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原文传递平纹机织复合材料纯电动汽车电池箱的可靠性优化设计研究

论文题名：	平纹机织复合材料纯电动汽车电池箱的可靠性优化设计研究
关键词：	纯电动汽车;电池箱;平纹机织复合材料;优化设计;可靠性能
摘要：	在传统能源危机、环境污染、节能减排理念等多重压力下，纯电动汽车应运而生并取得了蓬勃的发展。然而，其续航能力差、安全性能保障低也成为整个新能源汽车行业亟需解决的问题。研究表明，纯电动汽车的续航和安全性能与自身质量有着密不可分的关系，而电池箱作为整个电动系统除电池组外最重的结构，对其进行轻量化设计非常具有意义。与此同时，将碳纤维复合材料应用到电池箱的轻量化设计也成为研究的重点，而相对于传统的单向复合材料，平纹机织结构碳纤维复合材料在保持原本优秀性能的同时，还具有更均匀的力学性能，更成熟的制造工艺以及更广阔的设计区间。因此，本文以平纹机织碳纤维复合材料电池箱为研究对象，以轻量化为研究目标，通过等代设计思想，用平纹机织复合材料取代原电池箱的金属材料，并利用Kriging模型和可靠性理论对机织复合材料电池箱进行优化设计。本文的研究内容如下：　　首先，本文从机织复合材料细观结构出发，结合周期性边界条件和均匀化理论，提出平纹机织复合材料弹性性能预测方法，并将预测值与试验值对比验证该方法的有效性。而后在预测模型的基础上，深究了细观结构几何参数对复合材料力学性能影响，为后续电池箱的优化设计和不确定性因素的分析奠定理论和数据基础。　　其次，本文基于等代设计原则，分别建立金属材料和机织复合材料电池箱的有限元模型。根据国标和企业要求制定静态分析工况、模态分析工况和动态挤压工况，并对比分析相同工况下两种不同材料电池箱的性能响应值。结果表明，平纹机织复合材料电池箱在具有良好减重效果的同时，各性能参数仍均优于金属材料电池箱。说明平纹机织复合材料在电池箱的轻量化设计中具有应用价值。　　最后，本文综合考虑了不确定性因素下细观结构几何参数对机织复合材料弹性性能的影响，运用DOE试验设计对参数进行灵敏度分析，根据试验结果选取灵敏值较大的参数以及宏观铺层参数作为优化设计变量。通过拉丁超立方法生成试验样本，运用HyperMesh-ABAQUS软件对不同的电池箱有限元模型进行联合仿真，利用样本及其性能响应值建立Kriging模型。接着以平纹机织复合材料电池箱总质量最小为优化目标，以原电池箱的刚度性能和模态频率为边界条件建立优化设计模型。同时综合考虑到优化模型中目标函数、约束条件以及设计变量中的众多不确定性因素，在不同可靠度指标下，本文采用序列优化与可靠性评估法进行可靠性优化设计，并联合蒙特卡洛仿真法对优化得到的最优解进行可靠度验证。通过本文的研究，可以为材料变量非确定性条件下平纹机织复合材料电池箱的轻量化设计的有效性和可靠性提供可借鉴的方法。
作者：	吴自强
专业：	机械工程
导师：	陈振中
授予学位：	硕士
授予学位单位：	东华大学
学位年度：	2023