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基于多目标拓扑优化的电动汽车正碰安全性研究 摘要 本文结合国内某大型汽车企业技术中心的实际课题，以电动汽车作为研究对象，对 电动汽车的结构特点和碰撞安全特殊性及其解决方法进行了探讨。相对于传统燃油汽 车，电动汽车在能量储存方式、驱动形式和整车布局方面都存在着较大差异，这使得电 动汽车的碰撞安全性具有其独特性。针对电动汽车质量大、质心低及携带有集中大质量 块等特点，为了得到合理有效的承载结构以提高其耐撞性能，将电动汽车安全性纳入到 车身初始设计阶段，综合考虑车身结构静动态特性要求和碰撞安全性进行多目标拓扑优 化设计。 基于实体各向同性材料惩罚( s i m p ) n 论，采用折衷规划法定义静态多工况目标函 数，平均频率法定义动态振动频率目标函数，并通过标准化方法对各目标函数归一化定 义以消除数量级差异，利用优化准则法更新设计变量求解计算，采用灵敏度过滤法消除 数值不稳定现象，最终得到了清晰的车体结构和明显载荷路径且符合设计要求的车身结 构优化设计结果。对优化设计的电动汽车车身结构静态分析、模态分析和正面碰撞仿真 分析的结果验证了设计方案的可行性，确定了电动汽车碰撞安全性的研究方法和实现手 段。 本课题研究的意义不仅能为汽车企业在解决电动汽车开发设计中存在的实际问题 提供一定的参考价值，还提供了一种多目标优化车身设计方法，该方法为电动汽车车身 各部件的下一步详细设计及其它车型的车身开发设计提供思路和借鉴。本课题研究对电 动汽车正面碰撞安全性的相关研究工作也具有一定的借鉴和参考价值，有助于我国电动 汽车被动安全性能的提高。 关键词：电动汽车；多目标优化；碰撞安全性；静动态分析；正碰仿真 i i a b s t r a c t t h i s t o p i c i sw i t ht h ec o m b i n a t i o no fal a r g e d o m e s t i cv e h i c l ei n d u s t r y t e c h n o l o g yc e n t e rp r a c t i c a li s s u e e l e c t r i cv e h i c l ea st h er e s e a r c ho b je c t ，a n a l y s e si t s c o l l i s i o ns a f e t yp r o b l e m sa n ds o l u t i o n s ，a n di no r d e r t og e tar e a s o n a b l ea n de f f e c t i v e b e a r i n gs t r u c t u r et oi m p r o v et h ee l e c t r i cv e h i c l ec r a s h w o r t h i n e s s ，e l e c t r i c v e h i c l e s a f e t yi si n c o r p o r a t e di n t ot h ev e h i c l eb o d yc o n c e p t u a ld e s i g np h a s e ，u s i n gm u l t i p l e o b je c t i v et o p o l o g yo p t i m i z a t i o nt os t u d yt h ee l e c t r i ca u t o m o b i l eb o d yd e s i g n m e t h o d i nv i e wo fe l e c t r i cc a rw e i g h to fl a r g el o wc e n t r o i da n dc a r r y i n gc o n c e n t r a t e dm a s s c h a r a c t e r i s t i c s i no r d e rt oi m p r o v ei t sf r o n t a lc r a s h w o r t h i n e s s ，c o n s i d e r i n gt h es t a t i c a n dd y n a m i cp r o p e r t i e st oc a r r yo u tm u l t io b je c t i v et o p o l o g yo p t i m i z a t i o n b a s e do nt h esi m pt h e o r y ，ac o m p r o m i s ep r o g r a m m i n gm e t h o di su s e dt od e f i n e t h es t a t i cm u l t io b je c t i v ef u n c t i o n ，t h ea v e r a g ef r e q u e n c ym e t h o dt o d e f i n et h e d y n a m i cv i b r a t i o nf