基于CAE驱动的纯电动中巴车身结构正向设计研究

发布时间：2017-06-07 16:02

  本文关键词：基于CAE驱动的纯电动中巴车身结构正向设计研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：在高铁动车迅猛发展的今天,与其并行的长途公路客运逐渐被取代,而与其接轨的中短途中巴市场生机勃勃。查阅大量资料以及多次市场调研发现,6-8米的中巴近年销量占比逐年攀升,并且随着全球性的能源与环境危机蔓延,纯电动汽车由于具有诸多优点成为了研究重点。然而,目前国内的纯电动客车结构研发还处于初期阶段,基本上都是在传统燃油客车结构基础上,对动力总成进行替换并对原结构进行局部修改而得,不科学的设计导致车身结构笨重,违背了轻量化设计理念。针对客车市场需求以及纯电动客车研发现状,本文重点结合课题组面向客车结构设计的原理及方法,以7米全承载纯电动中巴车身结构为设计对象,采用CAE分析手段实现车身结构初期的正向设计,并以此为基础进一步提取并建立了既适用于非承载车身也适用于全承载车身的7米纯电动中巴车身结构底部平台。本文主要完成内容如下:第一,在科学布置动力系统基础上完成纯电动中巴车身结构的初步设计。首先根据某企业提供的一款7米燃油中巴二维图纸建立参考车型,将其基本性能分析结果作为确定本课题研究车型性能目标水平的参考数据;然后针对纯电动客车动力系统布置灵活的特点,借鉴相关动力电池技术参数并通过公式计算出电池组布置空间及自身质量,初步完成动力总成布置设计;在此基础上完善整车初始线框几何模型,随后基于实际型钢截面库以及客车项目经验建立初始参数有限元模型;最后将初始参数车身结构的基本性能计算结果与目标水平对比分析,以确定本文后续的设计研究方向。第二,针对初始参数车身结构多项性能都不达标,结合一系列面向客车结构设计的原理和方法进行多阶段的性能提升设计,获得各项性能均达到目标水平的全承载纯电动中巴车身结构方案。首先基于杆件内力应力分析方法进行参数改进设计,通过分析高、低应力杆件的内力及应力成分,依照杆件非轴向应力最小化设计准则重新制定杆件布置形式及截面参数方案,在合理地改善车身杆件内力分配同时轻量化效果显著;然后针对客车车身由于功能所需的左右不对称结构对整车承载性能的不利影响,基于左右弯曲刚度匹配方法进行性能互补设计,经过整个流程多步匹配设计而得的车身结构整车弯曲刚度提高较为明显,其他性能也有所改善;初步提出了上下弯曲刚度匹配思想并基于该思想进行上下弯曲刚度的匹配设计,得到了当上下弯曲刚度比值增大到某值后,继续增强上部结构对提高整车弯曲刚度的贡献会降低的结论,通过该阶段的匹配设计获得了一种车身骨架质量降低同时各项性能均达到目标水平的最终全承载纯电动中巴车身结构方案,验证了基于该匹配设计思想实现车身整体性能提高的有效性;在此基础上,采用局部拓扑优化方法补充设计电池舱门加强活动斜撑,促使整车刚度有较大提高,结构更加安全可靠,为以后的工程应用提供备选方案,并且通过将传统布置方案与拓扑优化设计方案的整车性能对比,验证了该方法指导结构设计的优越性;最后采用CAE-CAD模型智能转换程序,将车身梁单元有限元模型智能转换为三维实体几何模型,随后进行杆件偏移、焊缝间距预留以及接头剪切处理等工作,为日后其他的研究应用提供了先期基础。第三,基于以上设计成果提取并建立了一种原创性的7米纯电动中巴车身结构底部平台,旨在以其良好的工装通用性、结构新颖性以及开发科学性实现缩短产品开发周期、降低生产成本并有效解决电动客车轻量化问题的设计目标。首先通过分析单目标拓扑优化对底部平台结构设计的局限性从而确定采用多目标拓扑优化方法,基于非承载车身的车架开发模式进行底部平台的初步开发设计;然后针对强度以及刚度进行结构改进设计,并将其带入全承载车身结构进行性能分析验证以及适应性匹配设计,最终得到了既适用于非承载车身也适用于全承载车身的新型桁架式底部平台。本课题的设计研究紧随技术发展趋势,满足客车市场需求,为科学研发纯电动客车提供了清晰思路与有效手段,所设计产品具有一定的工程应用价值。
