轻质高强车体结构概念开发与优化研究

发布时间：2017-09-14 18:43

  本文关键词：轻质高强车体结构概念开发与优化研究

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【摘要】：汽车轻量化是实现汽车产品节能减排和新能源汽车的技术关键,也是产业界难以突破的瓶颈。对于目前国内主流电动汽车,车身结构往往沿用同级别传统燃料汽车车身,但搭载动力电池后导致产品续航里程无法满足广大需求,这是众多电动汽车产品不成功的原因之一,也是制约电动汽车推广的主要技术障碍。本文结合实际的微型纯电动概念车型的研发,探讨全新的车身结构形式,应用新型的轻质材料,对轻质高强度吸能车体结构(Light-weight High-Strength Absorbable Framework,简称LHAF)的设计方法进行研究。LHAF车架结构是指采用铝质骨架结构作为承受整车大部分应力,保证骨架架构能满足强度、刚度、模态和碰撞安全性等性能要求,是秉持以电动汽车动力电池为中心的设计理念正向开发的一种轻量化车身结构。新型车身结构形式开发的难点在于可供参考的方案和评价体系的缺乏,为此针对LHAF车身的结构形式建立了车身数据库,包括轻质高强度吸能材料、多材料车身结构形式,也选定了一款同级别的车型作为对标车,采用逆向工程的方法获取对标车的车身数据,分析对标车白车身的模态及静态特性。在此基础下,开展LHAF车身的开发工作。首先确定整车的整体参数和总布置空间,利用拓扑优化的方法,获取车身概念结构设计的拓扑结构参考,分析拓扑结构的力传递路径。提出了一种逐次逼近式的拓扑优化方法,该方法与原有方法相比,其拓扑结果有着更易于工程化解读的空间管架结构,也提高了计算效率。根据逐次逼近方法得出的拓扑结果,进行LHAF车身结构的工程化设计,利用模块化建模的方法,分别对车体结构的前端模块、车门模块、后端模块、地板模块和顶棚模块进行多方案设计,最终优选出两种LHAF车身结构方案。经过对多方案的静态刚度和动态碰撞性能分析仿真,分析不同结构下对整车性能的影响,获得最适合LHAF结构形式的设计方案,最终的概念方案相比对标车,车身质量只有对标车的46.9%,刚度有所提升。最后对铝合金空间框架式结构填充泡沫铝结构方案作出探索,填充泡沫铝后的优化方案相比未填充的结构形式,质量基本保持不变,而加速度峰值降低46.3%。本文在提出LHAF车体结构概念和设计思路后,开发出一套满足轻质高强度吸能的车身技术方案,对纯电动汽车全铝合金车身的开发具有重要借鉴意义。
【关键词】：车身轻量化 正向开发 拓扑优化 车身概念设计 轻质高强度吸能车身结构
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U463.82
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-12
• 第一章 绪论12-24
• 1.1 论文研究背景12-13
• 1.1.1 研究背景及意义12-13
• 1.2 轻质高强度吸能材料及其在车体结构中的应用研究13-19
• 1.2.1 轻质高强度吸能材料分类13-14
• 1.2.2 多材料车身结构分析14-16
• 1.2.3 轻质高强度材料在汽车的应用现状16-19
• 1.3 新型车身结构概念开发研究现状19-20
• 1.4 课题来源及主要研究内容20-24
• 1.4.1 课题来源20
• 1.4.2 论文研究路线及研究重点20-21
• 1.4.3 论文的主要研究内容21-24
• 第二章 LHAF车身优化设计方法及性能评价方法提出24-33
• 2.1 车身各阶段的开发流程24-26
• 2.2 车身结构优化方法方法研究26-28
• 2.2.1 基于逐次逼近式拓扑优化方法的提出26-27
• 2.2.2 基于形貌优化的车身结构开发方法27-28
• 2.2.3 尺寸优化设计方法28
• 2.3 LHAF车身的关键性能评价方法28-32
• 2.3.1 静态载荷下的结构变形评价28-30