r e q u e n c yt a r g e tf u n c t i o n ，a n dt h r o u g h t h es t a n d a r d i z a t i o no f m e t h o d sf o rd i f f e r e n tt a r g e tf u n c t i o ni sd e f i n e dt oe l i m i n a t et h eo r d e ro fm a g n i t u d e d i f f e r e n c e ，u s i n g t h eo p t i m a l i t yc r i t e r i am e t h o dt ou p d a t et h ed e s i g n v a r i a b l e c a l c u l a t i o n o b t a i n e dt h ec l e a rv e h i c l eb o d ys t r u c t u r e ，t h e o b v i o u sl o a dp a t ha n d c o m p l yw i t ht h ed e s i g nr e q u i r e m e n t so p t i m i z a t i o nr e s u l t s ，a n d c a r r i e so nt h es t a t i c a n a l y s i s ，m o d a la n a l y s i sa n ds i m u l a t i o no ff r o n t a l c r a s ha n a l y s i s ，t ov a l i d a t et h e f e a s i b i l i t yo ft h ed e s i g n ，d e t e r m i n et h ee l e c t r i cv e h i c l ef r o n t a lc r a s hs a f e t yr e s e a r c h m e t h o d sa n dm e a n so fr e a l i z a t i o n t h i ss t u d yi sn o to n l yh e l p f u lt oa u t o m o b i l ee n t e r p r i s e st os o l v e t h ep r a c t i c a l p r o b l e m si nt h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r i cv e h i c l e ，b u ta l s op r o v i d e sav e h i c l eb o d y m u l t i o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o nd e s i g nm e t h o d ，t h em e t h o df o re l e c t r i ca u t o m o b i l eb o d y p a r t si nt h en e x ts t e pt h ed e t a i l e dd e s i g na n d o t h e rv e h i c l eb o d yd e v e l o p m e n ta n d d e s i g nt op r o v i d e i d e a sa n dr e f e r e n c e s i na d d i t i o n ，d u et ot h ec u r r e n td o m e s t i c e l e c t r i cv e h i c l ef r o n t a lc r a s hs a f e t yr e s e a r c hi sl e s s ，s of o r t h er e s e a r c ho ne l e c t r i c v e h i c l ef r o n t a lc r a s hs a f e t yr e l a t e dr e s e a r c hw o r ka l s oh a sac e r t a i nr e f e r e n c ev a l u e ， c o n d u c et oo u rc o u n t r ye l e c t r i cv e h i c l ep a s s i v es a f e t yp e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n t k e yw o r d s ：e l e c t r i cv e h i c l e ；m u l t i o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o n ；c r a s hs a f e t y ；s t a t i ca n dd y n a m i c a n a l y s i s ；f r o n t a li m p a c ts i m u l a t i o n i i i 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 电动汽车研究背景和意义 1 1 1 研究背景 1 8 8 6 年，德国人卡尔本茨制造出世界上第一辆燃油汽车。