一种电动车底盘焊缝布局可靠性优化方法技术

本发明专利技术公开了一种电动车底盘焊缝布局可靠性优化方法，涉及电动车底盘结构设计制造一体化领域，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：设计条件与优化参数初始化；步骤2：单元密度插值建模；步骤3：结构全局应力约束建模；步骤4：焊接过程热变形约束建模；步骤5：拓扑优化建模；步骤6：设计响应求解；步骤7：灵敏度分析；步骤8：优化求解；步骤9：判断收敛条件；步骤10：优化结果后处理。本发明专利技术实现了底盘车架与焊缝布局的协同优化，在考虑整体结构应力分布以及焊接热变形的情况下，获得了轻质且满足承载安全等可靠性要求的优化构型，有利于降低废品率，提升量产效率，可以减少设计迭代次数，缩短开发周期，降低开发成本。降低开发成本。降低开发成本。

【技术实现步骤摘要】
一种电动车底盘焊缝布局可靠性优化方法


[0001]本专利技术涉及电动车底盘结构设计制造一体化领域，尤其涉及一种电动车底盘焊缝布局可靠性优化方法。

技术介绍

[0002]随着能源环保问题日益突出，电动汽车因其低污染、低噪声优势，正逐渐受到消费者青睐。当前电动汽车制造商大多采用“纯电动开发”模式，即根据三电系统(电机、电池、电控)外形特点开发车身结构。电池包通过挂载装置连接到车身上，而“挂载式”电池包仅为保护电芯设计，对整车承载性能的贡献程度有限，却占据着接近30％的整备重量，严重制约着电动汽车续航里程的进一步提升，电动汽车结构轻量化一直是行业痛点问题。
[0003]相较于“挂载式”电池包，近期兴起的滑板式底盘提倡一种全新的开发模式，即电池包与底盘一体化设计。其开发思路为：设计可直接安装电芯单元的底盘车架结构，电芯作为车架结构的一部分参与承载，这一思路有望进一步提升底盘结构的服役性能与轻量化程度，有利于提升电芯装载容量、增加电动汽车续航里程。这要求全新的底盘车架既能够为电芯提供足够强的防护，又要保证整车的承载安全性能，因而滑板式底盘车架比传统底盘结构拥有更多、更复杂的交叉横纵加强梁结构形式，需要经历更多的焊接工序完成底盘装配连接，给电动汽车底盘结构制造质量把控提出了新的要求。开发人员应该在设计阶段考虑焊接过程产生的局部强度衰减与局部热变形，最大限度保证底盘结构的实际形性符合设计预期，以确保产品高质量制造，提升装配精度与生产效率。
[0004]为了确保焊缝强度、焊接热变形满足设计预期与装配要求，传统方法是在初代设计的基础上，开展底盘车架结构焊接实验，测量焊接热变形，并开展拉剪力学性能测试，确定焊缝实际强度，根据实际装配精度限制与力学性能需求，修改设计方案或改进激光功率、焊接顺序等工艺参数。这种方法依赖工程经验，无法充分保证结构承载安全性能与制造精度，开发周期长、成本高且结构可靠性差。当前“基于工程经验试错，反复优化迭代”的底盘车架结构焊缝布局优化方法，既无法确保电动汽车底盘车架结构设计强度符合安全要求，也难以把控结构焊接过程中的热变形，导致电动汽车底盘平台开发周期长、制造成本高，结构承载安全性能与轻量化程度有待进一步提升，可靠性较差。
[0005]因此，针对现有技术开发周期长、设计成本高的问题，本领域的技术人员致力于开发一种电动车底盘焊缝布局可靠性优化方法，实现底盘车架与焊缝布局的协同优化，在考虑整体结构应力分布以及焊接热变形的情况下，获得轻质且满足承载安全等可靠性要求的优化构型。

