基于扭转刚度的电池包与车身集成设计研究

doi:10.19562/j.chinasae.qcgc.2023.ep.003

摘要/Abstract

摘要：

白车身扭转刚度是承载式车身的重要力学性能指标，对整车操稳性有着直接的影响，同时也是衡量车身轻量化水平的重要指标。由于新一代的纯电车身与传统车身有较大的结构框架差异，因此在车身设计初期，以提升扭转刚度为目标重新定义传力路径。本文基于理论分析及拓扑优化的方法找寻车身扭转刚度的最佳传力路径，通过电池包与车身的集成设计，使得车身形成多个近似圆环状的封闭结构。在车身没有增加额外质量的前提下，白车身扭转刚度可达到40 000 N·m/（°），车身轻量化系数达到1.75，做到纯电车的领先水平，同时使得整车操稳性能也大幅提升。

关键词: 扭转刚度, 整车操稳性, 环状结构, 拓扑优化, CTB

Abstract:

The torsional stiffness of the body-in-white is an important mechanical performance index of the load-bearing body， which has a direct impact on the handling stability of the vehicle， and is also an important index to evaluate the lightweight level of the body. Since the new generation of pure electric body has a large structural frame difference from the traditional body， in the early stage of body design， the force transmission path is redefined with the goal of improving torsional stiffness. In this paper， based on theoretical analysis and topology optimization， the optimal force transmission path of the torsional stiffness of the body is found. Through the integrated design of the battery pack and the body， the body forms a plurality of closed structures that are close to a circular ring. On the premise of no extra weight adding to the car body t， the torsional stiffness of the body-in-white can reach 40，000 N·m/（°）， and the lightweight coefficient of the body can reach 1.75， achieving the leading level of pure electric vehicles， and at the same time greatly improving the handling stability of the vehicle.

Key words: torsional stiffness, the handling stability of vehicle, cyclic structure, topology optimization, cell to body

廉玉波,衣本钢,崔营营,田洪生,闫军飞,程晨. 基于扭转刚度的电池包与车身集成设计研究[J]. 汽车工程, 2023, 45(4): 647-653.

Yubo Lian,Bengang Yi,Yingying Cui,Hongsheng Tian,Junfei Yan,Chen Cheng. Research on Integrated Design of Battery Pack and Car Body Based on Torsional Stiffness[J]. Automotive Engineering, 2023, 45(4): 647-653.

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参考文献 12

1	仇彬. 轿车白车身扭转刚度分析及结构优化设计［D］. 合肥：合肥工业大学， 2007.
	CHOU B. Torsional stiffness analysis and structural optimization design of white car body［D］. Hefei： Hefei University of Technology， 2007.
2	MENGY M， LINAG Y. Research on torsional property of body-in-white based on square box model and multiobjective genetic algorithm［J］. Mathematical Problems in Engineering， 2021， 2021（41）： 1-13.
3	LI S Q， FENG X Y. Study of structural optimization design on a certain vehicle body-in white based on static performance and modal analysis［J］. Mechanical Systems and Signal Processing，2020， 135： 106405.
4	何莉芳，张晓春，张东升. 白车身扭转刚度提升方法的探讨［C］. 中国汽车工程学会年会论文集，2020：1393.
	HE L F， ZHAGN X C， ZHANG D S. Discussion on the method of improving the torsional of body in white［C］. Proceedings of the Annual Meeting of the Chinese Society of Automotive Engineering， 2020：1393.
5	李广，闫跃奇，马帅帅. 基于隐式参数化的白车身扭转刚度提升［J］. 汽车零部件， 2020（3）.
	LI G， YAN Y Q， MA S S， Improvement of torsional stiffness of body in white based on implicit parameterization［J］. Automobile Parts， 2020（3）.
6	赵常虎，余海东，郭永进. 影响轿车白车身扭转刚度的关键结构研究［J］. 机械设计， 2007， 24（8）：66-68.
	ZHAO C H， YU H D， GUO Y J. Study on key structures affecting torsional stiffness of white car body［J］， Mechanical Project， 2007， 24（8）：66-68.
7	罗伟，周定陆. 白车身扭转刚度分析与优化［J］. 计算机辅助工程. 2006（15）：222-224.
	LUO W， ZHOU D L. Torsional stiffness analysis and optimization of white car body［J］. Computer Aided Engineering， 2006（15）：222-224.
8	王志亮，刘波. 基于弯曲刚度和扭转刚度的白车身优化分析［J］. 机械科学与技术， 2008（8）.
	WANG Z L， LIU B. Bending stiffness and torsional stiffness optimization design of white car body［J］. Mechanical Science and Technology， 2008（8）.
9	KHAN M M， et al. Improve vehicle handling and stability under uncertainties using probabilistic approach［J］. IFAC-Papers Online，2015，48（25）：242-247.
10	YANG H H， LIU W T， CHEN L. An adaptive hierarchical control approach of vehicle handling stability improvement based on steer-by-wire systems［J］. Mechatronics，2021，77：102583.
11	马涛锋. 对汽车操纵稳定性的影响因素分析与研究评价［J］. 机械设计与制造， 2005（4）：122-123.
	MA J F. Analysis and evaluation of influencing factors of vehicle handing an stability［J］. Machinery Design and Manufacture，2005（4）：122-123.
12	汪侃磊. 车身刚度对汽车操纵稳定性的影响研究［J］. 上海汽车， 2014（8）.
	WANG K L. Study on the influence of body stiffness on vehicle handing an stability［J］. Shanghai Auto，2014（8）.

