基于多阶段优化的复合材料汽车蓄电池壳体设计方法与流程

本发明涉及领域汽车零部件设计领域，尤其涉及一种基于多阶段优化的复合材料汽车蓄电池壳体设计方法。
背景技术：
：电动汽车蓄电池壳体作为电动汽车所载有的动力源是电动汽车的关键部件，其性能的优劣将对电动汽车的应用前景产生重大影响，现有技术中，电动汽车动力蓄电池保护壳体多数采用易于成型的金属箱体，但是金属材质的重量较重，成本较高，不能满足轻量化的需求。为了实现蓄电池壳体的轻量化设计，目前常用optistruct仿真软件进行结构零件的优化设计。但是单一的优化方法会造成制造约束的缺失，优化结果的不满足等不足之处。因此，采用何种优化方法满足汽车蓄电池壳体轻量化理念是目前结构优化设计理念在实际应用中必须解决的问题。技术实现要素：本发明的目的是克服现有技术存在的缺陷，提供一种基于多阶段优化的复合材料汽车蓄电池壳体设计方法，使得设计出的汽车蓄电池壳体更为轻量化。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于多阶段优化的复合材料汽车蓄电池壳体设计方法，包括如下步骤：(1)导入模型：采用solidworks软件建立蓄电池壳体的三维几何模型，并输出为step数据文件格式，得到蓄电池壳体结构step模型，在hypermesh软件中读入蓄电池壳体结构step模型；(2)抽取中面：在蓄电池壳体模型中间创建一层曲面；(3)几何模型简化：去除蓄电池壳体模型中的所有重复面；(4)模型赋材：给蓄电池壳体赋上碳纤维复合材料的材质；(5)网格划分：对于零件结构简单的部分采用自由网格划分；对于零件结构复杂的部分采用逐步切割法划分；对于零件结构的载荷和接触面部分进行网格细化；(6)边界条件设置：蓄电池壳体的边界条件依据在实际环境中的约束情况，通过固定约束使得蓄电池壳体在放置位置上完全固定；(7)创建质心：创建蓄电池壳体的质心；(8)静态分析：综合考虑蓄电池壳体在行驶过程中所受的载荷，包括：弯曲工况分析，转弯工况分析；(9)动态分析：对汽车蓄电池壳体的固有频率进行分析，不施加载荷，进行一阶模态分析；(10)自由尺寸优化：考虑全局的响应和制造约束，以每个单元的超级层厚度作为优化变量，以蓄电池壳体的刚度最大作为目标函数；数学模型描述为：选择一组可变化的设计变量x＝{x1,x2,…,xn}，在满足以下两个公式的约束条件下，使目标函数f(x)最小；式中：gj(x)和分别为第j个响应约束及其最大值；m是所有约束条件的个数；xik为第k个单元第i层的厚度；和分别为第k个单元的第i层厚度的最小值和最大值；np为超级层的层数；ne为设计区域单元的个数，得出蓄电池壳体结构上每个单元的最佳厚度、铺的每一层的形状以及厚度；(11)尺寸优化：考虑所有的设计响应和制造约束，以每种形状超级层厚度作为优化变量，以蓄电池壳体的质量最小作为目标函数；建立的数学模型如下：目标函数：min：m(t_total)约束条件：0＜disp_a＜5modal_1＞25式中：t_total为自由尺寸优化后的厚度；disp为给定的节点a的位移；modal_1为一阶模态，得到了每种角度每种形状的铺层数目以及优化后的重量。有益效果：本发明根据汽车蓄电池壳体的结构特点，提出一种复合材料汽车蓄电池壳体轻量化优化设计方法，先对蓄电池壳体进行前期基础分析，得到汽车壳体在优化前的静动态分析下蓄电池壳体所受的应力情况；再通过多阶段优化对蓄电池壳体进行优化，最后将优化前后的结果进行对比优化，进一步确保了轻量化的理念。附图说明图1为汽车蓄电池壳体弯曲工况分析结构简图；图2为汽车蓄电池壳体转弯工况分析结构简图。具体实施方式下面结合图1、2，对本发明作进一步的描述。