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本書從新能源汽車和智能網(wǎng)聯(lián)汽車的典型特征出發(fā)，分析車輛在電動化和智能化進程中面臨的新的設計問題；以節(jié)能、安全和高效為目標，從系統(tǒng)角度闡述輕量化的內(nèi)涵，對機械領(lǐng)域、電氣領(lǐng)域、能源領(lǐng)域、智能控制領(lǐng)域的相關(guān)問題進行分析。本書具體內(nèi)容包括復雜物理系統(tǒng)的分析與設計、面向智能系統(tǒng)的廣義輕量化、電驅(qū)動系統(tǒng)輕量化設計方法、車輛結(jié)構(gòu)輕量化設計方法等。本書可為電動汽車和智能汽車的物理系統(tǒng)輕量化設計提供參考。

春秋戰(zhàn)國時期，對車輛設計就已有較為詳細的記載，《周禮·考工記》中記述了車輿的材料選用、制作方法和檢驗標準等，涉及數(shù)學、力學等方面的知識和經(jīng)驗總結(jié)。車戰(zhàn)是春秋戰(zhàn)國時期的主要作戰(zhàn)方式之一，明末科學家宋應星在《天工開物》中記載凡車利行平地，古者秦、晉、燕、齊之交，列國戰(zhàn)爭必用車，故千乘、萬乘之號起自戰(zhàn)爭國。戰(zhàn)車數(shù)量反映了當時各國的綜合軍事實力。統(tǒng)一的選材、制作和檢驗標準推動了早期車輛的發(fā)展，實現(xiàn)了大規(guī)模手工制造的質(zhì)量一致性控制。在此后漫長的歷史進程中，車輛制造技術(shù)得到了進一步發(fā)展，逐漸應用于各個領(lǐng)域。隨著第一次工業(yè)革命的深入和能源革命的興起，車輛的動力系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)橐曰剂蠟槟芰縼碓吹膬?nèi)燃機，這種不依靠外力實現(xiàn)自我驅(qū)動的車輛被稱為汽車（automotive vehicle）。進入現(xiàn)代社會后，金屬材料提高了汽車車身和底盤結(jié)構(gòu)的強度和耐久性，流水線和精益生產(chǎn)方式推動了生產(chǎn)效率和品質(zhì)的提升�，F(xiàn)今，我國的汽車產(chǎn)銷量已經(jīng)連續(xù)多年位列世界首位，萬乘已不足以描述汽車產(chǎn)業(yè)在我國的發(fā)展盛況。汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展伴隨的是其對化石能源依賴程度的逐步提高。節(jié)約能源和減少碳排放已成為全球共識。對于常規(guī)燃油汽車，輕量化是實現(xiàn)節(jié)能減排的重要途徑。在對車輛結(jié)構(gòu)部件減重的過程中，使用輕質(zhì)材料、拓撲優(yōu)化、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等成為常用的輕量化手段，在工業(yè)界得到大量的應用，取得了良好的輕量化效果。工業(yè)革命和能源革命持續(xù)推動汽車產(chǎn)業(yè)向綠色低碳的方向發(fā)展，電動化和智能化為汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了新的機遇。以機械系統(tǒng)為主要組成的常規(guī)燃油車輛正在向以電子電氣系統(tǒng)和信息物理系統(tǒng)為主要組成的智能電動車輛轉(zhuǎn)變。常規(guī)燃油車輛使用的結(jié)構(gòu)輕量化設計方法雖可以解決智能電動車輛節(jié)能減排過程中的一部分結(jié)構(gòu)設計問題，卻難以解決與電動化和智能化特征相關(guān)的系統(tǒng)設計問題。本書將從系統(tǒng)的角度討論車輛電動化和智能化進程中面向節(jié)能減排的設計問題。系統(tǒng)思維是本書區(qū)別于結(jié)構(gòu)輕量化著作的顯著特征。書中內(nèi)容包括復雜物理系統(tǒng)的分析與設計、面向智能系統(tǒng)的廣義輕量化、電動系統(tǒng)輕量化設計、結(jié)構(gòu)輕量化設計等。目前汽車技術(shù)尚處于電動化和智能化進程的初級階段，更多的設計理念、設計方法和產(chǎn)品形態(tài)有待進一步發(fā)展。由于著者的水平和實踐經(jīng)驗有限，加之本書中的電動化和智能化設計技術(shù)是面向系統(tǒng)的設計分析技術(shù)，不妥之處在所難免，敬請讀者批評指正。著者2021年11月

