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原文传递小型电动车钢铝混合车身结构设计及优化

论文题名：	小型电动车钢铝混合车身结构设计及优化
关键词：	电动汽车;钢铝混合车身;结构设计;多目标优化;可靠性
摘要：	在碳达峰、碳中和的时代背景下，车身轻量化是节能减排的重要手段之一。随着高强钢、铝合金等轻质材料在车身上的应用，“合适的材料用在合适的位置”逐渐成为车身轻量化的指导思想。现阶段多材料车身材料筛选的研究中，主要针对单一车身结构部件进行材料选择或将材料作为设计变量加入到多目标优化流程中，缺乏从整体结构考虑的车身性能-材料属性匹配准则。其次，在多目标优化Pareto解集筛选和多属性决策方法的组合研究中，多采用单一主观或客观权重，导致最终优化方案的准确性不足。因此，本文以小型电动车钢铝混合车身结构为切入点，通过熵权-TOPSIS方法与多工况协同拓扑优化结果相结合，建立车身性能-材料属性匹配准则，实现整车结构材料划分。在钢铝混合车身隐式参数化模型的基础上，进行基于可靠性的多目标优化设计，采用考虑组合权重的灰色相关分析方法确定最优方案，并通过仿真验证其可行性，得到轻量化车身结构，进一步建立钢铝混合车身结构设计及可靠性优化方法，为电动车多材料车身结构设计开发提供参考和借鉴，具有一定的工程应用价值。具体内容如下：　　以不同牌号钢、铝材料的力学性能为基础，通过熵权TOPSIS法确定备选材料基于力学属性的排序方案。对标现有小型电动车外形尺寸及其相关布置，综合考虑七种动、静态工况，基于折衷规划法以整体柔度最小为目标对车身进行拓扑优化。参考拓扑优化结果和前期材料排序方案，建立车身性能-材料属性匹配准则，实现整车结构材料筛选，并针对铝型材结构进行断面设计，建立钢铝混合车身初始结构。　　通过参数化建模软件SFE-Concept建立钢铝混合车身初始结构参数化模型，对参数化模型快速生成的有限元模型进行静态性能分析，并与现有有限元模型性能分析结果进行比对，验证参数化模型的准确性，为后续的多目标优化做好基础。　　从建立的钢铝混合车身结构参数化模型出发，选择板厚、梁截面参数和梁结构位置三大类共计50个初始设计变量。利用Isight集成参数化建模软件SFE-Concept和有限元分析软件Optistruct搭建自动化仿真分析平台，采用最优拉丁超立方方法进行数据采样，获得初始设计变量的Pareto图和主效应图，综合考虑贡献度和等效主效应值，选择其中23个设计变量作为后续优化变量。通过最优拉丁超立方方法对这23个优化变量进行150组试验设计，根据采集的试验数据样本点建立响应面、径向基神经网络和克里格近似模型，通过精度对比选择响应面模型作为后续优化模型。　　采用NSGA-Ⅱ多目标遗传算法以整车重量最小、弯扭刚度最大为目标，一阶弯扭模态、刚度和优化目标的6Sigma质量水平为约束条件，进行钢铝混合车身结构的可靠性多目标优化，在得到的Pareto解集的基础上采用基于组合权重的灰色相关分析方法确定其最优方案，根据最优方案修改模型参数，并通过有限元分析验证其有效性。之后，基于上述流程对钢铝混合和全铝车身结构进行确定性多目标优化设计，并通过有限元分析验证优化方案的有效性。　　结果表明，基于可靠性的钢铝混合车身多目标优化设计方案在减重3.55%的基础上，弯扭刚度分别提升38.31%和4.88%，相较于确定性优化方案，进一步满足各优化目标的可靠度要求。同时，对比全铝确定性优化方案，钢铝结构轻量化效果显著。因此，本文针对小型电动车钢铝混合车身结构的设计及优化，包括基于车身性能-材料属性匹配准则的材料筛选和整车结构的可靠性优化设计，结果合理有效，从而建立一种行之有效的小型电动车钢铝混合车身结构设计及优化方法。
作者：	刘凯琪
专业：	工业设计工程
导师：	陈鑫
授予学位：	硕士
授予学位单位：	吉林大学
学位年度：	2022