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原文传递电动车碳纤维复合材料乘员舱多尺度参数化优化设计方法研究

论文题名：	电动车碳纤维复合材料乘员舱多尺度参数化优化设计方法研究
关键词：	电动车;轻量化;乘员舱;碳纤维复合材料;参数化设计
摘要：	随着石油能源的不断消耗和日益严格的排放法规，电动汽车的研发和投放使用已经成为了汽车工业发展的必然趋势。但目前电动车车身结构大多是基于燃油车结构进行的改装，针对全新架构电动汽车乘员舱结构设计的研究还很匮乏。同时，随着复合材料快速成型工艺的发展以及大丝束车用碳纤维成本的不断降低，碳纤维复合材料（CarbonFiberReinforcedplastic,CFRP）在车身上的应用也将会越来越多。但目前国内关于CFRP汽车零部件结构设计研究才刚刚起步，还存在很多共性技术问题亟待解决，包括对整体复杂的大型CFRP乘员舱结构的建模、变厚度铺层参数化设计和多尺度集成优化设计等问题。　　本文结合团队承担的国家重点研发计划课题“全新架构电动汽车结构-材料-性能一体化多目标优化设计（2016YFB0101601）”，以全新架构电动车CFRP乘员舱结构为研究对象，对乘员舱结构有限元建模、CFRP关键零件厚度分布概念设计、变厚度铺层参数化设计、乘员舱多尺度参数化设计、乘员舱跨类别优化选材与多尺度优化设计方法进行深入研究，并对典型样件进行了研制和试验验证。论文的主要内容概括如下：　　首先以某量产电动汽车为对标车型，分析对标车型乘员舱整体结构及零部件材料组成。构建了CFRP层合板结构等效单层建模方法，通过对比分析，说明了等效单层建模方法相比于逐层建模方法虽然分析精度略有降低，但可以大幅降低模型单元数量、减少计算规模、提升计算效率，进而保证大型复杂CFRP乘员舱的性能分析与结构优化得以高效进行。采用等效单层建模方法依次建立对标车型的乘员舱有限元模型、乘员舱与底盘车架集成系统(以下简称为“耦合系统”)有限元模型和整车有限元模型，并将耦合系统的性能分析结果与对标车型公开的数据进行对比，两者误差在6%以内，进一步验证了本文提出的建模方法和模型分析结果的有效性。参考对标车型乘员舱和耦合系统的静态弯扭刚度、低阶模态频率，以及整车正、侧碰抗撞性指标确定待开发车型乘员舱的设计目标，为待开发乘员舱结构设计、分析和性能评价奠定基础。　　接着，在待开发乘员舱结构概念设计阶段，利用拓扑优化方法设计乘员舱金属梁类零件的断面形状。参考对标车型相应零件的结构形状及其与周围其他零件的连接关系，采用类比方法设计CFRP梁类零件断面和尺寸。提出利用smear-stiffness方法来消除CFRP铺层顺序对层合板刚度的影响，进而实现对CFRP零件厚度分布的概念设计，根据零件概念设计结果和典型工况分析，对零件变厚度铺层分区数量和位置关系进行前期规划，设计各CFRP零件的初始变厚度铺层方案。将所有零件组装搭建待开发车型乘员舱初始有限元模型，再进一步创建耦合系统和整车有限元分析模型。根据待开发车型乘员舱设计目标，对乘员舱初始设计性能进行分析评价。　　然后，将零件的断面形状、外形曲率等结构尺寸参数归为宏观尺度设计变量；将CFRP零件的变厚度铺层位置、铺层形状，各厚度分区的铺层数量、铺层角度、铺层顺序和丢层位置提取微观尺度设计变量。率先提出了CFRP零件微观尺度参数化设计方法，通过对CFRP零件微观尺度设计变量进行设计和排布，建立其铺层设计策略，就可以得到任意CFRP零件的变厚度铺层方案。在此基础上，结合编程语言和隐式参数化建模技术，提出了一种多材料乘员舱微观尺度参数化建模方法，能够实现CFRP零件的铺层分区位置、形状以及变厚度铺层方案随参数变化自动修改并提交计算。采用该方法创建乘员舱各零件微观尺度参数化模型，并与其宏观尺度参数化模型相结合，创建出乘员舱多尺度全参数化模型。再利用模块化方法将乘员舱参数化模型与底盘车架、动力总成、闭合件等有限元模型进行组装，得到电动车耦合系统和整车有限元模型，并进一步对耦合系统和整车性能分析。将基于参数化模型得到的结构性能分析结果与乘员舱初始设计有限元模型得到的分析结果进行比较，检验参数化模型精度和有效性。　　最后，提出利用CFRP材料本构关系简化方法来解决在优化迭代过程中无法同时将各向同性材料和各向异性材料作为零件材料设计变量的技术难点，实现优化迭代过程中乘员舱零件的跨类别选材。并利用所建立的乘员舱多尺度参数化模型，实现乘员舱结构多尺度参数化与多目标一体化优化设计。同时，将铺层基本设计原则内嵌在优化设计过程中，可以直接得到满足铺层设计原则的铺层优化设计结果，提高设计效率。结合贡献度分析、近似模型（RBF、Kriging）、多目标优化算法（MOPSO、NSGA-II）和多准则决策方法（TOPSIS、GRA）确定乘员舱的最终设计方案。并与设计目标进行了对比分析，结果表明优化后乘员舱性能达到了设计目标要求，与初始模型相比，减重率为6.8%，材料成本降低了2525.34元；将该乘员舱结构与项目团队优化得到的铝合金底盘车架结构装配后的质量为210.16kg，与同尺寸钢制结构的白车身质量314kg相比减重达到33.07%。根据乘员舱优化设计结果，选取CFRP车顶横梁作为典型零件，研制了车顶横梁样件，并在有资质的三方机构进行了车顶横梁的弯曲试验，结果表明仿真计算结果与试验值相吻合，验证了本文有限元建模与优化设计方法的有效性。
作者：	吕天佟
专业：	车辆工程
导师：	王登峰
授予学位：	博士
授予学位单位：	吉林大学
学位年度：	2021