第1章緒論1

1.1車輛輕量化2

1.2車輛電動化對輕量化設計的影響3

1.3車輛智能化對輕量化設計的影響5

1.4結(jié)構(gòu)輕量化6

1.5材料的輕量化潛力7

1.6輕量化結(jié)構(gòu)的制造和連接問題8

1.7智能電動車輛輕量化設計的本質(zhì)問題9

第2章復雜物理系統(tǒng)分析與設計方法11

2.1智能電動車輛物理系統(tǒng)架構(gòu)11

2.1.1智能電動車輛子系統(tǒng)劃分11

2.1.2智能電動車輛各子系統(tǒng)組成14

2.2物理系統(tǒng)架構(gòu)與功能實現(xiàn)方式14

2.3復雜物理系統(tǒng)的描述方法15

2.3.1基于物理的模型16

2.3.2數(shù)值模型16

2.3.3數(shù)據(jù)驅(qū)動的模型17

2.3.4復雜物理系統(tǒng)各類模型之間的相互關(guān)系17

2.4復雜物理系統(tǒng)的輕量化18

2.4.1輕量化體系的構(gòu)成18

2.4.2輕量化體系框圖20

2.5本章小結(jié)20

本章參考文獻21

第3章與電動化和智能化相關(guān)的若干關(guān)鍵問題22

3.1電動汽車碰撞后起火問題22

3.1.1研究的現(xiàn)實意義23

3.1.2現(xiàn)有研究成果及進展24

3.1.3研究的難點與挑戰(zhàn)27

3.2電動汽車碰撞后起火的研究路徑與預測方法28

3.2.1碰撞后起火研究的目標28

3.2.2碰撞后起火研究的關(guān)鍵內(nèi)容28

3.2.3碰撞后起火過程中的關(guān)鍵科學問題32

3.2.4碰撞后起火的研究框架33

3.2.5研究方法分析及技術(shù)路線34

3.2.6碰撞后起火研究的科學意義35

3.3無人系統(tǒng)的狀態(tài)失效問題36

3.3.1無人系統(tǒng)狀態(tài)失效的特征37

3.3.2現(xiàn)有研究成果及進展38

3.3.3無人系統(tǒng)狀態(tài)失效研究的難點與挑戰(zhàn)42

3.4面向狀態(tài)失效的無人系統(tǒng)數(shù)字孿生架構(gòu)與預測43

3.4.1無人系統(tǒng)數(shù)字孿生的研究內(nèi)容43

3.4.2研究中的關(guān)鍵科學問題47

3.4.3數(shù)字孿生與失效研究框架48

3.4.4研究方法建議與技術(shù)路線49

3.4.5無人系統(tǒng)狀態(tài)失效研究的科學意義與貢獻50

3.5本章小結(jié)51

本章參考文獻51

第4章智能化與廣義輕量化53

4.1車輛智能化特征與系統(tǒng)分析54

4.1.1智能車輛物理系統(tǒng)設計54

4.1.2智能車輛的功能對輕量化的影響56

4.2智能車輛物理系統(tǒng)的輕量化設計57

4.3智能系統(tǒng)能耗與輕量化59

4.3.1車輛智能化等級59

4.3.2智能系統(tǒng)能耗情況60

4.4車輛驅(qū)動決策與智慧交通系統(tǒng)協(xié)同規(guī)劃61

4.4.1交通擁堵與能源消耗61

4.4.2交通狀態(tài)預測的關(guān)鍵問題62

4.4.3驅(qū)動與交通協(xié)同優(yōu)化的可行方法與路徑64

4.5基于大數(shù)據(jù)的動態(tài)交通狀態(tài)預測65

4.5.1智能交通預測的總體思路65

4.5.2交通數(shù)據(jù)獲取及預處理66

4.5.3基于智能算法的交通預測模型構(gòu)建69

4.5.4不同已知條件下的交通信息預測對比73

4.6智能車輛主動安全系統(tǒng)集成設計75

4.6.1主動安全系統(tǒng)功能分析76

4.6.2主動安全系統(tǒng)設計78

4.6.3主動安全系統(tǒng)分層控制器設計81

4.6.4討論與分析84

4.7本章小結(jié)89

本章參考文獻90

第5章電驅(qū)動系統(tǒng)輕量化設計91

5.1電動系統(tǒng)輕量化設計的三個層級91

5.1.1物理部件的設計92

