车辆电动化与智能化进程中的轻量化设计——挑战、路径与方法_雷飞_9787568081603

本书从新能源汽车和智能网联汽车的典型特征出发，分析车辆在电动化和智能化进程中面临的新的设计问题；以节能、安全和高效为目标，从系统角度阐述轻量化的内涵，对机械领域、电气领域、能源领域、智能控制领域的相关问题进行分析。本书具体内容包括复杂物理系统的分析与设计、面向智能系统的广义轻量化、电驱动系统轻量化设计方法、车辆结构轻量化设计方法等。本书可为电动汽车和智能汽车的物理系统轻量化设计提供参考。

春秋战国时期，对车辆设计就已有较为详细的记载，《周礼·考工记》中记述了车舆的材料选用、制作方法和检验标准等，涉及数学、力学等方面的知识和经验总结。车战是春秋战国时期的主要作战方式之一，明末科学家宋应星在《天工开物》中记载凡车利行平地，古者秦、晋、燕、齐之交，列国战争必用车，故千乘、万乘之号起自战争国。战车数量反映了当时各国的综合军事实力。统一的选材、制作和检验标准推动了早期车辆的发展，实现了大规模手工制造的质量一致性控制。在此后漫长的历史进程中，车辆制造技术得到了进一步发展，逐渐应用于各个领域。随着第一次工业革命的深入和能源革命的兴起，车辆的动力系统转变为以化石燃料为能量来源的内燃机，这种不依靠外力实现自我驱动的车辆被称为汽车（automotive vehicle）。进入现代社会后，金属材料提高了汽车车身和底盘结构的强度和耐久性，流水线和精益生产方式推动了生产效率和品质的提升。现今，我国的汽车产销量已经连续多年位列世界首位，万乘已不足以描述汽车产业在我国的发展盛况。汽车产业的快速发展伴随的是其对化石能源依赖程度的逐步提高。节约能源和减少碳排放已成为全球共识。对于常规燃油汽车，轻量化是实现节能减排的重要途径。在对车辆结构部件减重的过程中，使用轻质材料、拓扑优化、结构优化等成为常用的轻量化手段，在工业界得到大量的应用，取得了良好的轻量化效果。工业革命和能源革命持续推动汽车产业向绿色低碳的方向发展，电动化和智能化为汽车产业的发展提供了新的机遇。以机械系统为主要组成的常规燃油车辆正在向以电子电气系统和信息物理系统为主要组成的智能电动车辆转变。常规燃油车辆使用的结构轻量化设计方法虽可以解决智能电动车辆节能减排过程中的一部分结构设计问题，却难以解决与电动化和智能化特征相关的系统设计问题。本书将从系统的角度讨论车辆电动化和智能化进程中面向节能减排的设计问题。系统思维是本书区别于结构轻量化著作的显著特征。书中内容包括复杂物理系统的分析与设计、面向智能系统的广义轻量化、电动系统轻量化设计、结构轻量化设计等。目前汽车技术尚处于电动化和智能化进程的初级阶段，更多的设计理念、设计方法和产品形态有待进一步发展。由于著者的水平和实践经验有限，加之本书中的电动化和智能化设计技术是面向系统的设计分析技术，不妥之处在所难免，敬请读者批评指正。著者2021年11月