车型		扭转刚度/（N·m·（°）^-1）			变化百分比/%
车型		带电池包	不带电池包	变化值	变化百分比/%
EV 宽包	A	31 835	19 691	-12 144	-38.15
	B	27 715	17 346	-10 369	-37.41
	C	31 510	20 620	-10 890	-34.56
	D	33 400	21 842	-11 558	-34.60
	E	30 140	19 326	-10 814	-35.88
EV 窄包	F	24 416	18 349	-6 067	-24.85
	G	25 806	19 704	-6 102	-23.65
	H	17 699	14 493	-3 206	-18.11

车型	扭转刚度	无后安装点	无前安装点	无侧边安装点
A	31 835	-6 708	-2 183	-4 300
B	27 715	-2 402	-2 175	-2 245
C	31 510	-6 400	-1 452	-1 789
D	33 400	-5 140	-1 426	-3 043
E	30 140	-4 450	-1 572	-2 913

[1]	廉玉波,田洪生,黄海,温锦志,保玉环. CTB结构中电池与车身密封设计研究[J]. 汽车工程, 2023, 45(3): 459-467.
[2]	高云凯,张锁,袁泽. 考虑疲劳性能的驾驶室拓扑优化设计[J]. 汽车工程, 2023, 45(3): 468-476.
[3]	苏永雷,张志飞. 副车架静刚度修正方法及多层级拓扑优化[J]. 汽车工程, 2023, 45(11): 2157-2164.
[4]	陈潇凯,李超,白影春,杨子发. 汽车多材料控制臂拓扑优化方法[J]. 汽车工程, 2021, 43(7): 1088-1095.
[5]	张志飞,胡桐铜,范维春,王长金,黄瑞文. 基于拉拽安全性能的汽车座椅优化设计[J]. 汽车工程, 2021, 43(2): 218-225.
[6]	高云凯, 刘哲, 徐亚男, 徐翔, 冯兆玄. CFRP在汽车覆盖件中的应用研究^*[J]. 汽车工程, 2020, 42(7): 978-984.
[7]	崔岸, 徐晓倩, 孙文龙, 杨伟丽, 黄显晴, 刘天赐. 基于耐撞性的碳纤维/聚丙烯泡沫夹芯板结构优化研究^*[J]. 汽车工程, 2020, 42(6): 840-846.
[8]	吴长风, 那景新, 秦国锋, 卢琳兆, 袁正, 杨佳宙. 基于子结构拓扑优化的大客车耐撞性改进^*[J]. 汽车工程, 2019, 41(8): 922-926.
[9]	马芳武, 韩露, 陈实现, 蒲永锋, 沈亮. 基于时间硬化理论的聚乳酸结构件尺寸稳定性分析^*[J]. 汽车工程, 2019, 41(6): 711-716.
[10]	雷正保, 黄敏, 苟明兴. 吸导结构耐撞性的主从关联拓扑优化^*[J]. 汽车工程, 2019, 41(11): 1308-1312.
[11]	崔岸,刘芳芳,张晗,郝裕兴,陈宠,张睿. 车身泡沫填充铝合金波纹夹芯板结构性能分析与优化^*[J]. 汽车工程, 2019, 41(10): 1221-1227.