考虑结构-热耦合效应的轮毂电机驱动轮碳纤维增强复合材料-结构一体化设计理论与方法研究

Design method of structure in Carbon Fiber Reinforced Polymers under complex load cases and lightweight requirements is researched in the proposal. Taking the motor-in-wheel structure design for example, a design philosophy, “In a composite structural design, different parts of the structure could have their own materials, processing methods and structural features to achieve different function”, is proposed to design the composite structures in an efficient way in outputting the structural features, materials properties with the inputs of structural requirements. (1)Boundary conditions are obtained by electromagnetic-thermal-structural coupling analysis. (2)Constraints are obtained according to the layout, power requirement, brake performance and ride requirements. (3)Two mathematical models, composite design model and structural design model are built. (4) The composite design model is built from the test data. (4)Mutual compensation model is analyzed between composite design model and structural design model to deal with the coupling effect that structure and material suffered. The integrated design model of material and structure is finally built. The proposal provides a trial and innovative way on the integrated design of composite and structure.

探索在复杂载荷约束和轻量化要求下碳纤维增强复合材料结构高效设计方法。以轮毂电机驱动轮设计为对象，提出“在复合材料结构设计中，同一结构的不同部位可以具有不同的材料构成、不同的纤维增强方式、不同的结构特征，以实现结构在复杂工况和环境下的功能要求”的设计理念，以结构性能为驱动，在车辆运行各项指标的约束下，以结构特征、结构参数、材料特性等要素为设计输出，实现复合材料结构高效设计。（1）通过电磁场-温度场-结构场的耦合分析获取设计问题的边界条件；（2）以车辆总布置参数、动力性、制动性能、平顺性等要求为依据建立驱动轮设计的约束条件模型；（3）通过试验手段建立复合材料设计模型；通过结构特征分析建立结构设计模型；（4）研究材料设计模型和结构设计模型的互补机制，解决耦合效应对结构和材料提出的新问题，最终形成碳纤维增强复合材料-结构一体化设计模型。研究将在复合材料-结构一体化设计理论与方法上形成尝试和创新。

针对碳纤维增强复合材料在复杂工况下进行轮毂电机驱动轮结构轻量化设计的若干关键问题，为结构-热耦合工况下碳纤维增强复合材料-结构一体化设计提供新的研究思路和解决方案。四年来，研究团队按照申请书既定的计划开展工作，从车轮载荷模型、轮毂设计空间、碳纤维增强复合材料设计与工艺、多学科一体化优化等四个方面开展相关工作。.（1）建立了电动汽车电机力-热-电磁耦合模型。针对轮毂电机在电动汽车上的应用展开调研，确定轮毂电机在应用中存在的科学问题依据。同时，研究电机电磁特性的作用机理与电机热特性的产生机理。.（2）建立了碳纤维增强复合材料结构的机理分析模型。该模型针对变截面结构的特点，研究不同纤维铺层条件下变厚度结构的界面受力原理，通过理论分析和仿真、试验验证了该模型的有效性。针对结构设计中存在的科学问题，研究变厚度削层结构的受力机理及其在结构设计中的应用。.（3）提出了碳纤维增强复合材料轮毂结构的设计方法和设计流程。从结构区域划分、材料厚度、铺层数量、铺层方向、铺层顺序等方面对碳纤维轮毂结构展开深入研究，实现了碳纤维轮毂的一体化设计。.（4）实现了电动汽车轮毂电机系统多学科耦合设计与优化方案。从整车动力性、经济性、车辆动力学和轻量化等四个方面对从碳纤维轮毂结构设计、电机电磁性能和热特性进行优化设计，实现了考虑热-结构耦合效应的轮毂电机驱动电动汽车结构设计。.依托本项目工作与湖南大学方程式赛车队交流，使用碳纤维对方程式赛车轮毂进行重新设计，经过与传统车轮相比，在性能不降低的情况下，碳纤维车轮的质量减少了18.61%。.综上所述，项目按计划稳步、有序推进，项目研究内容、进度与申请书一致。四年来，共发表期刊论文14篇和会议论文4篇。其中，包含SCI论文7篇和EI论文4篇，多篇论文已经得到国内外学者的引用。