基于能量流的复杂机电产品节能降耗设计理论与方法研究

中国是全球制造大国，节能降耗已成为我国建设"资源节约型和环境友好型"社会的重点工作，也是我国机电产品绿色设计的重要目标。本项目拟针对典型复杂机电产品的节能降耗需求，以汽车、家电等典型耗能机电产品为研究对象，研究机电产品节能降耗与性能约束的矛盾冲突映射机制，建立基于性能约束的能量流分析模型；研究产品各个零部件间的能量关联，传递、转化、接口关系，建立性能关重度、性能富余度的计算模型，描述各零部件单元对整个产品性能及能耗的影响程度，为优化改进提供依据和参考；提出一套系统的基于能量流分析的机电产品节能降耗的多目标、多约束决策理论和设计方法体系，实现多性能耦合的耗能机电产品节能降耗综合优化；并结合一款新车产品开展节能降耗设计，验证基于能量流的复杂机电产品节能降耗设计理论和方法的有效性。

中国是全球制造大国，节能降耗是我国机电产品绿色设计的重要目标。本项目以汽车产品为研究对象，提出一套基于能量流分析的节能降耗多目标、多约束决策理论和设计方法体系。解决了车身轻量化与性能约束的矛盾冲突。完成了整车CAE建模工作，通过模拟真实路况和试验设置约束条件，获得车身在不同工况下的性能指标；完成了整车50km/h正面100%重叠刚性壁障碰撞、64km/h正面40%重叠可变形壁障碰撞、50 km/h可变形移动壁障侧面碰撞及整车50km/h后面100%碰撞CAE分析，获得车身各部件的载荷与能量吸收数据。实现了多种性能约束下技术措施之间的矛盾冲突的表达与获取、各种性能的关键部件权重分析，建立了与能量相关的性能约束。基于满意协调法和SIMP密度方法，建立了多工况条件下连续体结构拓扑优化的数学模型，实现了静动态多目标性能之间协调，且消除了不同量纲、数量级所造成不可公度性的影响。为了同时考虑结构多响应的最优性和响应对可控因子波动的稳健性问题，采用拉丁超立方试验设计和响应面方法得出各响应的近似数学模型，并构建包括最优性和稳健性在内的总体多学科优化模型，利用遗传算法对其进行求解，达到预期优化效果。研究碰撞载荷在车身结构中的传递路径以及碰撞能量的吸收规律，获得基于载荷传递路径与能量吸收的汽车碰撞安全性优化方法，建立功能部件的性能关重度模型，研究基于能量传递的各种性能设计及轻量化设计；建立了各碰撞工况条件下车身载荷流模型、能量流模型，正常行驶道路振动、制动、弯曲、扭转工况载荷作用下车身各部件的载荷与能量吸收数据；完成了以荷流模型、能量流模型为基础的各碰撞工况条件下的车身各部件耐撞性富裕量分析，以及各行驶工况下的车身各部件强度富裕量分析；完成了相关验证性试验工作。