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原文传递某电动汽车车身耐撞框架结构拓扑优化设计研究

论文题名：	某电动汽车车身耐撞框架结构拓扑优化设计研究
关键词：	电动汽车;耐撞框架;拓扑优化;电池箱体;结构设计
摘要：	随着中国汽车消费者对汽车需求的日益增大，我国汽车保有量不断地提高，随之造成我国汽车交通安全事故发生率也日益增加。由于人们对汽车碰撞安全性能的关注和认知日益提高，汽车的安全性能也成为了除舒适性和动力经济性之外，人们购买汽车前重点考虑的性能之一。在满足国家现有安全法律、法规以及C-NCAP的星级评定指标的同时，汽车厂商还需迎合消费者们的市场需求，不断地提高车辆结构设计的碰撞安全性。在汽车车身设计过程中，如果在车身结构确定后进行拓扑优化，很难对原始的结构进行较大的改进。因此，在汽车开发的概念设计阶段，将拓扑优化方法用于车身结构的设计，并结合知识工程进行车身典型截面的设计，能够在概念设计阶段进行车身碰撞关键零部件的结构设计，在较短时间内有效地找出最优碰撞载荷路径，进而提升整车的碰撞安全性能。　　为求解耐撞性拓扑优化问题，本文提出了基于能量控制混合元胞自动机的拓扑优化方法：首先，运用LS-DYNA显式有限元算法，以混合元胞自动机作为优化计算模型。采用有限元法进行结构分析获得优化过程中的每次迭代信息，设计变量中的局部改变由比例局部控制规律来确定。然后，在拓扑的结构中区分柔性区域和刚性区域，通过选取最佳的控制规律，赋予它们不同的设计尺寸和质量分数约束，控制结构的能量吸收分配。最后，将该方法用于单工况和多工况连续体拓扑优化设计，证明了该方法的可行性和准确性，并将所得结果与传统方法对比表明，该方法能降低碰撞力，提高碰撞过程中结构的耐撞性而且吸能过程平稳。　　本文以实际工程为依托，将基于能量控制的耐撞性拓扑优化方法用于某电动汽车车身耐撞框架结构设计中。在电动汽车前保险横梁的结构设计时，以高速碰撞工况来优化结构的耐撞性能，然后进行保险杠的低速摆锤碰撞仿真及台车低速碰撞仿真，并与文献结果进行对比分析，验证了本文方法在提高耐撞性的潜力及准确性。在电动汽车电池箱体结构设计时，将耐撞性拓扑优化方法应用到车辆实际开发过程中，同时兼顾电池箱体的静态特征，把动态及静态特征同时作为拓扑优化条件，与传统的拓扑优化设计只对静态或动态特征单独优化相比，本文通过多目标并行设计，优化结果更贴近实际工况、具有指导意义。结果表明，改进后的箱体结构模态分析、耐撞性分析结果均优于原始的结构，且箱体重量减轻8％。　　本文结合拓扑优化理论和实际工程需要提出了一种耐撞性拓扑优化的新方法，深入研究了该方法在车辆实际设计中的具体应用，并对改进结果进行评价与总结。研究结果表明，该方法在概念设计阶段能够较好的满足安全性能评估和轻量化设计要求，达到了缩短开发周期和降低开发成本的目的。
作者：	谭纯
专业：	机械工程
导师：	成艾国;陈涛
授予学位：	硕士
授予学位单位：	湖南大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文