【关键词】：纯电动中巴 CAE分析 正向设计 内力分析 刚度匹配 拓扑优化 底部平台
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U463.82
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-12
• 第1章 绪论12-20
• 1.1 选题依据及意义12-14
• 1.2 客车车身结构设计方法及CAE分析技术的应用14-16
• 1.3 客车车身承载特点及新材料车身发展趋势16-17
• 1.4 纯电动客车研究现状17-18
• 1.5 本文主要内容18-20
• 第2章 参考车型性能分析及本文设计车型性能目标水平确定20-28
• 2.1 参考车模型的建立20-21
• 2.2 参考车车身结构性能分析21-26
• 2.2.1 参考车车身结构强度分析21-23
• 2.2.2 参考车车身结构刚度分析23-25
• 2.2.3 参考车车身结构自由模态分析25-26
• 2.3 本文设计车型各项性能目标水平确定26-27
• 2.4 本章小结27-28
• 第3章 基于动力总成合理布置的纯电动中巴车身结构初步设计28-36
• 3.1 纯电动中巴动力总成布置研究28-29
• 3.2 车身结构初始参数模型建立29-31
• 3.2.1 初始线框几何模型建立29-30
• 3.2.2 初始参数有限元模型建立30-31
• 3.3 初始参数车身结构性能分析及对比31-35
• 3.3.1 初始参数车身结构性能分析31-34
• 3.3.2 性能分析结果统计及对比34-35
• 3.4 本章小结35-36
• 第4章 纯电动中巴车身结构初始方案多阶段改进设计36-64
• 4.1 基于杆件内力应力分析方法的参数改进设计36-41
• 4.2 基于“左右”弯曲刚度匹配的性能互补设计41-48
• 4.2.1 分总成匹配设计43-47
• 4.2.2 车身整体匹配验证47-48
• 4.3 “上下”弯曲刚度匹配思想的提出及探讨应用48-54
• 4.3.1 一种上部结构弯曲刚度评价方法的提出48-49
• 4.3.2“上下”弯曲刚度匹配设计研究49-54
• 4.4 基于局部拓扑优化方法的电池舱门加强活动斜撑布置研究54-60
• 4.4.1 局部区域拓扑优化及其结果解读55-58
• 4.4.2 局部拓扑优化后车身结构性能分析58-59
• 4.4.3 局部区域拓扑优化设计有效性验证59-60
• 4.5 三维实体几何模型设计60-62
• 4.6 本章小结62-64
• 第5章 车身结构底部平台的提取与适应性研究64-86
• 5.1 底部结构主体框架的提取65-66
• 5.2 应用于非承载车身的底部结构拓扑优化设计66-74
• 5.2.1 底部结构拓扑优化模型准备66-67
• 5.2.2 静态单目标（单工况）拓扑优化及其结果解读67-69
• 5.2.3 静态多目标（多工况）拓扑优化及其结果解读69-72
• 5.2.4 拓扑优化后底部结构强度分析72-74
• 5.3 应用于非承载车身的底部结构改进设计74-78
• 5.3.1 针对强度底部结构改进设计74-75
• 5.3.2 针对刚度底部结构改进设计75-77
• 5.3.3 底部结构自由模态分析77-78
• 5.4 应用于全承载车身的底部结构性能分析验证78-81
• 5.5 应用于全承载车身的底部结构适应性匹配设计81-84
• 5.6 本章小结84-86
• 第6章 总结与展望86-88
• 6.1 全文总结86-87
• 6.2 工作展望87-88
• 参考文献88-94
• 作者简介及科研成果94-96
• 致谢96

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