車輛電動化與智能化進程中的輕量化設計：挑戰(zhàn)、路徑與方法

第1章緒論1
1.1車輛輕量化2
1.2車輛電動化對輕量化設計的影響3
1.3車輛智能化對輕量化設計的影響5
1.4結構輕量化6
1.5材料的輕量化潛力7
1.6輕量化結構的制造和連接問題8
1.7智能電動車輛輕量化設計的本質問題9
第2章復雜物理系統(tǒng)分析與設計方法11
2.1智能電動車輛物理系統(tǒng)架構11
2.1.1智能電動車輛子系統(tǒng)劃分11
2.1.2智能電動車輛各子系統(tǒng)組成14
2.2物理系統(tǒng)架構與功能實現(xiàn)方式14
2.3復雜物理系統(tǒng)的描述方法15
2.3.1基于物理的模型16
2.3.2數(shù)值模型16
2.3.3數(shù)據(jù)驅動的模型17
2.3.4復雜物理系統(tǒng)各類模型之間的相互關系17
2.4復雜物理系統(tǒng)的輕量化18
2.4.1輕量化體系的構成18
2.4.2輕量化體系框圖20
2.5本章小結20
本章參考文獻21
第3章與電動化和智能化相關的若干關鍵問題22
3.1電動汽車碰撞后起火問題22
3.1.1研究的現(xiàn)實意義23
3.1.2現(xiàn)有研究成果及進展24
3.1.3研究的難點與挑戰(zhàn)27
3.2電動汽車碰撞后起火的研究路徑與預測方法28
3.2.1碰撞后起火研究的目標28
3.2.2碰撞后起火研究的關鍵內(nèi)容28
3.2.3碰撞后起火過程中的關鍵科學問題32
3.2.4碰撞后起火的研究框架33
3.2.5研究方法分析及技術路線34
3.2.6碰撞后起火研究的科學意義35
3.3無人系統(tǒng)的狀態(tài)失效問題36
3.3.1無人系統(tǒng)狀態(tài)失效的特征37
3.3.2現(xiàn)有研究成果及進展38
3.3.3無人系統(tǒng)狀態(tài)失效研究的難點與挑戰(zhàn)42
3.4面向狀態(tài)失效的無人系統(tǒng)數(shù)字孿生架構與預測43
3.4.1無人系統(tǒng)數(shù)字孿生的研究內(nèi)容43
3.4.2研究中的關鍵科學問題47
3.4.3數(shù)字孿生與失效研究框架48
3.4.4研究方法建議與技術路線49
3.4.5無人系統(tǒng)狀態(tài)失效研究的科學意義與貢獻50
3.5本章小結51
本章參考文獻51
第4章智能化與廣義輕量化53
4.1車輛智能化特征與系統(tǒng)分析54
4.1.1智能車輛物理系統(tǒng)設計54
4.1.2智能車輛的功能對輕量化的影響56
4.2智能車輛物理系統(tǒng)的輕量化設計57
4.3智能系統(tǒng)能耗與輕量化59
4.3.1車輛智能化等級59
4.3.2智能系統(tǒng)能耗情況60
4.4車輛驅動決策與智慧交通系統(tǒng)協(xié)同規(guī)劃61
4.4.1交通擁堵與能源消耗61
4.4.2交通狀態(tài)預測的關鍵問題62
4.4.3驅動與交通協(xié)同優(yōu)化的可行方法與路徑64
4.5基于大數(shù)據(jù)的動態(tài)交通狀態(tài)預測65
4.5.1智能交通預測的總體思路65
4.5.2交通數(shù)據(jù)獲取及預處理66
4.5.3基于智能算法的交通預測模型構建69
4.5.4不同已知條件下的交通信息預測對比73
4.6智能車輛主動安全系統(tǒng)集成設計75
4.6.1主動安全系統(tǒng)功能分析76
4.6.2主動安全系統(tǒng)設計78
4.6.3主動安全系統(tǒng)分層控制器設計81
4.6.4討論與分析84
4.7本章小結89
本章參考文獻90
第5章電驅動系統(tǒng)輕量化設計91
5.1電動系統(tǒng)輕量化設計的三個層級91
5.1.1物理部件的設計92
5.1.2子系統(tǒng)集成與一體化92
5.1.3動力系統(tǒng)匹配優(yōu)化93
5.2一種輕量化高效率車用輪轂電機設計94
5.2.1設計需求分解與設計方法選擇95