近几十年来，随 着世界范围内经济的快速迅猛发展，人们生活水平不断提高，汽车已经成为日常 生活中不可或缺的必需品，并发挥着日益重要的作用。在城市化、现代化和科技 化日新月异的今天，汽车工业得到了前所未有的飞速发展。但随着汽车产量和保 有量的持续剧增，汽车在给人们带来便利的同时，也带来了一系列问题。自汽车 诞生以来，至今已有超过3 0 0 0 万人死于交通事故，交通事故与严重疾病一样成为 全球人口死亡的主要原因之一。数量庞大的燃油汽车除制造噪声外，其排放的尾 气加剧温室效应，给全球气候带来负面影响，尾气中的有害物质成为最主要的环 境污染源之一。同时，随着全球能源消耗的增加，地球上的石油资源正面临枯竭， 石油问题不再是狭义的能源问题，而被提升到了国家安全的高度。这些都使得燃 油汽车的长久可持续发展受到了制约，安全、环保与节能成为了目前汽车行业研 究和发展的主题。 电动汽车是在传统燃油汽车面临环境污染和能源危机等难题时，被逐步重视 并发展起来的，并被视为解决上述两大难题的有效途径。在环保方面，采用电机 驱动的电动汽车不存在尾气排放，不会对造成环境污染和噪声污染；在节能方面， 电动汽车可以使能源的利用更加多元化且能够无污染的高效可靠利用，摆脱了传 统燃油汽车只能依赖石油的局面；在安全方面，电动汽车集中化和模块化程度更 高，更易实现智能化的车辆行驶，有利于车辆行驶的安全性提高【l ，2 】。因此，电动 汽车近年来一直是汽车领域的研究热点。为了取得未来市场的制高点，各国汽车 公司纷纷将电动汽车的开发作为汽车开发的重要组成部分给予高度重视。 早在1 8 7 3 年，英国人罗伯持戴维森就制造出第一辆以蓄电池为动力的有实 用价值的电动汽车。2 0 世纪初，电动汽车进入了一个黄金时代，电动汽车广泛地 成为英、美、德和法等国的私人车辆，占领了汽车领域的主要市场。但随后内燃 机技术的发展成熟以及石油资源的大规模开采，燃油汽车呈现出当时电动汽车所 无法比拟的优势，电动汽车渐渐被人们遗忘。直到2 0 世纪7 0 年代石油危机的爆 发，电动汽车迎来了第二次发展的机遇，再一次为人所瞩目【3 】。特别是进入9 0 年 代以来，随着科学技术的进步，各种高新技术应用在电动汽车上，促进了电动汽 车的飞速发展。例如网络系统的应用促进了电动汽车的模块化和智能化，动力系 基于多目标拓扑优化的电动汽车正碰安全性研究 统集成技术的不断发展提高了节能效果，动力辅助系统的应用使整车能量利用效 率和性能得到大幅提升，高性能动力电池以及高效的一体化电力驱动系统的应用 使电动汽车更加高效和环保等【4 】，电动汽车凭借自身优势加上各国政府的政策法 规支持，取得了巨大的发展，在美国、欧洲、日本等发达国家，电动汽车己开始 进入实用化阶段。 1 1 2 研究意义 经济的快速增长和人们消费水平的普遍提高，使我国的汽车产业得到了跨越 式的蓬勃发展，但汽车产销量的急剧增长给能源和环境的带来的负面影响也越来 越突出，而电动汽车的出现及应用正在努力改变这种被动局面。除此以外，从汽 车技术方面来说，与世界先进技术相比，我国在传统燃油汽车核心技术方面可能 会落后1 0 2 0 年左右，但在电动汽车方面只有不足5 年的差距，甚至部分技术我 国还处于世界领先地位。因此，电动汽车被认为是我国汽车工业的发展契机，在 我国鼓励和发展电动汽车有着非常重要的意义： ( 1 ) 缓解我国石油能源短缺 2 0 1 0 年我国石油消费超过1 亿吨，相当于科威特一年的总产量，同时世界其 他各国对石油需求也日趋紧张。由于电动汽车不采用石油作为燃料，所以在很大 程度上缓解目前我国石油资源短缺的现象。 ( 2 ) 缓解城市大气环境恶化 国家环保中心统计，目前世界上空气污染最严重的1 0 个城市中有7 个在中国， 传统燃油的汽车尾气排放是造成空气污染的最主要原因之一，而电动汽车几乎是 零排放的优点，对缓解城市大气污染将起到至关重要的作用。 ( 3 ) 增强我国汽车工业国际竞争力 电动汽车目前仍然处于产业化初期准备阶段，尚未形成新的工业体系，我国 与国外在技术水平与产业化方面的差距相对较小，有可能在这一领域实现跨越式 发展，从而缩短我国与国外的技术差距，增强我国整个汽车行业的国际竞争力。 ( 4 ) 增强我国汽车厂商核心竞争力 国家政策的支持给国内电动汽车制造厂商带来很好的机遇。在电动汽车的开 发过程中，在知识产权上面受到的制约比较少，有可能发展出具有自主知识产权 的技术和产品。 1 2 电动汽车研究方向和方法 1 2 1 电动汽车研究方向 电动汽车作为2 1 世纪绿色环保汽车，其市场化前景已成必然。从2 0 0 1 年起， 我国在“十五”和“十一五”国家“8 6 3 计划重大专项中共投入2 0 亿元的研发 2 硕士学位论文 经费，已在电动汽车的动力电池技术、平台集成技术以及关键零部件的开发上取 得突破，初步形成了符合现代企业制度和市场经济发展要求的研发体系和机制。 