一种轻质电池包托盘高刚性结构快速优化设计方法技术

本发明专利技术公开了一种轻质电池包托盘高刚性结构快速优化设计方法，包括绘制零件的二维外形边框曲线，并保留设计阈和非设计阈的边界，存储为初始图片；提取初始图片进行填充编辑，筛选出连接域、固定域以及设计域；提取初始优化图片导入matlab软件，进行图像识别，获取二维的连接域像素矩阵、固定阈像素矩阵以及设计阈像素矩阵；基于上述像素矩阵计算初始灵敏度值；基于SIMP法，进行优化设计，获得新的单元密度值，若不符合SIMP法的收敛性条件，输出当前优化图片，返回S3；否则，优化设计完成，输出最优设计结果。本发明专利技术适用于任意复杂外形的零部件，能够得到最优的以及材料利用率最高的结构。构。构。

【技术实现步骤摘要】
一种轻质电池包托盘高刚性结构快速优化设计方法


[0001]本专利技术涉及材料设计
，具体为一种轻质电池包托盘高刚性结构快速优化设计方法。

技术介绍

[0002]目前，轻质材料主要包含钛合金、镁合金、铝合金和塑料等，使用该类材料替代笨重的钢铁材料已成为各行各业实现其产品轻量化的主要手段。对于任意结构的零部件，采用更加轻质的材料后，与原结构材质相比，均面临着刚度低下的问题。提高零部件的刚度，通常可以用加厚和使用加强筋等加强结构的方式来弥补。厚度变化具有简单易实施的特点，广大工程技术人员均不需要进行连续的反复迭代修改就能确定，但很难得出最优方案。而设计加强筋等加强结构主要是依靠工程技术人员的工程经验，以及搭配传统商业软件中的拓扑优化功能。
[0003]新能源汽车电池包行业发展潜力巨大，需求快速增长，未来趋势前景大好。在安装、拆卸、存储和运输电池包时，通常需要使用电池包托盘作为中间件以供叉车作业，电池包托盘市场需求巨大。在节能减排的社会需求下，电池包托盘亟需兼具成本低下、重量轻以良好的可靠耐久性能，使用轻质材料是必然选择。但当电池包托盘使用更加轻质材料时，由于材料的弹性模量急剧下降，导致其结构的刚度低下，直接致使托盘在承载电池包时发生大变形失效。且一旦托盘变形严重，电池包还很难从托盘上取出搬运。此外，各类结构的外形往往是复杂的，就如何针对复杂的零部件外形，快速的得到一种高刚性结构，以减少CAD/CAE设计开发时长，当前也还缺乏一套系统性的优化设计方法。