5.2.2電機運行高頻區(qū)與高效區(qū)96
5.2.3電磁方案及本體設計參數(shù)100
5.2.4電機本體初始電磁方案設計102
5.2.5基于組合代理模型的輪轂電機優(yōu)化103
5.3一種電機控制器傳熱學反問題的求解方法108
5.3.1問題描述108
5.3.2反饋模糊推理算法109
5.3.3基于分散模糊推理的設計方法112
5.4一種高可靠性低成本輕量化電池箱體設計116
5.5本章小結119
本章參考文獻119
第6章車輛結構輕量化設計的基本方法120
6.1結構輕量化基本思想120
6.2材料結構性能的關系指標122
6.2.1結構件122
6.2.2板件125
6.3多工況條件下非參數(shù)化結構設計方法125
6.3.1工程問題描述126
6.3.2工況分析127
6.3.3涵蓋多工況條件的綜合目標函數(shù)128
6.3.4基于*優(yōu)化方法的各工況權重比確定129
6.3.5優(yōu)化方法與求解過程130
6.3.6多工況拓撲優(yōu)化的計算結果及分析132
6.4結構優(yōu)化設計的一般流程133
6.5多工況條件下可參數(shù)化結構設計方法138
6.5.1車輛正面碰撞的多工況問題138
6.5.2單工況條件下的耐撞性優(yōu)化139
6.5.3基于正面碰撞及偏置碰撞的結構耐撞性優(yōu)化方法141
6.5.4耦合工況的設計變量選取142
6.5.5構建代理模型144
6.5.6耐撞性結構優(yōu)化設計146
6.6本章小結148
本章參考文獻148
第7章多材料輕量化設計方法150
7.1多材料混合輕量化設計途徑150
7.2車輛正面碰撞性能約束下多材料結構低成本輕量化151
7.2.1正面碰撞的基本要求151
7.2.2設計總體流程152
7.2.3模型及有效性驗證153
7.2.4基于析因設計的設計變量選取154
7.2.5基于準則的材料替換及設計初值確定156
7.2.6優(yōu)化模型的建立及求解157
7.3車輛側面碰撞性能約束下多材料結構低成本輕量化160
7.3.1側面碰撞的基本要求161
7.3.2流程與方法161
7.3.3碰撞模型建立與驗證162
7.3.4設計變量選擇164
7.3.5材料選型與成本165
7.3.6輕量化模型建立及求解166
7.4成本和性能約束條件下的多材料選型輕量化170
7.4.1考慮頂壓與側碰安全性的車身B柱結構輕量化設計要求171
7.4.2成本和性能約束下B柱結構輕量化方案173
7.4.3設計變量與優(yōu)化目標175
7.4.4優(yōu)化結果與分析175
7.5以結構性能提升為目標的多材料選型優(yōu)化設計177
7.5.1車頂結構耐撞性要求177
7.5.2結構性能優(yōu)化設計流程178
7.5.3設計變量與優(yōu)化問題179
7.5.4優(yōu)化結果與分析182
7.6本章小結183
本章參考文獻184
第8章與材料和制造工藝相關的設計185
8.1材料結構工藝一體輕量化的基本原理185
8.1.1復合材料結構的設計問題185
8.1.2復合材料的一體化設計原則187
8.1.3復合材料一體化設計研究途徑188
8.1.4復合材料一體化設計方案189
8.2等厚度碳纖維結構設計190
8.2.1懸架控制臂的基本設計要求191
8.2.2復合材料懸架控制臂方案193
8.2.3復合材料控制臂結構設計194
8.3變厚度變截面碳纖維結構設計198
8.3.1削層結構及變厚度實現(xiàn)199
8.3.2削層結構的力學基礎199
8.3.3B柱結構削層區(qū)域設計201
8.3.4削層結構優(yōu)化方法204
8.4考慮制造工藝的纖維復合材料結構分級分區(qū)設計208
8.4.1復合材料車輪結構209
8.4.2基于自由尺寸優(yōu)化的碳纖維輪輞結構分區(qū)211
8.4.3結構分區(qū)內(nèi)不同鋪層方向纖維占比213
8.4.4碳纖維輪輞各分區(qū)厚度優(yōu)化215
8.4.5碳纖維復合材料鋪層順序217
