基于碰撞安全性的新能源汽车车身结构与材料优化研究

动力系统的改变需要汽车结构的改变。本课题针对合理布局新能源车身结构、提高新能源汽车碰撞安全性的需求，开展了新能源汽车车身结构和材料的优化研究。该研究以新能源汽车理论、汽车安全理论、有限元理论、材料学理论和优化理论为基础，以NCAP的相关规定为依据，对新能源汽车在多种碰撞形式下的车身结构进行分析模拟，在不改变汽车基本外形的条件下，对车身结构进行优化设计，并设计具有特殊性能的材料结构，从而使改进后的车身结构满足不同部位具有不同的刚度、强度和缓冲吸能性能的要求，使材料在车身内具有最优分布，达到增强新能源汽车车身结构稳定性和耐撞性的研究目的。本课题的开展有望推动中国新能源汽车车身结构优化研究和耐撞性研究的发展，取得具有自主知识产权的新能源汽车结构耐撞性方面的研究成果，为新形式的新能源汽车制造的产业化进行技术储备，将对中国的汽车产业的发展，尤其是对新能源汽车设计研究的发展产生积极的作用。

本课题针对合理布局新能源车身结构、提高新能源汽车碰撞安全性的需求，开展了新能源汽车车身结构和材料的优化研究。该研究以新能源汽车理论、汽车安全理论、有限元理论、材料学理论和优化理论为基础，以NCAP 的相关规定为依据，对汽车在多种碰撞形式下的车身结构进行分析模拟。基于变密度结构拓扑优化方法，以柔度最小化为目标建立了汽车白车身拓扑优化数学模型，分析了白车身结构柔度的设计灵敏度，并采用灵敏度过滤技术处理优化问题求解过程中可能出现的数值不稳定问题。根据对三种典型新能源汽车的车身载荷分析，在考虑体积约束和几何约束的同时，对其白车身结构在静载荷、弯曲载荷，以及扭转载荷工况下分别进行拓扑优化设计，得到相应的最优拓扑结构。通过建立基于拓扑优化结果的白车身线框模型对其弯曲刚度和扭转刚度进行了验证。针对金属薄壁管在吸能方面的优越特性，在进一步的新能源车身耐撞性细结构优化方面，本项目在车身碰撞分析的基础上，以金属薄壁管为研究对象，通过HYPERMESH和LS-DYNA对金属薄壁管在轴向冲击下的吸能性能进行研究。研究了单胞管与多胞管以及泡沫填充管在纯轴向冲击下的吸能特性，之后基于实际碰撞中斜向冲击的概率更大，结合了多胞管的吸能优势和锥型管的稳定性提出了一种新型的多胞管，通过数值仿真的方法证明了多胞管在斜向冲击载荷作用下比吸能更高，冲击峰值力更低。并且分析了加载角度、冲击速度和结构设计参数对锥形多胞薄壁方管和泡沫填充管斜向冲击吸能特性的影响，为进行了这些结构耐撞性优化设计。本课题的开展推动了中国新能源汽车车身结构优化研究和耐撞性研究的发展，取得具有自主知识产权的新能源汽车结构耐撞性方面的研究成果，为新形式的新能源汽车制造的产业化进行了技术储备，将对中国的汽车产业的发展，尤其是对新能源汽车设计研究的发展产生积极的作用。