但在电动汽车的研发过程中，一方面研究人员对电动汽车的安全性以及电动汽车 的一些特殊要求研究较少，国内大多数汽车企业为了节约成本和充分利用原有的 轿车生产线，选择在传统燃油车身结构基础上进行动力单元改造以完成电动汽车 新动力总成的布置方案，但电动汽车存在众多有别于传统燃油汽车的安全性问题， 新型驱动方式和储能方式的应用也使得由传统燃油汽车改造而来的车身结构难以 满足刚强度、模态及疲劳寿命等方面的要求。另一方面我国电动汽车安全性的整 体研究水平还并不高，若不尽早开展电动汽车安全性方面的研究，确保电动汽车 拥有高的安全性，电动汽车将很难被大众所接受，这势必会严重影响我国电动汽 车的商品化进程。 电动汽车与传统燃油汽车一样属于高速运载交通工具，其面对的安全问题也 具有一定的相似性。一般来说，汽车安全分为主动安全与被动安全。其中主动安 全性是指汽车避免发生意外事故的能力，而被动安全是汽车在发生意外事故时对 乘员进行保护的能力，其核心是在碰撞事故中最大限度的保护乘员，努力做到“车 毁人不亡或“车伤人不伤。据研究统计，9 5 以上的事故是由人和环境因素 共同造成的，即主动安全性再好，也只能避免5 的事故【5 】。因此，汽车被动安全 性就一直是人们研究的热点，如何提高汽车在碰撞过程中的安全性能，最大程度 地避免或减轻乘员在汽车碰撞中的伤亡成为汽车被动性研究中的重要课题。大量 的事故调查显示，在碰撞事故中汽车各个部位的碰撞几率不同，如图1 1 所示。 从图中可以看出，汽车正面碰撞的几率最高，占到碰撞事故总数的5 6 。由于正 面碰撞发生的概率高且其车速往往比较大，故其产生的危害也最为严重，而电动 汽车相比同类型的传统燃油汽车其质量更重一些，碰撞能量相对更大一些，所以 相对传统汽车而言，电动汽车对正面碰撞安全性有着更高的要求。 图1 1 汽车各部位的碰撞几率 电动汽车在能量储存方式、汽车驱动形式和整车结构方面相对传统燃油汽车 存在着较大差异，这使得电动汽车的碰撞安全性又具有其独特的一面。例如，电 动汽车动力电池安装位置不合适时，在汽车发生碰撞时电池可能遭受直接撞击从 基于多目标拓扑优化的电动汽车正碰安全性研究 而壳体变形，容积减小，内压升高，继而发生爆炸；电解液可能从裂缝或壳体和 盖之间的缝隙溅出，泄漏的电解液可能灼伤乘员或与周围金属反应生成有害气体； 不合理的电池约束方式可能使电池飞入乘员舱，对乘员构成伤害等等。同时，电 动汽车质量与同类型的燃油汽车相比一般要大1 0 一2 0 ，这就决定了在同样的碰 撞速度下，电动汽车的吸能装置需要吸收更多的动能，从而对电动汽车的吸能装 置和部件提出了更高的要求。此外，车身作为其他总成的安装基体，需要承受各 总成的质量和装载载荷以及行驶过程中产生的力和力矩等，因而电动汽车的车身 需要满足各种工况下的刚强度及模态要求。而动力电池等集中大质量块的质量通 常占到电动汽车整车质量的2 0 以上，这对承载和约束动力电池的结构也提出了 很高的要求。因此，设计出合理有效的承载结构以提高电动汽车的碰撞安全性非 常关键。 1 2 2 结构优化设计方法 在进行有关碰撞安全性的设计与优化改进时，研究人员较常采用的方法有传 统经验设计法和有限元优化设计法。但在生产实践中，人们发现传统经验设计法 存在较多的弊端，其大多是凭借着设计者的经验，对比其它同类车型结构设计出 产品，因而具有一定的盲目性，无法对车身结构的刚度分布和应力分布进行定量 分析，常造成车身某些部位应力分配不合理，使得一些部位强度不够，满足不了 性能要求，而另一些部位的强度又过于富余，造成不必要的浪费，使得车身的整 体性能得不到保障。这种设计方法不能主动地设计产品的结构形状和参数，并没 有体现“设计”的真正含义。此外，运用传统经验设计法进行车身设计与改进时， 需要经过反复修改与验证的过程，从而使得设计周期变长，设计成本变高，不能 适应竞争日益白热化的现代化商品经济时代。 为了克服传统经验设计法的不足，研究人员把有限元优化设计应用到汽车领 域，为车身的开发设计提供了科学的依据。采用有限元优化设计法既可以对车身 结构的各种性能进行预测和评估，使研究人员在初始设计阶段即可灵活、合理地 优选方案，又可以对车身的模态、强度、刚度和疲劳寿命等特性进行准确的分析 和计算，指导汽车工程师对产品进行优化设计，同时它还能将计算分析与测试试 验相结合，提高了设计效率和开发的精确性，并能够根据性能的需求进行快速地 修改，缩短了研发周期，节省了开发经费，使得产品的效益得以最大化的获得。 目前，有限元设计方法中应用最广泛的是结构优化设计方法，具体包括尺寸优化、 形貌优化和拓扑优化三种 6 1 ： ( 1 ) 尺寸优化 尺寸优化是结构设计中最为直接、简单的优化方法，如图1 2 所示。它通过 调节壳的厚度、梁的横截面数据等尺寸参数来改善结构的特性。即在保持结构的 4 硕士学位论文 形状和拓扑结构不变的情况下，寻求结构的最佳材料性能组合关系以及最佳截面 尺寸等，使得结构的应力分布更加合理化。 图1 2 尺寸优化 ( 2 ) 形状优化 形状优化是通过对结构的边界形状及其内部的几何结构形状进行修改，以此 来改善结构的应力特性，如图1 3 所示。形状优化的目的是降低应力集中，改善 应力分布状况。即优化结构的结构拓扑关系保持不变，而设计域的形状和边界发 生变化来寻求结构最理想的边界和几何形状，达到降低应力集中，改善应力分布 状况的目的。