一种基于多阶段优化的复合材料汽车蓄电池壳体设计方法，包括如下步骤：(1)导入模型：采用solidworks软件建立蓄电池壳体的三维几何模型，并输出为step数据文件格式，得到蓄电池壳体结构step模型，在hypermesh软件中读入蓄电池壳体结构step模型；(2)抽取中面：在蓄电池壳体模型中间创建一层曲面，抽取蓄电池壳体的中面；(3)几何模型简化：去除蓄电池壳体模型中的所有重复面；使蓄电池壳体几何形状更简单而去掉一些细节；(4)模型赋材：给蓄电池壳体赋上碳纤维复合材料的材质；碳纤维复合材料的参数为：材料厚度为0.5mm，纵向弹性模量为139200pa，横向弹性模量为8640pa，泊松比为0.328，平面内剪切模量为4880pa。(5)网格划分：对于零件结构简单的部分采用自由网格划分，网格密度参数设置为5mm；对于零件结构复杂的部分采用逐步切割法划分；对于零件结构的载荷和接触面部分进行网格细化，细化至2倍，最终有限元网格划分蓄电池壳体结构的网格总数为356280个，底板的网格数量为129540个，筋条的网格数量为41420个；(6)边界条件设置：蓄电池壳体的边界条件依据在实际环境中的约束情况，通过固定约束使得蓄电池壳体在放置位置上完全固定；(7)创建质心：创建蓄电池壳体的质心，以便于将一个集中载荷加载到蓄电池壳体上。用hypermesh软件创建出蓄电池壳体的质心，然后用rbe3单元将蓄电池壳体筋条上的孔都连到质心点上，在质心上加载荷就是在蓄电池壳体上加载荷；(8)静态分析：综合考虑蓄电池壳体在行驶过程中所受的载荷，包括：弯曲工况分析，转弯工况分析；弯曲工况分析，在该工况下，蓄电池壳体主要受到的载荷是蓄电池模块在重力加速度的作用下所受到的重力，边界条件以及载荷情况如图1所示，蓄电池壳体所受到的重力载荷为1078n；转弯工况分析，蓄电池壳体承受重力载荷和一定的侧向载荷，边界条件以及载荷情况如图2所示，蓄电池壳体所受到的重力载荷为1078n，离心力载荷为539n。(9)动态分析：对汽车蓄电池壳体的固有频率进行分析，不施加载荷，进行一阶模态分析；如下表所示为蓄电池壳体的1阶固有频率。阶数1频率/hz25.332结论：通过上表显示，所算出的一阶模态为25.332hz，满足一阶模态>25hz的要求。(10)自由尺寸优化：考虑全局的响应和制造约束，以每个单元的超级层厚度作为优化变量，以体积分数<0.2作为约束条件以蓄电池壳体的加权柔度最小作为目标函数；数学模型描述为：选择一组可变化的设计变量x＝{x1,x2,…,xn}，在满足以下两个公式的约束条件下，使目标函数f(x)最小；式中：gj(x)和分别为第j个响应约束及其最大值；m是所有约束条件的个数；xik为第k个单元第i层的厚度；和分别为第k个单元的第i层厚度的最小值和最大值；np为超级层的层数；ne为设计区域单元的个数，得出蓄电池壳体结构上每个单元的最佳厚度、铺的每一层的形状以及厚度，；(11)尺寸优化：考虑所有的设计响应和制造约束，以每种形状超级层厚度作为优化变量，以蓄电池壳体的质量最小作为目标函数；建立的数学模型如下：目标函数：min：m(t_total)约束条件：0＜disp_a＜5modal_1＞25式中：t_total为自由尺寸优化后的厚度；disp为给定的节点a的位移；modal_1为一阶模态，得到了每种角度每种形状的铺层数目以及优化后的重量。为了证明该优化结果的合理性，下表列出了原蓄电池壳体和优化后蓄电池壳体的性能比较，由下表看出，优化后比优化前重量减少了58.44％，弯曲工况和转弯工况优化后位移有所下降，由此说明该优化是积极有效的，使得设计出的汽车蓄电池壳体更为轻量化。进一步的，步骤(3)中去除直径小于5mm的边界倒角；去除直径小于5mm的面倒角；去除直径小于3mm小孔或者是不直接受力的小孔，使蓄电池壳体几何形状更简单而去掉一些细节。更进一步的，步骤(8)中所述弯曲工况分析主要是用来模拟汽车在静止或者是在平整的路面上行驶时结构的变形情况；所述转弯工况分析主要是由汽车在进行高速转弯时，车身因离心力的作用而产生的侧向载荷产生的。应当理解，以上所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。由本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。当前第1页12