第1章绪论1

1.1车辆轻量化2

1.2车辆电动化对轻量化设计的影响3

1.3车辆智能化对轻量化设计的影响5

1.4结构轻量化6

1.5材料的轻量化潜力7

1.6轻量化结构的制造和连接问题8

1.7智能电动车辆轻量化设计的本质问题9

第2章复杂物理系统分析与设计方法11

2.1智能电动车辆物理系统架构11

2.1.1智能电动车辆子系统划分11

2.1.2智能电动车辆各子系统组成14

2.2物理系统架构与功能实现方式14

2.3复杂物理系统的描述方法15

2.3.1基于物理的模型16

2.3.2数值模型16

2.3.3数据驱动的模型17

2.3.4复杂物理系统各类模型之间的相互关系17

2.4复杂物理系统的轻量化18

2.4.1轻量化体系的构成18

2.4.2轻量化体系框图20

2.5本章小结20

本章参考文献21

第3章与电动化和智能化相关的若干关键问题22

3.1电动汽车碰撞后起火问题22

3.1.1研究的现实意义23

3.1.2现有研究成果及进展24

3.1.3研究的难点与挑战27

3.2电动汽车碰撞后起火的研究路径与预测方法28

3.2.1碰撞后起火研究的目标28

3.2.2碰撞后起火研究的关键内容28

3.2.3碰撞后起火过程中的关键科学问题32

3.2.4碰撞后起火的研究框架33

3.2.5研究方法分析及技术路线34

3.2.6碰撞后起火研究的科学意义35

3.3无人系统的状态失效问题36

3.3.1无人系统状态失效的特征37

3.3.2现有研究成果及进展38

3.3.3无人系统状态失效研究的难点与挑战42

3.4面向状态失效的无人系统数字孪生架构与预测43

3.4.1无人系统数字孪生的研究内容43

3.4.2研究中的关键科学问题47

3.4.3数字孪生与失效研究框架48

3.4.4研究方法建议与技术路线49

3.4.5无人系统状态失效研究的科学意义与贡献50

3.5本章小结51

本章参考文献51

第4章智能化与广义轻量化53

4.1车辆智能化特征与系统分析54

4.1.1智能车辆物理系统设计54

4.1.2智能车辆的功能对轻量化的影响56

4.2智能车辆物理系统的轻量化设计57

4.3智能系统能耗与轻量化59

4.3.1车辆智能化等级59

4.3.2智能系统能耗情况60

4.4车辆驱动决策与智慧交通系统协同规划61

4.4.1交通拥堵与能源消耗61

4.4.2交通状态预测的关键问题62

4.4.3驱动与交通协同优化的可行方法与路径64

4.5基于大数据的动态交通状态预测65

4.5.1智能交通预测的总体思路65

4.5.2交通数据获取及预处理66

4.5.3基于智能算法的交通预测模型构建69

4.5.4不同已知条件下的交通信息预测对比73

4.6智能车辆主动安全系统集成设计75

4.6.1主动安全系统功能分析76

4.6.2主动安全系统设计78

4.6.3主动安全系统分层控制器设计81

4.6.4讨论与分析84

4.7本章小结89

本章参考文献90

第5章电驱动系统轻量化设计91

5.1电动系统轻量化设计的三个层级91

5.1.1物理部件的设计92

5.1.2子系统集成与一体化92

5.1.3动力系统匹配优化93

5.2一种轻量化高效率车用轮毂电机设计94

5.2.1设计需求分解与设计方法选择95

5.2.2电机运行高频区与高效区96

5.2.3电磁方案及本体设计参数100

5.2.4电机本体初始电磁方案设计102

5.2.5基于组合代理模型的轮毂电机优化103

5.3一种电机控制器传热学反问题的求解方法108

5.3.1问题描述108

5.3.2反馈模糊推理算法109

5.3.3基于分散模糊推理的设计方法112

5.4一种高可靠性低成本轻量化电池箱体设计116

5.5本章小结119

本章参考文献119

第6章车辆结构轻量化设计的基本方法120

6.1结构轻量化基本思想120

6.2材料结构性能的关系指标122

6.2.1结构件122

6.2.2板件125

6.3多工况条件下非参数化结构设计方法125

6.3.1工程问题描述126

6.3.2工况分析127

6.3.3涵盖多工况条件的综合目标函数128

6.3.4基于最优化方法的各工况权重比确定129

6.3.5优化方法与求解过程130

6.3.6多工况拓扑优化的计算结果及分析132

6.4结构优化设计的一般流程133

6.5多工况条件下可参数化结构设计方法138

6.5.1车辆正面碰撞的多工况问题138

6.5.2单工况条件下的耐撞性优化139

6.5.3基于正面碰撞及偏置碰撞的结构耐撞性优化方法141

6.5.4耦合工况的设计变量选取142

6.5.5构建代理模型144

6.5.6耐撞性结构优化设计146

6.6本章小结148

本章参考文献148

第7章多材料轻量化设计方法150