在骨架结构中表现为优化节点的最优位置，在实体结构中表现为对 结构的边界形状进行优化。 q n 、八 板 板 图1 3 形状优化 ( 3 ) 拓扑优化 拓扑优化是在一定空间区域内根据约束、载荷及优化目标而寻求材料最佳分 配和布局的一种优化方法，如图1 4 所示。其基本思想是在优化前构造一个合理 的优化模型( 包括结构所有的材料或者可能的单元) ，然后利用一定的优化方法逐 步删减不必要的结构元素，直至最终得到一个最优化的拓扑布局。其目的是寻求 结构的刚度在设计空间内最佳的分布形式或结构的最佳传力路线，以优化结构的 某些性能或减轻结构的重量。 图1 4 拓扑优化 f 基于多目标拓扑优化的电动汽车正碰安全性研究 拓扑优化是一种比尺寸优化、形状优化更高层次的优化方法，也是结构优化 中最为复杂的一类问题，目前已经成为结构优化设计研究中的热点。随着全球化 国际竞争日趋激烈，汽车企业对更高效自由的设计工具的需求更加迫切，而拓扑 优化相对于尺寸优化和形状优化有着更广阔的设计空间和更大的设计自由度，它 能满足各种苛刻的设计要求，同时，拓扑优化通常应用于结构的初始设计阶段， 其优化结果是一切后续设计的基础，对最终产品的成本和性能有着非常重要的影 响，当结构的初始拓扑不是最优拓扑时，尺寸优化和形状优化可能导致次优结构 的产生r 7 1 。因此，拓扑优化在汽车领域的应用得到不断普及并逐步向纵深发展， 并在车身开发设计中尤其在初始设计阶段的作用变得日益重要。考虑到所研究的 电动汽车处于初始设计阶段，本文采用拓扑优化设计方法进行电动汽车碰撞安全 性研究。 1 3 国内外相关研究概述 1 3 1 电动汽车研究概述 我国电动汽车的研究始于2 0 世纪8 0 年代。1 9 8 7 年1 2 月成立的中国电工技 术学会电动车辆研究会，统筹规划我国电动车辆的研究、开发和技术攻关等工作。 从2 0 0 1 年起，电动汽车被列入了“十五”国家8 6 3 计划重大专项。在此期间，国 家投入巨资设立了电动汽车重大专项来鼓励和促进电动汽车技术的发展，电动汽 车的研究和开发被提高到了一个全新的战略高度，越来越多的企业和研究机构加 入到电动汽车项目研发行列中，如比亚迪汽车、一汽集团、长安汽车、上汽集团、 奇瑞汽车等，以及众多电机、电池企业等高新企业也参与到电动汽车的研发和生 产中来，促进了电动汽车的市场化和产业化。在电动汽车示范领域，国家电动汽 车试验示范区于1 9 9 8 年4 月在广东省汕头市南澳建成，已有多辆电动汽车开展了 公务车、出租车和公交车运营试验。截至“十五 末，已在北京、武汉、天津、 威海、株洲、杭州、深圳等7 个城市开展商业化示范运营，积累了丰富的实际运 行数据和经验。 但在电动汽车的研发过程中暴露出了一些问题，各大汽车企业为了缩短产品 开发周期和降低生产成本，对于电动汽车的研发更多的是选择在传统燃油汽车车 身上进行改造，例如：1 9 9 9 年企业重组后的戴姆勒一克莱斯勒公司推出的第一辆 真正零排放的电动汽车n e c a r 是在奔驰a 级轿车基础上改装而成，如图1 5 所 示：大众汽车公司的b o r e h y m o t i o n 电动汽车是以j e t t a 轿车为基础改装而成， b l u e g e v 电动汽车是以g o l f 轿车为基础改装而成，如图1 6 所示；2 0 0 1 年上海 工业博览会展出的“凤凰”电动汽车是由上海泛亚汽车技术中心有限公司在别克 g l 8 商务车的基础上改装而成；同济大学承接的国家“8 6 3 电动汽车重大专项， 6 硕士学位论文 即超越系列，都是在传统燃油轿车桑塔纳3 0 0 0 白车身的基础上改制而成；长春一 汽公司在原有的红旗轿车基础上改造动力单元生产出红旗牌电动汽车 c a 7 1 8 0 a e ；天津一汽公司承担的国家“8 6 3 项目“夏利纯电动轿车，是以夏 利2 0 0 0 轿车为基础改装而成；东风汽车集团的神龙富康纯电动轿车是中国第一批 由政府定购的商品化电动轿车，它是在富康z x 轿车基础上采用交流感应电机和 镍氢电池改制而成；由东风汽车公司和武汉理工大学联合研发的燃料电池电动汽 车“楚天一号 ，是在爱丽舍轿车基础上改装而成。由传统燃油汽车被动改制成的 电动汽车，其更多的是为了满足装配要求，而对车身刚强度要求以及结构耐撞性 等方面考虑不全，因而存在着一定的安全隐患。 图1 5 奔驰a 级轿车( 左) 和电动汽车n e c a r ( 右) 图1 6 大众高尔夫轿车( 左) 和高尔夫电动汽车( 右) 除此以外，目前针对电动汽车安全性的相关研究主要是集中在驱动电机、动 力电池和能量管理系统等方面，例如，文献 8 】介绍了美国的几家公司制造的多种 电动汽车动力电池在a r g o n n e 国家实验室进行的检测。文献 9 介绍了日本的n g k 实验室对大容量锂离子电池进行的安全测试，测试项目有：1 ) 穿刺试验；2 ) 外部 短路试验；3 ) 过充电实验；4 ) 表面加热实验。文献 1 0 】介绍了韩国汽车企业对电池 管理系统的研究，通过管理金属氢化物镍蓄电池各种状态来改善安装有这种电池 的电动汽车安全性能。文献 1 1 1 1 2 介绍了z e b r a 动力电池的安全性能，并对其 进行了各项安全测试。文献f 1 3 介绍了美国交通部针对电动汽车动力系统在耐水 性、耐热性、电气安全等方面的技术规范。