电动汽车薄壁梁车身正向概念设计及轻量化研究

摘要

伴随着环境、能源等问题的日益突出，世界各国都在致力于发展新能源汽车，纯电动汽车因零污染、技术相对成熟，成为重点研究目标。然而纯电动汽车面临续航里程短、充电难等困境，车身轻量化可以减轻汽车重量，是提高纯电动汽车续航里程的重要途径之一。车身轻量化设计实际上是以性能为主导的整车正向设计，而目前我国大多汽车厂商仍然沿用传统逆向设计，制约了轻量化的发展。因此，研究车身正向自主开发和轻量化技术，对于提高我国汽车研发能力，加快我国迈向汽车强国步伐具有重大意义。　　车身概念设计是整车开发中重要环节，本文重点研究了适用于车身正向概念设计的薄壁梁刚度设计方法，并将轻量化理念引入车身概念设计阶段，进行车身梁的主断面参数优化。首先，以微型电动汽车车身为实例，以车身总布置和基本结构参数为起点，针对概念设计阶段车身结构信息缺乏，使用拓扑优化方法并综合考虑5种典型工况进行多目标拓扑优化设计，确定车身梁的骨架模型，从而提取车身简化几何模型。其次，考虑车身梁为薄壁结构，结合薄壁结构翘曲特性，使用Vlasov梁理论推导出任意封闭的单室截面梁的力学模型，建立薄壁梁14个状态向量与15个截面属性之间的力学关系。接着，以车身梁接头为耦合节点，利用传递矩阵法，构建了整体车身梁的刚度链模型，建立车身主断面属性与车身刚度之间关系，并通过与有限元分析结果和已有刚度链方法计算结果三者之间的对比，验证本文所提出的车身薄壁梁刚度设计方法的有效性。最后，为进一步提升车身轻量化效果，对车身主断面进行两层优化，分别以弯曲和扭转刚度为性能约束以及多材料成本为约束，结合本文提出的车身薄壁刚度分析模型，使用遗传算法进行优化，结果表明轻量化效果明显。　　本文的研究考虑了薄壁梁的翘曲变形等因素，提升了车身刚度链求解精度，同时，提出了适用于概念设计阶段的车身轻量化方法，为车身正向开发和轻量化设计提供了参考。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 论文研究背景及意义

1.2 车身概念设计研究现状

1.2.1 国外研究现状

1.2.2 国内研究现状

1.3 车身轻量化研究现状

1.3.1 国外研究现状

1.3.2 国内研究现状

1.4 论文框架与创新点

第2章 概念设计车身结构拓扑优化

2.1 拓扑优化的基本理论

2.1.1 拓扑优化的数学模型

2.1.2 拓扑优化常用方法

2.1.3 拓扑优化的基本流程

2.2 多工况拓扑优化方法

2.3 车身骨架拓扑优化设计

2.3.1 确定设计空间

2.3.2 定义载荷工况

2.3.3 计算与分析

2.3.4 结果的输出

2.4 本章小结

第3章 基于薄壁梁理论的力学传递模型

3.1 车身简化线框模型

3.2 薄壁理论概述

3.3 薄壁梁力学模型

3.3.1 薄壁梁坐标系的选择

3.3.2 薄壁梁基本假设

3.3.3 薄壁梁位移场推导

3.3.4 薄壁梁力学场计算方法

3.4 单根薄壁梁传递方程

3.5 本章小结

第4章 整体车身梁刚度力学建模及验证

4.1 车身刚度计算规范

4.1.1 车身弯曲刚度计算

4.1.2 车身扭转刚度计算

4.2 整体车身刚度力学模型建立

4.2.1 车身刚度建模思路

4.2.2 连续薄壁梁传递矩阵

4.2.3 薄壁梁的坐标转换

4.2.4 整车刚度链模型组装

4.3 薄壁车身刚度方法的验证

4.4 本章小结

第5章 多材料车身结构轻量化设计研究

5.1 多材料结构设计概述

5.1.1 汽车典型轻量化材料

5.1.2 多材料车身设计方法

5.2 优化方法

5.3 多材料车身结构优化计算

5.3.1 第一层优化

5.3.2 第二层优化

5.4 轻量化效果验证

5.5 本章小结

总结与展望

总结

展望

参考文献

致谢

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