7.1多材料混合轻量化设计途径150

7.2车辆正面碰撞性能约束下多材料结构低成本轻量化151

7.2.1正面碰撞的基本要求151

7.2.2设计总体流程152

7.2.3模型及有效性验证153

7.2.4基于析因设计的设计变量选取154

7.2.5基于准则的材料替换及设计初值确定156

7.2.6优化模型的建立及求解157

7.3车辆侧面碰撞性能约束下多材料结构低成本轻量化160

7.3.1侧面碰撞的基本要求161

7.3.2流程与方法161

7.3.3碰撞模型建立与验证162

7.3.4设计变量选择164

7.3.5材料选型与成本165

7.3.6轻量化模型建立及求解166

7.4成本和性能约束条件下的多材料选型轻量化170

7.4.1考虑顶压与侧碰安全性的车身B柱结构轻量化设计要求171

7.4.2成本和性能约束下B柱结构轻量化方案173

7.4.3设计变量与优化目标175

7.4.4优化结果与分析175

7.5以结构性能提升为目标的多材料选型优化设计177

7.5.1车顶结构耐撞性要求177

7.5.2结构性能优化设计流程178

7.5.3设计变量与优化问题179

7.5.4优化结果与分析182

7.6本章小结183

本章参考文献184

第8章与材料和制造工艺相关的设计185

8.1材料结构工艺一体轻量化的基本原理185

8.1.1复合材料结构的设计问题185

8.1.2复合材料的一体化设计原则187

8.1.3复合材料一体化设计研究途径188

8.1.4复合材料一体化设计方案189

8.2等厚度碳纤维结构设计190

8.2.1悬架控制臂的基本设计要求191

8.2.2复合材料悬架控制臂方案193

8.2.3复合材料控制臂结构设计194

8.3变厚度变截面碳纤维结构设计198

8.3.1削层结构及变厚度实现199

8.3.2削层结构的力学基础199

8.3.3B柱结构削层区域设计201

8.3.4削层结构优化方法204

8.4考虑制造工艺的纤维复合材料结构分级分区设计208

8.4.1复合材料车轮结构209

8.4.2基于自由尺寸优化的碳纤维轮辋结构分区211

8.4.3结构分区内不同铺层方向纤维占比213

8.4.4碳纤维轮辋各分区厚度优化215

8.4.5碳纤维复合材料铺层顺序217

8.4.6结果分析219

8.5本章小结220

本章参考文献220

第1章绪论1

1.1车辆轻量化2

1.2车辆电动化对轻量化设计的影响3

1.3车辆智能化对轻量化设计的影响5

1.4结构轻量化6

1.5材料的轻量化潜力7

1.6轻量化结构的制造和连接问题8

1.7智能电动车辆轻量化设计的本质问题9

第2章复杂物理系统分析与设计方法11

2.1智能电动车辆物理系统架构11

2.1.1智能电动车辆子系统划分11

2.1.2智能电动车辆各子系统组成14

2.2物理系统架构与功能实现方式14

2.3复杂物理系统的描述方法15

2.3.1基于物理的模型16

2.3.2数值模型16

2.3.3数据驱动的模型17

2.3.4复杂物理系统各类模型之间的相互关系17

2.4复杂物理系统的轻量化18

2.4.1轻量化体系的构成18

2.4.2轻量化体系框图20

2.5小结20

参考文献21

第3章与电动化和智能化相关的若干关键问题22

3.1电动汽车碰撞后起火问题22

3.1.1研究的现实意义23

3.1.2现有研究成果及进展24

3.1.3研究的难点与挑战27

3.2电动汽车碰撞后起火的研究路径与预测方法28

3.2.1碰撞后起火研究的目标28

3.2.2碰撞后起火研究的关键内容28

3.2.3碰撞后起火过程中的关键科学问题32

3.2.4碰撞后起火的研究框架32

3.2.5研究方法分析及技术路线34

3.2.6碰撞后起火研究的科学意义与贡献35

3.3无人系统的状态失效问题36

3.3.1无人系统状态失效的特征37

3.3.2现有研究成果及进展38

3.3.3无人系统状态失效研究的难点与挑战42

3.4面向状态失效的无人系统数字孪生架构与预测43

3.4.1无人系统数字孪生的研究内容43

3.4.2研究中的关键科学问题47

3.4.3数字孪生与失效研究框架48

3.4.4研究方法建议与技术路线49

3.4.5无人系统状态失效研究的科学意义与贡献50

3.5小结51

参考文献51

第4章智能化与广义轻量化53

4.1车辆智能化特征与系统分析54

4.1.1智能车辆物理系统设计54

4.1.2智能车辆的功能对轻量化的影响56

4.2智能车辆物理系统的轻量化设计57

4.3智能系统能耗与轻量化59

4.3.1车辆智能化等级59

4.3.2智能系统能耗情况60

4.4车辆驱动决策与智慧交通系统协同规划61

4.4.1交通拥堵与能源消耗61

4.4.2交通状态预测的关键问题62