文献 1 4 介绍了在u s a b c 的测试中， 动力电池在各种危险工况以及误操作条件下的安全测试。文献【1 5 】介绍了中国信 息产业部对电动汽车动力电池进行的安全实验。湖南大学的杨剑在文献 16 】中分 析了电动汽车动力系统可能对乘员产生的各种伤害。湖南大学的曹立波在文献 基于多目标拓扑优化的电动汽车正碰安全性研究 【1 7 1 8 】中分析了电动汽车几种常用动力电池的安全特性以及产生安全问题的机 理。综上所述，目前针对电动汽车安全方面的研究更多的是集中在动力系统方面， 而对电动汽车车身结构的安全性以及电动汽车碰撞安全特殊性方面的研究较少。 1 3 2 拓扑优化研究概述 结构拓扑优化包括离散结构的拓扑优化和连续变量结构的拓扑优化。目前， 拓扑优化方法仍然处在发展初期，他们在设计实践中的应用相对来说较少。国际 结构与多学科优化学会主席r o z v a n y 1 9 1 及副主席k i r s c h 【2 0 1 认为，结构布局和拓扑 优化是结构拓扑优化设计中最富有挑战性也是最困难的一类问题。结构拓扑优化 的研究最早从桁架类离散结构开始，1 9 0 4 年m i c h e l l 2 1 】用解析法研究了单载荷作 用下应力约束的结构设计，提出了桁架结构设计的m i c h e l l 桁架理论。但这一理 论只适用于简单工况并且依赖于选择适当的应变场，并不适用于工程实际。随后， 1 9 6 4 年d o r n ，g o m o r y ，g r e e n b e r g l 2 2 】等人提出的基结构法成为结构拓扑优化的主要 方法，但其只能适用于桁架结构。1 9 8 8 年b e n d s o e 2 3 】通过在结构材料中引入带方 形空洞的微结构模型，并多孔介质概念引入拓扑优化中，提出了结构拓扑优化的 均匀化方法，标志着连续体结构拓扑优化设计的开始。随后，s u z u k i 2 4 1 ，h a s s a n i 2 5 】 等对此进行了概括和不断的完善，并由m a t 2 6 】和d i a z l 2 7 1 进一步推广至特征值问题 的结构拓扑优化，n i s h i w a k i 等【2 8 】将均匀化理论应用于柔性机构的拓扑优化设计 中。但均匀化方法设计变量多，计算复杂且优化后的结构含有多孔质材料，因而 其应用具有一定的局限性。 1 9 9 2 年m l e j n e k 等1 2 9 j 通过引入连续设计变量和加入中间密度惩罚项的方法， 成功的将离散结构优化问题转换为连续结构优化问题，为后来密度法材料插值模 型的出现打下基础。随后，s i g m u n d 等【3 0 】对密度法惩罚材料插值方法进行深入的 理论研究，提出了一种基于正交各向同性材料密度幂指数形式的变密度法材料密 度插值理论( s i m p 理论) 。它不仅能采用结构的柔度作为优化目标，还能用于 屈曲优化、柔性机构优化、特征值优化以及多学科优化等领域，同时它还具有理 论简单明了和算法实现容易的特点，既可以解决材料结构构成和性能设计以及压 电材料结构设计等微观领域，还可以应用于宏观弹性结构的拓扑优化，如m e m s 设计、复杂三维拓扑优化设计问题等，是目前最便于实施且工程上最有应用前景 的一种拓扑优化设计方法，已得到广泛的应用。 在拓扑优化技术的发展过程中，出现了许多优化算法，应用比较广泛的是优 化准则法和数学规划法。数学规划法是以规划论为基础，其理论严谨、适用面广 且收敛性有保证，但具有计算量大、收敛较慢、效率低、对多变量的优化问题求 解困难的缺点。优化准则法是在六十年代后期发展起来的一种可以替代数学规划 法的结构优化设计方法，它是依据工程经验、力学概念以及数学规划的最优条件， 硕士学位论文 预先建立某种准则，通过相应的迭代方法，获得满足这一准则的设计方案，作为 1 - j 题的最优解。九十年代初，r o z v a n y 等【3 1 】对优化准则法加以改进和推广，将其 应用于具有几万个甚至上百万个设计变量的大型结构优化设计中。优化准则法相 对于数学规划法具有物理意义明确、方法相对简便、优化中结构重分析次数少、 收敛速度较快等优点，尤其对于求解像刚度优化这类具有大量设计变量和单个约 束的拓扑优化设计问题，具有很高的优化效率。 随着理论研究的发展，近年来拓扑优化设计逐步应用到汽车行业中。2 0 0 4 年 自修山1 32 】采用二维拓扑优化技术获得了半挂车的车架结构的平面布局形式；2 0 0 5 年王皎【3 3 j 对重型特种车车架进行布局优化，提高了车架的部分扭转刚度；2 0 0 6 年曹媛【3 4 】对载货车的主车架进行三维布局优化设计，得到主车架的概念性结构； 2 0 0 5 年高云凯和姜欣等【35 j 对电动改装轿车车身结构进行了拓扑优化设计分析，确 定了下车身的最佳结构方案；2 0 0 9 年丁利【3 6 】运用拓扑优化技术对电动小车车身的 轻量化进行了研究；2 0 1 0 年徐晓瑜和郭永进【3 7 】在刚度约束条件下对低速电动汽车 车身结构进行拓扑优化设计。从研究情况来看，国内学者对于拓扑优化设计的研 究主要集中在局部约束下的零部件优化设计，而对全局体积约束下的整车车身拓 扑优化设计研究较少，且大部分是应用二维平面拓扑优化技术，而三维拓扑优化 技术涉及较少。 