技术实现思路

[0006]有鉴于现有技术的上述缺陷，本专利技术所要解决的技术问题是实现电动车底盘车架与焊缝布局的协同优化，在考虑整体结构应力分布以及焊接热变形的情况下，获得轻质且满足承载安全等可靠性要求的优化构型。
[0007]为实现上述目的，本专利技术提供了一种电动车底盘焊缝布局可靠性优化方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
[0008]步骤1、设计条件与优化参数初始化，定义设计域及非设计域、载荷及边界条件，建立有限元模型，初始化参数及设计变量；
[0009]步骤2、建立车架与焊缝布局密度及刚度的参数化模型；
[0010]步骤3、建立结构全局应力约束模型；
[0011]步骤4、建立焊接过程热变形约束模型；
[0012]步骤5、拓扑优化建模，建立电动车底盘焊缝布局拓扑优化模型，确定目标函数和约束函数，所述目标函数为最小化结构柔度，所述约束函数包括结构整体质量约束函数、结构全局应力约束函数以及焊接过程热变形约束函数；
[0013]步骤6、求解所述有限元模型，获得各设计响应；
[0014]步骤7、所述目标函数及所述约束函数的灵敏度分析；
[0015]步骤8、优化求解，求解所述电动车底盘焊缝布局拓扑优化模型，更新所述设计变量；
[0016]步骤9、判断收敛条件，若所述收敛条件不满足，重复所述步骤5至所述步骤8，直至满足所述收敛条件。
[0017]进一步地，在所述步骤1中，所述设计域为所述电动车的底盘车架结构，所述非设计域为所述电动车的电芯、电机。
[0018]进一步地，在所述步骤2中，所述车架与焊缝布局密度及刚度的参数化模型采用单元密度插值建模，所述设计变量设置为2个，所述步骤2还包括：
[0019]步骤2.1、基于密度过滤公式及Heaviside投影格式，运用两步过滤法并求差将2个所述设计变量分别转化为基区密度场、第一分区密度场与第二分区密度场；依次使用几何平均数与投影将所述第一分区密度场与所述第二分区密度场转化为焊缝结构，由所述基区密度场和所述焊缝结构的密度场构建单元密度的统一表达公式；
[0020]步骤2.2、采用具有惩罚的实体各向同性材料方法(SIMP)，建立所述车架与焊缝布局密度及刚度的参数化模型，将单元密度插值集成于有限元分析中。
[0021]进一步地，在所述步骤3中，所述结构全局应力约束模型为以单元高斯积分点为基准、基于p范数法构建的结构全局应力约束。
[0022]进一步地，所述步骤4还包括基于固有应变法建立焊接过程仿真模型，所述焊接过程热变形约束模型为以p范数为基础构建的焊接过程热变形约束。
[0023]进一步地，所述步骤6还包括，基于当前优化迭代步下的结构密度信息，通过求解所述有限元模型和所述焊接过程仿真模型，分别获得服役工况下结构变形、应力以及结构焊接热变形，进而计算出结构柔度、所述结构整体质量约束、所述结构全局应力约束以及所述焊接过程热变形约束。
[0024]进一步地，在所述步骤7中，所述灵敏度分析是指基于链式法则推导所述目标函数及所述约束函数对所述设计变量的灵敏度公式，并求解每一优化迭代步下的灵敏度值。
[0025]进一步地，在所述步骤8中，求解所述电动车底盘焊缝布局拓扑优化模型采用的是移动渐近线算法(MMA)。
[0026]进一步地，在所述步骤9中，所述收敛条件是指所述目标函数的变化率在当前5个
迭代步内低于0.2％，且Heaviside函数的投影锐度随着优化迭代达到预设的最大值。
[0027]进一步地，所述电动车底盘焊缝布局可靠性优化方法还包括：
[0028]步骤10、优化结果后处理，基于投影二分法，保留优化结果中伪密度值大于0.5的单元，形成清晰的优化结果。
[0029]采用上述技术方案进行底盘车架与焊缝布局协同优化的优势在于：
[0030]1、本专利技术在电动车底盘焊缝布局拓扑优化模型中加入了应力约束，获得满足结构承载安全性能的结构，提高结构的承载可靠性，能够在设计阶段确保焊接强度满足要求，保证了优化结构的承载安全性。
[0031]2、本专利技术将焊接热变形约束集成在焊缝布局拓扑优化模型中，在设计阶段把控焊接热变形，能够控制优化结果的热变形，提高结构的装配可靠性，避免因结构热变形过大导致无法顺利装配的情况，有利于降低废品率，提升量产效率。
[0032]3、本专利技术可实现底盘车架与焊缝布局协同设计，减少设计迭代次数，缩本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电动车底盘焊缝布局可靠性优化方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤1、设计条件与优化参数初始化，定义设计域及非设计域、载荷及边界条件，建立有限元模型，初始化参数及设计变量；步骤2、建立车架与焊缝布局密度及刚度的参数化模型；步骤3、建立结构全局应力约束模型；步骤4、建立焊接过程热变形约束模型；步骤5、拓扑优化建模，建立电动车底盘焊缝布局拓扑优化模型，确定目标函数和约束函数，所述目标函数为最小化结构柔度，所述约束函数包括结构整体质量约束函数、结构全局应力约束函数以及焊接过程热变形约束函数；步骤6、求解所述有限元模型，获得各设计响应；步骤7、所述目标函数及所述约束函数的灵敏度分析；步骤8、优化求解，求解所述电动车底盘焊缝布局拓扑优化模型，更新所述设计变量；步骤9、判断收敛条件，若所述收敛条件不满足，重复所述步骤5至所述步骤8，直至满足所述收敛条件。2.如权利要求1所述的一种电动车底盘焊缝布局可靠性优化方法，其特征在于，在所述步骤1中，所述设计域为所述电动车的底盘车架结构，所述非设计域为所述电动车的电芯、电机。3.如权利要求1所述的一种电动车底盘焊缝布局可靠性优化方法，其特征在于，在所述步骤2中，所述车架与焊缝布局密度及刚度的参数化模型采用单元密度插值建模，所述设计变量设置为2个，所述步骤2还包括：步骤2.1、基于密度过滤公式及Heaviside投影格式，运用两步过滤法并求差将2个所述设计变量分别转化为基区密度场、第一分区密度场与第二分区密度场；依次使用几何平均数与投影将所述第一分区密度场与所述第二分区密度场转化为焊缝结构，由所述基区密度场和所述焊缝结构的密度场构建单元密度的统一表达公式；步骤2.2、采用具有惩罚的实体各向同性材料方法(SIMP)，建立所述车架与焊缝布局密度及刚度的参数化模型，将单元密度插值...

【专利技术属性】
技术研发人员：周明东，陆宇帆，王辰，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：