8.4.6結果分析219
8.5本章小結220
本章參考文獻220
第1章緒論1
1.1車輛輕量化2
1.2車輛電動化對輕量化設計的影響3
1.3車輛智能化對輕量化設計的影響5
1.4結構輕量化6
1.5材料的輕量化潛力7
1.6輕量化結構的制造和連接問題8
1.7智能電動車輛輕量化設計的本質問題9
第2章復雜物理系統(tǒng)分析與設計方法11
2.1智能電動車輛物理系統(tǒng)架構11
2.1.1智能電動車輛子系統(tǒng)劃分11
2.1.2智能電動車輛各子系統(tǒng)組成14
2.2物理系統(tǒng)架構與功能實現(xiàn)方式14
2.3復雜物理系統(tǒng)的描述方法15
2.3.1基于物理的模型16
2.3.2數(shù)值模型16
2.3.3數(shù)據(jù)驅動的模型17
2.3.4復雜物理系統(tǒng)各類模型之間的相互關系17
2.4復雜物理系統(tǒng)的輕量化18
2.4.1輕量化體系的構成18
2.4.2輕量化體系框圖20
2.5小結20
參考文獻21
第3章與電動化和智能化相關的若干關鍵問題22
3.1電動汽車碰撞后起火問題22
3.1.1研究的現(xiàn)實意義23
3.1.2現(xiàn)有研究成果及進展24
3.1.3研究的難點與挑戰(zhàn)27
3.2電動汽車碰撞后起火的研究路徑與預測方法28
3.2.1碰撞后起火研究的目標28
3.2.2碰撞后起火研究的關鍵內(nèi)容28
3.2.3碰撞后起火過程中的關鍵科學問題32
3.2.4碰撞后起火的研究框架32
3.2.5研究方法分析及技術路線34
3.2.6碰撞后起火研究的科學意義與貢獻35
3.3無人系統(tǒng)的狀態(tài)失效問題36
3.3.1無人系統(tǒng)狀態(tài)失效的特征37
3.3.2現(xiàn)有研究成果及進展38
3.3.3無人系統(tǒng)狀態(tài)失效研究的難點與挑戰(zhàn)42
3.4面向狀態(tài)失效的無人系統(tǒng)數(shù)字孿生架構與預測43
3.4.1無人系統(tǒng)數(shù)字孿生的研究內(nèi)容43
3.4.2研究中的關鍵科學問題47
3.4.3數(shù)字孿生與失效研究框架48
3.4.4研究方法建議與技術路線49
3.4.5無人系統(tǒng)狀態(tài)失效研究的科學意義與貢獻50
3.5小結51
參考文獻51
第4章智能化與廣義輕量化53
4.1車輛智能化特征與系統(tǒng)分析54
4.1.1智能車輛物理系統(tǒng)設計54
4.1.2智能車輛的功能對輕量化的影響56
4.2智能車輛物理系統(tǒng)的輕量化設計57
4.3智能系統(tǒng)能耗與輕量化59
4.3.1車輛智能化等級59
4.3.2智能系統(tǒng)能耗情況60
4.4車輛驅動決策與智慧交通系統(tǒng)協(xié)同規(guī)劃61
4.4.1交通擁堵與能源消耗61
4.4.2交通狀態(tài)預測的關鍵問題62
4.4.3驅動與交通協(xié)同優(yōu)化的可行方法與路徑64
4.5基于大數(shù)據(jù)的動態(tài)交通狀態(tài)預測65
4.5.1智能交通預測的總體思路65
4.5.2交通數(shù)據(jù)獲取及預處理66
4.5.3基于智能算法的交通預測模型構建69
4.5.4不同已知條件下的交通信息預測對比73
4.6智能車輛主動安全系統(tǒng)集成設計75
4.6.1主動安全系統(tǒng)功能分析76
4.6.2主動安全系統(tǒng)設計78
4.6.3主動安全系統(tǒng)分層控制器設計81
4.6.4討論與分析84
4.7小結88
參考文獻89
第5章電動系統(tǒng)輕量化設計90
5.1電驅動系統(tǒng)輕量化設計的三個層級90
5.1.1物理部件的設計91
5.1.2子系統(tǒng)集成與一體化91
5.1.3動力系統(tǒng)匹配優(yōu)化92
5.2一種輕量化高效率車用輪轂電機設計93
5.2.1設計需求分解與設計方法選擇94