1 4 本文研究思路和主要内容 电动汽车以电能为动力，通过电机驱动汽车前进，相对于传统燃油汽车，电 动汽车在能量储存方式、驱动形式和整车结构布局等方面都存在着较大差异，这 决定了电动汽车的碰撞安全性具有其独特的一面；但在电动汽车的研发过程中， 为了节约成本和充分利用原有的轿车生产线，国内大多数汽车企业选择在传统燃 油汽车车身结构基础上，进行动力单元改造来使其符合新动力总成的布置要求， 而该方法往往具有一定的盲目性，其更多的是为了满足装配要求，而容易忽略对 电动汽车安全性的考虑，因而需要重新设计开发电动汽车的车身结构。 本文结合国内某大型汽车企业技术中心的实际课题，以电动汽车作为研究对 象，对电动汽车的结构特点和可能存在的安全隐患及其解决方法进行初步探讨； 为了得到合理有效的承载结构，对电动汽车车身设计方法进行研究分析，综合考 虑静动态特性要求，并将碰撞安全纳入到初始设计阶段，进行电动汽车车身多目 标拓扑优化设计；最后对优化结果进行静动态有限元分析及正面碰撞仿真分析， 以此评价优化设计方案的合理性。 论文的研究内容主要包括以下几个方面： ( 1 ) 论述国内外电动汽车的研究状况和发展趋势，介绍结构优化设计的原理、 方法和基本思路，以及车身优化设计的基本步骤和相关理论； 9 基于多目标拓扑优化的电动汽车正碰安全性研究 ( 2 ) 介绍电动汽车的基本组成及其功能特点，对电动汽车的常见结构形式和 布置特点进行分析，并比较不同的结构和布置形式对电动汽车安全性能的影响； ( 3 ) 分析电动汽车在碰撞事故中可能对乘员产生的各种伤害及它们产生的原 因和可能引起的后果，从电气安全和结构安全两方面研究电动汽车碰撞安全特殊 性，并提出相应的安全性设计对策； ( 4 ) 介绍拓扑优化的基本思想和原理，对拓扑优化的一些关键技术如拓扑优 化方法、s i m p 惩罚指数、拓扑优化算法的选择、数学模型的建立及数值非稳现 象的抑制进行较详细的分析和研究，并讨论不同体积约束对拓扑优化结果的影响； ( 5 ) 探索复杂载荷工况下多目标拓扑优化方法及过程，对电动汽车车身结构 进行多目标优化计算，分析静态分析载荷工况的选择和约束的处理方法以及模态 分析边界条件的设置和激振频率范围的选择，并对电动汽车车身结构进行有限元 静态分析和模态分析； ( 6 ) 介绍电动汽车正面碰撞试验的相关标准以及碰撞安全的研究方法，对碰 撞仿真有限元建模方法和相关求解参数的设置进行阐述，建立碰撞仿真模型，分 别对电动汽车和原型车进行正面碰撞仿真分析并对比仿真结果。 硕士学位论文 第2 章电动汽车碰撞安全特殊性及设计对策 碰撞安全性是车身结构安全性设计的主要内容。所谓车身碰撞安全性，是指 在碰撞时车身保护乘员的能力或减小碰撞给造成乘员伤害的程度。电动汽车以电 能为动力，通过电机驱动汽车前进，相对于传统燃油汽车，电动汽车在能量储存 方式、汽车驱动形式和整车结构方面都存在着较大差异，这决定了电动汽车的碰 撞安全性具有其独特的一面。例如，如果电动汽车动力电池安装位置不合适，在 汽车发生碰撞时电池可能遭受直接撞击从而壳体变形，容积减小，内压升高，继 而发生爆炸；电解液可能从裂缝或壳体和盖之间的缝隙溅出，泄漏的电解液可能 灼伤乘员或与周围金属反应生成有害气体；不合理的电池约束方式可能使电池飞 入乘员舱，对乘员构成伤害等等。 同时，相对传统燃油汽车而言，由于以下三方面的原因，电动汽车的结构布 置又具有很大的灵活性【38 1 。首先，电动汽车不是通过刚性的转轴和联轴器而是通 过柔性的电线来传递能量的，因而电动汽车的结构布局具有很大的设计空间；其 次，电动汽车可以选择不同类型和不同种类的储能装置( 如铅酸电池、碱性电池和 燃料电池等) 以及不同的能源补充装置( 如感应式、接触式和替换式等) ；最后，电 动汽车还有多种驱动方式( 如驱动电机的前置前驱、前置后驱和后置后驱以及采用 轮毂电动机驱动系统等) 和多种类型的驱动电机( 如直流电动机和交流电动机) 可 供选择。电动汽车这种灵活可变的结构布置特点为改善电动汽车的碰撞安全性提 供了便利。 2 1 电动汽车的结构特点 2 1 1 电动汽车的基本结构 电动汽车常见的基本结构形式包括三个子系统，即驱动系统、控制系统和动 力系统，如图2 1 所示。其中，驱动系统一般由驱动电机、功率转换器、传动装 置和驱动车轮组成，控制系统一般由能量管理系统、电子控制单元和温度控制单 元等组成，动力系统一般由动力电池、通风散热装置和充电系统等组成。在电动 汽车的行驶过程中，由转向盘、制动踏板和加速踏板输入的信号通过电子控制器 判断后发出相应的指令来控制功率转换器的输出，以此来调节驱动电机和动力电 池之间的功率流。能量管理系统和电子控制器一起控制制动时能量的回收以及监 控动力电池的使用和充电情况。此外，电动汽车还通过辅助动力供给系统为电动 汽车辅助系统如空调、动力转向、制动及其它辅助装置提供不同等级电压和动力。 基于多目标拓扑优化的电动汽车正碰安全性研究 电动汽车除了这种基本的结构形式以外，还会因为驱动装置和储能装置的不同， 其结构形式发生很大的变化【2 , 3 9 】。 