技术实现思路

[0004]针对以上问题，本专利技术提供了一种轻质电池包托盘高刚性结构快速优化设计方法。
[0005]根据本专利技术的目的，本专利技术提供一种轻质电池包托盘高刚性结构快速优化设计方法，包括如下步骤：
[0006]S1：绘制零件的二维外形边框曲线，并保留设计阈和非设计阈的边界，存储为初始图片，文件格式为.jpg；
[0007]S2：提取初始图片，进行填充编辑，筛选出连接域、固定域以及设计域，连接域填充黄色，固定域填充红色、设计域填充绿色，存储为初始优化图片，文件格式为.jpg；
[0008]S3：提取初始优化图片导入matlab软件，进行图像识别，获取二维的连接域像素矩阵E
y
(i,j)、固定阈像素矩阵E
r
(i,j)以及设计阈像素矩阵E
g
(i,j)；
[0009]S4：基于上述像素矩阵E
y
(i,j)、E
r
(i,j)及E
g
(i,j)，逐个进行0或1判断，若E
y
(i,j)和E
r
(i,j)的像素矩阵在某单元([m],[n])下的值为0，将该单元的密度初始值x([m],[n])的设为0.0001，其中1≤[m]≤i
max
、1≤[n]≤j
max
；否则，x([m],[n])的初始值设为ρ，其中ρ为常数，在0.3至0.8间取值；
[0010]S5：计算初始灵敏度值，为得到高质量优化结果，灵敏度函数设置为min f＝w1f
s
/max(f
s
)+w2f
z
/max(f
z
)+w3f
c
/max(f
c
)，
[0011]其中w1、w2、w3分别为刚度加权系数、尺寸约束加权系数和连通性加权系数，f
s
、f
z
、f
c
分别为刚度目标函数、尺寸约束目标函数和连通性目标函数；约束条件设置为其中，v([m],[n])为某单元体积，为i
max
×
j
max
个单元的总体积；
[0012]S6：基于SIMP法，进行优化设计，获得新的单元密度值x([m],[n])，若不符合SIMP法的收敛性条件，输出当前优化图片，存储文件格式为.jpg，返回S3；否则，优化设计完成，输出最优设计结果。
[0013]进一步地，S5中，刚度目标函数f
s
为：
[0014][0015]式中，p代表刚度惩罚因子，取3；U代表设计阈内各节点的挠度矩阵；K
e
代表设计阈内各节点的刚度矩阵。
[0016]进一步地，S5中，尺寸约束目标函数f
z
为：
[0017][0018]式中，floor代表向下取整函数；r
min
代表过滤半径；ξ代表某单元附近的中等密度单元往大密度单元靠近的程度；A([m],[n])代表每个单元的面积；μ代表每个单元的最大体积分数，取值在0～1之间。
[0019]进一步地，S5中，连通性目标函数f
c
为：
[0020][0021]式中，S代表某单元附近的各个单元的连通程度；K
s
代表连通性的单元矩阵。
[0022]进一步地，S3中，进行图像识别时，第一个迭代步，即初始黄、红、绿图片的识别算法的RGB取值分别为
[0023]R(i,j)＝225；G(i,j)＝225；B(i,j)＝0、R(i,j)＝225；G(i,j)＝0；B(i,j)＝0和R(i,j)＝0；G(i,j)＝225；B(i,j)＝0；之后迭代步，即当前优化图片的识别算法的RGB取值均分别为R(i,j)＝225；G(i,j)＝225；B(i,j)＝225和R(i,j)＝0；G(i,j)＝0；B(i,j)＝0。
[0024]本专利技术的有益效果是：
[0025]本专利技术通过提取初始三维结构的二维外形边框曲线图片，对其进行图像识别，以完成连接域、固定域以及设计域的单元密度设计；在上述基础上，综合加权刚度目标函数、尺寸约束目标函数和连通性目标函数来组成灵敏度函数，再基于传统SIMP法，以每一迭代步下的优化图片作为闭环对目标零部件的结构进行快速优化设计，以得到高刚性、低质量
的优化结果。本专利技术方法简单，优化过程高效高质，系统性强，可适用于任意复杂外形的零部件，能够得到最优的以及材料利用率最高的结构。
附图说明
[0026]图1是本专利技术实施例的流程图；
[0027]图2为本专利技术的实施例的二维外形边框曲线图片。
[0028]图3为本专利技术的实施例的优化图片。
[0029]图4为本专利技术的实施例进行50个迭代步后的快速优化设计结果。
[0030]图5为本专利技术的实施例的高刚性轻质电池包托盘的1/4三维正视图。
[0031]图6为本专利技术的实施例的高刚性轻质电池包托盘1/4三维正视图的半剖图。
[0032]图7为本专利技术的实施例的高刚性轻质电池包托盘1/4三维俯视图。
具体实施方式
[0033]下面将结合本专利技术实施例，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种轻质电池包托盘高刚性结构快速优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：绘制零件的二维外形边框曲线，并保留设计阈和非设计阈的边界，存储为初始图片，文件格式为.jpg；S2：提取初始图片，进行填充编辑，筛选出连接域、固定域以及设计域，连接域填充黄色，固定域填充红色、设计域填充绿色，存储为初始优化图片，文件格式为.jpg；S3：提取初始优化图片导入matlab软件，进行图像识别，获取二维的连接域像素矩阵E
y
(i,j)、固定阈像素矩阵E
r
(i,j)以及设计阈像素矩阵E
g
(i,j)；S4：基于上述像素矩阵E
y
(i,j)、E
r
(i,j)及E
g
(i,j)，逐个进行0或1判断，若E
y
(i,j)和E
r
(i,j)的像素矩阵在某单元([m],[n])下的值为0，将该单元的密度初始值x([m],[n])的设为0.0001，其中1≤[m]≤i
max
、1≤[n]≤j
max
；否则，x([m],[n])的初始值设为ρ，其中ρ为常数，在0.3至0.8间取值；S5：计算初始灵敏度值，为得到高质量优化结果，灵敏度函数设置为min f＝w1f
s
/max(f
s
)+w2f
z
/max(f
z
)+w3f
c
/max(f
c
)，其中w1、w2、w3分别为刚度加权系数、尺寸约束加权系数和连通性加权系数，f
s
、f
z
、f
c
分别为刚度目标函数、尺寸约束目标函数和连通性目标函数；约束条件设置为其中，v([m],[n])为...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐世伟，林森，蒋彬辉，高德俊，肖志，肖培杰，袁秋奇，杨杰，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：