5.2.2電機運行高頻區(qū)與高效區(qū)95
5.2.3電磁方案及本體設計參數(shù)99
5.2.4電機本體初始電磁方案設計101
5.2.5基于組合代理模型輪轂電機優(yōu)化102
5.3一種電機控制器傳熱學反問題的求解方法107
5.3.1問題描述107
5.3.2反饋-模糊推理算法108
5.3.3基于分散模糊推理的設計方法111
5.4一種高可靠低成本輕量化電池箱體設計115
5.5小結118
參考文獻118
第6章車輛結構輕量化設計的基本方法120
6.1結構輕量化基本思想120
6.2材料結構性能的關系指標122
6.2.1結構件122
6.2.2板件125
6.3多工況條件下非參數(shù)化結構設計方法126
6.3.1工程問題描述126
6.3.2工況分析127
6.3.3涵蓋多工況條件的綜合目標函數(shù)128
6.3.4基于*優(yōu)化方法的各工況權重比確定129
6.3.5優(yōu)化方法與求解過程130
6.3.6多工況拓撲優(yōu)化的計算結果及分析132
6.4結構優(yōu)化設計的一般流程133
6.5多工況條件下可參數(shù)化結構設計方法138
6.5.1車輛正面碰撞的多工況問題138
6.5.2單工況條件下的耐撞性優(yōu)化139
6.5.3基于正碰及偏置碰的結構耐撞性優(yōu)化方法141
6.5.4耦合工況的設計變量選取143
6.5.5構建代理模型144
6.5.6耐撞性結構優(yōu)化設計146
6.6小結148
參考文獻148
第7章多材料輕量化設計方法150
7.1多材料混合輕量化設計途徑150
7.2車輛正面碰撞性能約束下多材料結構低成本輕量化151
7.2.1正面碰撞的基本要求151
7.2.2設計總體流程152
7.2.3模型及有效性驗證153
7.2.4基于析因設計的設計變量選取154
7.2.5基于準則的材料替換及設計初值確定156
7.2.6優(yōu)化模型的建立及求解157
7.3車輛側面碰撞性能約束下多材料結構低成本輕量化160
7.3.1側面碰撞的基本要求161
7.3.2流程與方法161
7.3.3碰撞模型建立與驗證162
7.3.4設計變量選擇164
7.3.5材料選型與成本165
7.3.6輕量化模型建立及求解166
7.4成本和性能約束條件下的多材料選型輕量化170
7.4.1考慮頂壓與側碰安全性的車身B柱結構輕量化設計要求171
7.4.2成本和性能約束下B柱結構輕量化方案173
7.4.3設計變量與優(yōu)化目標175
7.4.4輕量化及結果分析176
7.5以結構性能提升為目標的多材料選型優(yōu)化設計177
7.5.1車頂結構耐撞性要求177
7.5.2結構性能優(yōu)化設計流程179
7.5.3設計變量與優(yōu)化問題180
7.5.4優(yōu)化結果與分析182
7.6小結183
參考文獻184
第8章與材料和制造工藝相關的設計185
8.1材料結構工藝一體輕量化的基本原理185
8.1.1復合材料結構的設計問題185
8.1.2復合材料的一體化設計原則187
8.1.3復合材料一體化設計研究途徑188
8.1.4復合材料一體化設計方案189
8.2等厚度碳纖維結構件設計190
8.2.1懸架控制臂的基本設計要求191
8.2.2復合材料懸架控制臂方案193
8.2.3復合材料控制臂結構設計194
8.3變厚度變截面碳纖維結構設計198
8.3.1削層結構及變厚度實現(xiàn)199
8.3.2削層結構的力學基礎199
8.3.3B柱結構削層區(qū)域設計201
8.3.4削層結構優(yōu)化方法204
8.4考慮制造工藝的纖維復合材料結構分級分區(qū)設計方法208
8.4.1復合材料車輪結構209
8.4.2基于自由尺寸優(yōu)化的碳纖維輪輞結構分區(qū)211
8.4.3結構分區(qū)內(nèi)不同鋪層方向纖維占比213
8.4.4碳纖維輪輞各分區(qū)厚度優(yōu)化215
8.4.5碳纖維復合材料鋪層順序217
8.4.6結果分析219
8.5小結220