5.1.2子系統(tǒng)集成與一體化92

5.1.3動力系統(tǒng)匹配優(yōu)化93

5.2一種輕量化高效率車用輪轂電機設計94

5.2.1設計需求分解與設計方法選擇95

5.2.2電機運行高頻區(qū)與高效區(qū)96

5.2.3電磁方案及本體設計參數(shù)100

5.2.4電機本體初始電磁方案設計102

5.2.5基于組合代理模型的輪轂電機優(yōu)化103

5.3一種電機控制器傳熱學反問題的求解方法108

5.3.1問題描述108

5.3.2反饋模糊推理算法109

5.3.3基于分散模糊推理的設計方法112

5.4一種高可靠性低成本輕量化電池箱體設計116

5.5本章小結(jié)119

本章參考文獻119

第6章車輛結(jié)構(gòu)輕量化設計的基本方法120

6.1結(jié)構(gòu)輕量化基本思想120

6.2材料結(jié)構(gòu)性能的關(guān)系指標122

6.2.1結(jié)構(gòu)件122

6.2.2板件125

6.3多工況條件下非參數(shù)化結(jié)構(gòu)設計方法125

6.3.1工程問題描述126

6.3.2工況分析127

6.3.3涵蓋多工況條件的綜合目標函數(shù)128

6.3.4基于最優(yōu)化方法的各工況權(quán)重比確定129

6.3.5優(yōu)化方法與求解過程130

6.3.6多工況拓撲優(yōu)化的計算結(jié)果及分析132

6.4結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計的一般流程133

6.5多工況條件下可參數(shù)化結(jié)構(gòu)設計方法138

6.5.1車輛正面碰撞的多工況問題138

6.5.2單工況條件下的耐撞性優(yōu)化139

6.5.3基于正面碰撞及偏置碰撞的結(jié)構(gòu)耐撞性優(yōu)化方法141

6.5.4耦合工況的設計變量選取142

6.5.5構(gòu)建代理模型144

6.5.6耐撞性結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計146

6.6本章小結(jié)148

本章參考文獻148

第7章多材料輕量化設計方法150

7.1多材料混合輕量化設計途徑150

7.2車輛正面碰撞性能約束下多材料結(jié)構(gòu)低成本輕量化151

7.2.1正面碰撞的基本要求151

7.2.2設計總體流程152

7.2.3模型及有效性驗證153

7.2.4基于析因設計的設計變量選取154

7.2.5基于準則的材料替換及設計初值確定156

7.2.6優(yōu)化模型的建立及求解157

7.3車輛側(cè)面碰撞性能約束下多材料結(jié)構(gòu)低成本輕量化160

7.3.1側(cè)面碰撞的基本要求161

7.3.2流程與方法161

7.3.3碰撞模型建立與驗證162

7.3.4設計變量選擇164

7.3.5材料選型與成本165

7.3.6輕量化模型建立及求解166

7.4成本和性能約束條件下的多材料選型輕量化170

7.4.1考慮頂壓與側(cè)碰安全性的車身B柱結(jié)構(gòu)輕量化設計要求171

7.4.2成本和性能約束下B柱結(jié)構(gòu)輕量化方案173

7.4.3設計變量與優(yōu)化目標175

7.4.4優(yōu)化結(jié)果與分析175

7.5以結(jié)構(gòu)性能提升為目標的多材料選型優(yōu)化設計177

7.5.1車頂結(jié)構(gòu)耐撞性要求177

7.5.2結(jié)構(gòu)性能優(yōu)化設計流程178

7.5.3設計變量與優(yōu)化問題179

7.5.4優(yōu)化結(jié)果與分析182

7.6本章小結(jié)183

本章參考文獻184

第8章與材料和制造工藝相關(guān)的設計185

8.1材料結(jié)構(gòu)工藝一體輕量化的基本原理185

8.1.1復合材料結(jié)構(gòu)的設計問題185

