新能源汽车车身结构的概念设计开发

【摘要】：新能源汽车的车身与传统汽车存在差异，这种差异将投影到车身概念开发方法之上。新能源汽车车身结构的概念开发是新能源汽车整车开发中的关键问题，是汽车产业界及学术界的研究重点。本文以现代汽车车身结构的开发流程及汽车车身结构设计准则为基础，利用相关数学及商业软件工具，形成相对完整的新能源车身概念开发体系流程。以一款在研的新能源车型的车身结构概念开发为算例，付诸实践，并取得了比较好的效果。 本文以轻量化为目标，对新能源概念车身的结构形式进行探讨，选择了桁架式的车身结构；并以在研车型为例，总结了在总布置、造型设计及底盘系统的基础上确定车身结构的设计空间及车身载荷的方法；对新能源概念车在多个典型工况下的多体动力学仿真方法进行研究，包括模型建立、虚拟工况建立和定义输出等，并通过计算导出了车身载荷结果数据，为车身结构拓扑优化提供准确载的荷边界条件。车身结构拓扑优化旨在获得最合理的载荷路径，在明确设计目标、设计空间以及载荷边界条件的基础上，本文对概念阶段的新能源车身结构进行了拓扑优化，并研究讨论影响拓扑优化结构的多个因素，并通过在研车型的算例实践，得到有指导性的结论。其中，通过研究明确了惩罚因子对于桁架式概念的生成的影响，以及最小组成尺寸控制技术的利用；通过对基于折衷规划法的静动态多指标拓扑优化的静动态指标权重比值的研究，明确了生成明确的载荷路径静动态权重范围，并最终获得了比较满意及可信的拓扑优化结构。在拓扑优化结果的基础上建立桁架式概念车身的线框模型，建立了带有截面属性的一维梁单元有限元模型，并总结出并进行截面参数优化的方法，使得概念车身在满足质量约束的前提下达到了性能的最优。 对新能源车身的概念设计方案进行验证，包括基于有限元的车身模态、弯曲刚度及扭转刚度分析，并对车身轻量化水平进行校核。分析结果表明，本文的新能源汽车车身概念开发方法，综合应用了多种优化及分析技术，能够在车身概念开发阶段为设计者提供轻量化及结构优越性的车身概念结构，对今后新能源汽车车身结构的设计、优化有一定的借鉴意义。 【关键词】：新能源汽车 车身结构 概念开发 拓扑优化 截面参数优化 轻量化
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：U463.82
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-8
• 目录8-11
• 第一章 绪论11-16
• 1.1 论文研究背景11-12
• 1.2 国内外研究现状12-14
• 1.3 论文的研究内容14-16
• 第二章 新能源汽车车身结构概念开发方法16-32
• 2.1 现代主流车身结构开发流程16-18
• 2.2 白车身的设计流程18-20
• 2.3 车身结构强度与刚度设计研究20-26
• 2.3.1 车身结构静强度设计20-22
• 2.3.2 车身结构刚度设计22-24
• 2.3.3 车身结构轻量化24-26
• 2.4 车身结构优化设计方法及工具26-29
• 2.4.1 车身结构优化问题的数学概念26
• 2.4.2 优化类型26-28
• 2.4.3 优化数值计算方法28
• 2.4.4 优化工具28-29
• 2.5 优化设计驱动的新能源汽车车身的概念设计开发方法29-31
• 小结31-32
• 第三章 新能源汽车车身结构概念设计空间及目标32-43
• 3.1 新能源概念车设计概述32
• 3.2 车身结构概念形式的分析及选择32-35
• 3.3 概念车总体设计及布置概览35-39
• 3.3.1 总布置参数35-36
• 3.3.2 造型设计概览36-37
• 3.3.3 底盘及动力系统布置概览37-38
• 3.3.4 车身布置概览38-39
• 3.4 车身结构设计空间的建立39-41
• 3.5 主要集中质量的确定41-42
• 3.6 车身结构设计轻量化目标的确定42
• 小结42-43
• 第四章 面向车身结构设计的多工况多体动力学分析43-51
• 4.1 面向车身结构设计的多体动力学分析43-44
• 4.2 新能源汽车整车多工况多体动力学仿真分析44-48
• 4.2.2 概念车多体动力学模型的建立44-46
• 4.2.3 虚拟试验工况的建立46-47
• 4.2.4 定义车身载荷输出47-48
• 4.3 仿真结果分析及载荷结果数据输出48-50
• 小结50-51
• 第五章 新能源汽车车身结构拓扑优化51-71
• 5.1 结构的拓扑优化方法研究51-53
• 5.2 车身结构拓扑优化的数学模型53-58
• 5.2.1 基于折衷规划法的优化模型研究53-55
• 5.2.2 静态指标的多工况优化目标函数55-56
• 5.2.3 静态多工况指标的权重56-57
• 5.2.4 动态固有频率优化目标函数57
• 5.2.5 综合考虑静态和动态指标的优化综合目标函数57-58
• 5.3 拓扑优化基本有限元模型的建立58-61
• 5.3.1 几何结构导入与离散化58-59
• 5.3.2 载荷及边界条件59-60
• 5.3.3 拓扑优化的工艺约束研究60-61
• 5.3.4 惯性释放61
• 5.4 基于带权重折衷规划法的动静态指标权重研究分析61-70
• 5.4.1 不同权重比下的拓扑优化62
• 5.4.2 不同权重比下的优化结构及数值对比分析62-67
• 5.4.3 优化结果的选择67-70
• 5.5 拓扑优化结果的输出70
• 小结70-71
• 第六章 桁架式概念车身的参数优化分析71-81
• 6.1 车身概念桁架结构的提取建模71-74
• 6.2 桁架式概念车身结构的截面参数优化方法研究74-79
• 6.2.1 白车身概念设计的截面参数优化方法74-75
• 6.2.2 优化数学模型的建立75-76
• 6.2.3 桁架概念结构车身有限元模型的建立76-77
• 6.2.4 桁架式概念车身结构设计变量的定义77-79
• 6.3 桁架式概念车身结构截面参数优化及结果分析79-80
• 小结80-81
• 第七章 概念车身结构设计及初步性能验证81-89
• 7.1 概念车身结构设计、建模及加工81-82
• 7.2 概念车身结构性能分析验证82-87
• 7.2.1 概念车身结构有限元模型的建立82
• 7.2.2 车身结构模态分析仿真及实验82-84
• 7.2.3 车身结构弯曲刚度仿真分析84-86
• 7.2.4 车身结构扭转刚度分析86-87
• 7.3 车身结构轻量化设计分析87-88
• 小结88-89
• 总结与展望89-91
• 参考文献91-95
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果95-96
• 致谢96-97
• 附件97

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