图2 1 电动汽车的基本结构形式 2 1 2 驱动装置的结构特点 根据驱动装置的不同，如图2 2 所示，电动汽车有以下几种结构形式【4 0 】： 如图2 2 ( a ) 所示，具有不同速比的变速器能使电动汽车在不同的车速时获得 合适的驱动功率和转矩，离合器和差速器分别用来控制动力的通断和转弯时不同 侧的车轮获得不同转速。 如图2 2 ( b ) 所示，采用这种驱动系统的电动汽车由于没有离合器，因而其减 速器通常为固定速比。其优点是可以节省空间，降低整车质量，方便部件灵活布 置。但在电动汽车行驶过程中不能提供比较理想的转矩转速特性。 如图2 2 ( c ) 所示，在微型电动汽车上，为了减少驱动系统所占的空间和质量， 驱动电机、减速器和差速器被整合集成为一个整体，通过左右半轴将转矩传递给 车轮驱动行驶。 如图2 2 ( d ) 所示，为了提高能量利用效率和获得更好的操控性能，电动汽车 采用独立的两个驱动电机和两个减速器来驱动车轮，由于每个驱动电机的输出功 率可以进行单独的电子调节控制，因而省略了机械差速器。 如图2 2 ( e ) 所示，为了进一步提高驱动电机与车轮之间的能量传递效率以及 减少电动汽车在不同车速下的振动，驱动电机被安装装在车轮里面，并通过采用 能提供大减速比的行星齿轮减速器来将驱动电机的输出转速控制在合理的车轮转 速范围内。 如图2 2 ( f ) 所示，电动汽车采用更先进的轮毂电动机( 图2 3 ) 来驱动车轮行驶， 通过控制驱动电机的转速来控制车速，仅由轮毂电动机构成的驱动装置具有非常 高的能量利用效率，而且所占用的空间也很少，目前已在发达国家得到实际应用。 硕士学位论文 ( a ) o 一一一一一一一 。一一一一一一一 r e ) o 一一一一一一 。一一一一一一 r e ) ( b ) o 一一一一一一一 。一一一一一一一 ( d ) o 一一一一一一一 。一- 一一- 一一 ( f ) m - 驱动电机g b 变速器f g 固定速比减速器d 差速器c 离合器 轮毂电机恒定 功率：3 0 k w ) 刹车卡钳 图2 2 不同形式的驱动装置 图2 3 带轮毂电动机的驱动车轮 2 1 3 储能装置的结构特点 电机 减震弹簧 内主动悬架 根据储能装置的不同，如图2 4 所示，电动汽车有以下几种结构形式 3 8 , 4 1 1 ： 如图2 4 ( a ) 所示，目前电动汽车最常采用的储能装置为蓄电池，其布置位置 可以灵活多变，但采用单一的蓄电池难以同时提供足够高的比功率和比能量，因 1 3 一_ 一一 一 ：-一 一_ 瑶粤 一 一。i一一一 一 -i； p 一 一一。；一 一iililii- 一 一 一 l-i；一 基于多目标拓扑优化的电动汽车正碰安全性研究 而通常需要携带较多的蓄电池。 如图2 4 ( b ) 所示，为了获得较好的行驶里程和加速性以及爬坡能力，电动汽 车同时采用两种蓄电池，分别用来提供高比功率和高比能量。采用这种方式能有 效的减少蓄电池的携带数量。 如图2 4 ( c ) 所示，为了获得更高的能量利用效率，电动汽车采用能提供高比 能量的燃料电池作为主要动力来源，并通常将其与可以高效回收能量且能提供高 比功率的蓄电池组合来共同提供动力。 如图2 4 ( d ) 所示，电动汽车通过带有微型重整器的燃料电池来获得更长的行 驶里程和减少燃料电池携带氢气的数量。 如图2 4 ( e ) 所示，电容器具有比蓄电池拥有更高比功率和更高效能量回收能 力的优点，为了解决燃料电池质量和所占空间较大的问题，电动汽车采用电容器 和蓄电池来共同提供动力。 如图2 4 ( f ) 所示，电动汽车采用蓄电池和飞轮作为混合动力，与超大容量电 容器类似，飞轮是另外一种具有高效能量回收能力和高比功率的储能器。 l o 一一一一一一一一。一一： r e ) i - o 一一。一一一。一：l - - o 一一一一一一一一。一一： 伯) ( ，d 1 i _ 一。一一一一一一一一。一一：l o 一一一一一一一一。一一： f e )f 0 b - 蓄电池c - 电容器f c 燃料电池f w 超高速飞轮p 功率转换器 图2 4 不同形式的储能装置 1 4 p 一 固 一 = 一 硕士学位论文 2 2 电动汽车的碰撞安全特殊性 传统燃油汽车可以看作一台纯机械动力设备，而电动汽车则是典型的复杂机 电一体化设各，电动汽车的可靠性要低于传统燃油汽车。而且对于电动汽车这样 的机电一体化设备来说，在碰撞事故中，不仅要考虑结构安全性，其电气安全性 也是非常重要的安全指标【3 1 ，这两方面并不独立而是相互耦合，一方面出问题还 可能导致另一方面出问题。具体来说，包括以下几个方面【4 2 】： 2 2 1 电气安全方面 ( 1 ) 燃烧与爆炸危险 电动汽车动力电池一般都是由正极、负极、电解液、隔膜、壳体和盖板组成， 电池的这种固有结构使得电池成为一个相对密闭的压力容器。在电池的正常工作 中，电池内部的活性物质及电解液组分之间发生的化学与电化学反应都会产生大 量的热量与气体，使电池的温度和内压都处于比较高的水平。通常情况下，电池 的温度和内压处于可控的平衡状态，但当电动汽车发生碰撞事故而使电池遭受机 械冲击时，会使电池内部的化学反应加快，短时间内产生大量的热，导致电池温 度增加。由于电池内部的高温、高压都与产热因素有直接的连锁反应关系，而电 池达到较高温度时，又会促进电池内部某些分解放热反应的发生，当电池热产生 速率大于热扩散速率时，就会使大量的热在电池内部聚集，从