型电动车车架多工况局部拓扑优化

4.1 引言

4.2 小型电动车车架拓扑优化数学模型

4.3 多工况权重比计算

4.4 局部拓扑优化有限元模型建立

4.5 小型电动车车架多工况拓扑优化结果

4.6 小型电动车车架优化结果对比分析

4.6.1 车架静力分析结果对比

4.6.2 车架模态分析结果对比

4.7 本章小结

结论与展望

研究结论

研究展望

参考文献

致 谢