基于拓扑优化的纯电动汽车正面车-车碰撞相容性车身概念设计

面向日益轻量化的乘用车发展趋势及车-车正面碰撞中，重量越轻则车内乘员死亡率越高的事实，研究纯电动汽车（PEV）正面车-车碰撞相容性（F4C）车身的概念设计问题。首先,结合PEV结构特征，研究F4C车身拓扑优化模型化方法，建立F4C分析模型和正面100％重叠率的刚性壁障碰撞模型及正面40%重叠率的偏置变形壁障碰撞模型。其次，研究基于元胞自动机（CA）的局部演化规则和总体收敛准则，探索F4C车身拓扑优化的有效求解方法。然后, 将基于CA的局部演化规则、总体收敛准则与分段线性等向强化弹塑性材料插值模型、涉及F4C及耐撞性的大量安全性指标约束处理等分析方法相结合, 发展F4C车身拓扑分析方法。最后，研究有效的优化策略和高效算法，综合解决F4C车身拓扑优化问题，给出车身拓扑优化实现算法和自动设计流程，提出F4C车身概念设计方法。旨在F4C车身的概念设计方法上取得进展，促使日益轻量化的乘用车更安全。

纯电动汽车对轻量化设计有着特殊重要的要求，然而轻量化带来的碰撞安全性问题更加严峻，项目通过研究PEV车身的F4C拓扑优化模型化方法，采用元胞自动机对F4C车身拓扑结构进行优化，采用基于SIMP的分段线性等向强化弹塑性材料插值模型对车身拓扑进行分析，并将整个方法应用到车身概念设计中。研究中，采用了先局部后整体、先碰撞相容性再拓展到多种碰撞工况、最后确定成果适用界限的研究策略。.为探明拓扑优化方法的有效性，进行了车头、乘坐区、车尾三部分的拓扑优化分析。基于正面碰撞相容性试验方法，进行车头拓扑优化研究。参照欧洲ECE R94.01法规，开展40%偏置碰撞与正面碰撞相容性多工况拓扑优化研究。对电池箱的拓扑优化则考虑了侧面碰撞与追尾碰撞工况。按照美国法规FMVSS208，进行翻滚碰撞拓扑优化。由于国际上尚无电动汽车追尾碰撞安全标准，参考传统内燃机汽车的追尾碰撞条件进行了电动汽车尾部结构的拓扑优化研究。期间，开展了2次实车碰撞试验。.为解决车身整体拓扑优化问题，提出一种先进行乘坐区拓扑优化，在乘坐区结构已知的前提下，再进行车头、车尾拓扑优化，最后获取整车拓扑构型的白车身分区拓扑优化方法。.为解决白车身分区拓扑优化方法未能考虑拓扑耦合的问题，以结构变形量和优化体积比为约束条件，白车身不同部位之间的连接关系用相应约束条件模拟，提出面向白车身整车的多区域并行拓扑优化方法。对正面碰撞、小偏置碰撞、侧面碰撞、侧面柱碰撞、追尾碰撞、顶压6种典型工况的多工况拓扑优化结果表明，多区域并行拓扑优化方法结果优于分区拓扑优化结果。.为探索碰撞相容性要求对车身振动性能的影响，开展了纯电动汽车的碰撞相容性与NVH多目标拓扑优化研究，结果表明，同时改善纯电动汽车的碰撞安全性与舒适性是完全可以的，碰撞安全性与舒适性之间不存在难以调和的矛盾。.为界定研究成果的适用范围，进行了多工况耐撞性拓扑优化中的碰撞载荷以大吃小问题分析,得出结论：当工况间碰撞载荷比值大于41倍时，载荷间的以大吃小现象不容忽视。.总之，项目从F4C车身拓扑优化模型化方法、F4C车身拓扑优化的有效求解方法、F4C车身拓扑分析方法几个方面，提出了一套有效的优化策略和方法，综合解决了F4C车身拓扑优化问题，提出了F4C车身概念设计方法，对提升轻量化乘用车的安全性有重要意义。对多工况耐撞性拓扑优化中的碰撞载荷以大吃小问题分析，为后续研究指明了方向。