4.4.3驱动与交通协同优化的可行方法与路径64

4.5基于大数据的动态交通状态预测65

4.5.1智能交通预测的总体思路65

4.5.2交通数据获取及预处理66

4.5.3基于智能算法的交通预测模型构建69

4.5.4不同已知条件下的交通信息预测对比73

4.6智能车辆主动安全系统集成设计75

4.6.1主动安全系统功能分析76

4.6.2主动安全系统设计78

4.6.3主动安全系统分层控制器设计81

4.6.4讨论与分析84

4.7小结88

参考文献89

第5章电动系统轻量化设计90

5.1电驱动系统轻量化设计的三个层级90

5.1.1物理部件的设计91

5.1.2子系统集成与一体化91

5.1.3动力系统匹配优化92

5.2一种轻量化高效率车用轮毂电机设计93

5.2.1设计需求分解与设计方法选择94

5.2.2电机运行高频区与高效区95

5.2.3电磁方案及本体设计参数99

5.2.4电机本体初始电磁方案设计101

5.2.5基于组合代理模型轮毂电机优化102

5.3一种电机控制器传热学反问题的求解方法107

5.3.1问题描述107

5.3.2反馈-模糊推理算法108

5.3.3基于分散模糊推理的设计方法111

5.4一种高可靠低成本轻量化电池箱体设计115

5.5小结118

参考文献118

第6章车辆结构轻量化设计的基本方法120

6.1结构轻量化基本思想120

6.2材料结构性能的关系指标122

6.2.1结构件122

6.2.2板件125

6.3多工况条件下非参数化结构设计方法126

6.3.1工程问题描述126

6.3.2工况分析127

6.3.3涵盖多工况条件的综合目标函数128

6.3.4基于最优化方法的各工况权重比确定129

6.3.5优化方法与求解过程130

6.3.6多工况拓扑优化的计算结果及分析132

6.4结构优化设计的一般流程133

6.5多工况条件下可参数化结构设计方法138

6.5.1车辆正面碰撞的多工况问题138

6.5.2单工况条件下的耐撞性优化139

6.5.3基于正碰及偏置碰的结构耐撞性优化方法141

6.5.4耦合工况的设计变量选取143

6.5.5构建代理模型144

6.5.6耐撞性结构优化设计146

6.6小结148

参考文献148

第7章多材料轻量化设计方法150

7.1多材料混合轻量化设计途径150

7.2车辆正面碰撞性能约束下多材料结构低成本轻量化151

7.2.1正面碰撞的基本要求151

7.2.2设计总体流程152

7.2.3模型及有效性验证153

7.2.4基于析因设计的设计变量选取154

7.2.5基于准则的材料替换及设计初值确定156

7.2.6优化模型的建立及求解157

7.3车辆侧面碰撞性能约束下多材料结构低成本轻量化160

7.3.1侧面碰撞的基本要求161

7.3.2流程与方法161

7.3.3碰撞模型建立与验证162

7.3.4设计变量选择164

7.3.5材料选型与成本165

7.3.6轻量化模型建立及求解166

7.4成本和性能约束条件下的多材料选型轻量化170

7.4.1考虑顶压与侧碰安全性的车身B柱结构轻量化设计要求171

7.4.2成本和性能约束下B柱结构轻量化方案173

7.4.3设计变量与优化目标175

7.4.4轻量化及结果分析176

7.5以结构性能提升为目标的多材料选型优化设计177

7.5.1车顶结构耐撞性要求177

7.5.2结构性能优化设计流程179

7.5.3设计变量与优化问题180

7.5.4优化结果与分析182

7.6小结183

参考文献184

第8章与材料和制造工艺相关的设计185

8.1材料结构工艺一体轻量化的基本原理185

8.1.1复合材料结构的设计问题185

8.1.2复合材料的一体化设计原则187

8.1.3复合材料一体化设计研究途径188

8.1.4复合材料一体化设计方案189

8.2等厚度碳纤维结构件设计190

8.2.1悬架控制臂的基本设计要求191

8.2.2复合材料悬架控制臂方案193

8.2.3复合材料控制臂结构设计194

8.3变厚度变截面碳纤维结构设计198

8.3.1削层结构及变厚度实现199

8.3.2削层结构的力学基础199

8.3.3B柱结构削层区域设计201

8.3.4削层结构优化方法204

8.4考虑制造工艺的纤维复合材料结构分级分区设计方法208

8.4.1复合材料车轮结构209

8.4.2基于自由尺寸优化的碳纤维轮辋结构分区211

8.4.3结构分区内不同铺层方向纤维占比213

8.4.4碳纤维轮辋各分区厚度优化215

8.4.5碳纤维复合材料铺层顺序217

8.4.6结果分析219

8.5小结220

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