• 2.3.2 基于安全性的耐碰能力30-31
• 2.3.3 车身轻量化水平31-32
• 2.4 本章小结32-33
• 第三章 对标车白车身模型建立及性能评价33-45
• 3.1 对标车车身结构分析数据库建立33-37
• 3.1.1 对标车的选用及总体性能参数33-34
• 3.1.2 对标车车身数模数据获取34-35
• 3.1.3 对标车车身有限元模型的建立35-36
• 3.1.4 白车身有限元模型连接方式的处理36-37
• 3.2 对标车结构模态分析及实验验证37-42
• 3.2.1 对标车车身结构理论模态分析37-39
• 3.2.2 对标车车身结构试验模态分析39-42
• 3.3 对标车车身性能数据库建立42-44
• 3.3.1 对标车弯曲刚度性能分析42-43
• 3.3.2 对标车扭转刚度性能分析43-44
• 3.4 本章小结44-45
• 第四章 面向车身概念开发的目标确定及多体动力学分析45-58
• 4.1 LHAF车身总体设计布置方法研究45-48
• 4.1.1 LHAF车身总体参数设计45
• 4.1.2 造型设计45-46
• 4.1.3 动力系统及底盘匹配设计46-47
• 4.1.4 电池布置设计47-48
• 4.2 拓扑设计空间的建立48-51
• 4.2.1 整车主要零件布置空间确定48-49
• 4.2.2 拓扑空间建立49-51
• 4.3 基于多体动力学分析的拓扑结构载荷的确定51-56
• 4.3.1 整车多体动力学模型的建立51-52
• 4.3.2 虚拟试验工况的建立52-53
• 4.3.3 多体动力学分析载荷数据输出53-56
• 4.4 本章小结56-58
• 第五章 LHAF车身结构拓扑优化设计58-71
• 5.1 车身结构拓扑优化的基本理论研究58-60
• 5.2 车身结构拓扑优化的数学模型60-65
• 5.2.1 基于折衷规划法的优化方法研究60-62
• 5.2.2 多工况优化目标函数62-63
• 5.2.3 碰撞工况下力的等效载荷处理63-64
• 5.2.4 拓扑多工况下的权重设置64-65
• 5.3 拓扑优化基本有限元模型的建立65-67
• 5.3.1 几何结构导入与离散化65-66
• 5.3.2 载荷及边界条件66
• 5.3.3 拓扑优化的工艺约束方法研究66-67
• 5.4 基于逐次逼近的拓扑方法研究67-70
• 5.4.1 基于整体拓扑方法的迭代结果分析67-68
• 5.4.2 基于逐次逼近的拓扑方法研究68-70
• 5.5 本章小结70-71
• 第六章 LHAF车体结构概念开发及优化研究71-86
• 6.1 LHAF车身概念模块化建模规范71-72
• 6.2 LHAF车身拓扑结果的多方案解读72-76
• 6.2.1 车身前端模块的拓扑结果解读72-73
• 6.2.2 车身侧围及后围模块的拓扑结果解读73-74
• 6.2.3 车身地板模块及顶棚模块的拓扑结果解读74-75
• 6.2.4 整车车身概念结构多方案结果输出75-76
• 6.3 LHAF概念车身多方案静态特性评价系统的建立方法研究76-79
• 6.3.1 LHAF概念车身多方案弯曲刚度对比分析76-77
• 6.3.2 LHAF概念车身多方案扭转刚度对比分析77-79
• 6.4 LHAF概念车身多方案动态特性评价系统的建立方法研究79-85
• 6.4.1 概念车身多方案碰撞分析有限元模型建立79-80
• 6.4.2 概念车身多方案碰撞结果分析80-82
• 6.4.3 泡沫材料填充前端碰撞结构应用研究82-84
• 6.4.4 轻质高强车体结构开发思路及优势总结84-85
• 6.5 本章小结85-86
• 总结与展望86-88
• 研究展望87-88
• 参考文献88-91
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果91-93
• 致谢93-94
• 附件94

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