8.1.2復合材料的一體化設計原則187

8.1.3復合材料一體化設計研究途徑188

8.1.4復合材料一體化設計方案189

8.2等厚度碳纖維結(jié)構(gòu)設計190

8.2.1懸架控制臂的基本設計要求191

8.2.2復合材料懸架控制臂方案193

8.2.3復合材料控制臂結(jié)構(gòu)設計194

8.3變厚度變截面碳纖維結(jié)構(gòu)設計198

8.3.1削層結(jié)構(gòu)及變厚度實現(xiàn)199

8.3.2削層結(jié)構(gòu)的力學基礎199

8.3.3B柱結(jié)構(gòu)削層區(qū)域設計201

8.3.4削層結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法204

8.4考慮制造工藝的纖維復合材料結(jié)構(gòu)分級分區(qū)設計208

8.4.1復合材料車輪結(jié)構(gòu)209

8.4.2基于自由尺寸優(yōu)化的碳纖維輪輞結(jié)構(gòu)分區(qū)211

8.4.3結(jié)構(gòu)分區(qū)內(nèi)不同鋪層方向纖維占比213

8.4.4碳纖維輪輞各分區(qū)厚度優(yōu)化215

8.4.5碳纖維復合材料鋪層順序217

8.4.6結(jié)果分析219

8.5本章小結(jié)220

本章參考文獻220

第1章緒論1

1.1車輛輕量化2

1.2車輛電動化對輕量化設計的影響3

1.3車輛智能化對輕量化設計的影響5

1.4結(jié)構(gòu)輕量化6

1.5材料的輕量化潛力7

1.6輕量化結(jié)構(gòu)的制造和連接問題8

1.7智能電動車輛輕量化設計的本質(zhì)問題9

第2章復雜物理系統(tǒng)分析與設計方法11

2.1智能電動車輛物理系統(tǒng)架構(gòu)11

2.1.1智能電動車輛子系統(tǒng)劃分11

2.1.2智能電動車輛各子系統(tǒng)組成14

2.2物理系統(tǒng)架構(gòu)與功能實現(xiàn)方式14

2.3復雜物理系統(tǒng)的描述方法15

2.3.1基于物理的模型16

2.3.2數(shù)值模型16

2.3.3數(shù)據(jù)驅(qū)動的模型17

2.3.4復雜物理系統(tǒng)各類模型之間的相互關(guān)系17

2.4復雜物理系統(tǒng)的輕量化18

2.4.1輕量化體系的構(gòu)成18

2.4.2輕量化體系框圖20

2.5小結(jié)20

參考文獻21

第3章與電動化和智能化相關(guān)的若干關(guān)鍵問題22

3.1電動汽車碰撞后起火問題22

3.1.1研究的現(xiàn)實意義23

3.1.2現(xiàn)有研究成果及進展24

3.1.3研究的難點與挑戰(zhàn)27

3.2電動汽車碰撞后起火的研究路徑與預測方法28

3.2.1碰撞后起火研究的目標28

3.2.2碰撞后起火研究的關(guān)鍵內(nèi)容28

3.2.3碰撞后起火過程中的關(guān)鍵科學問題32

3.2.4碰撞后起火的研究框架32

3.2.5研究方法分析及技術(shù)路線34

3.2.6碰撞后起火研究的科學意義與貢獻35

3.3無人系統(tǒng)的狀態(tài)失效問題36

3.3.1無人系統(tǒng)狀態(tài)失效的特征37

3.3.2現(xiàn)有研究成果及進展38

3.3.3無人系統(tǒng)狀態(tài)失效研究的難點與挑戰(zhàn)42

3.4面向狀態(tài)失效的無人系統(tǒng)數(shù)字孿生架構(gòu)與預測43

3.4.1無人系統(tǒng)數(shù)字孿生的研究內(nèi)容43

3.4.2研究中的關(guān)鍵科學問題47

3.4.3數(shù)字孿生與失效研究框架48

3.4.4研究方法建議與技術(shù)路線49

3.4.5無人系統(tǒng)狀態(tài)失效研究的科學意義與貢獻50

3.5小結(jié)51

參考文獻51

第4章智能化與廣義輕量化53

4.1車輛智能化特征與系統(tǒng)分析54

4.1.1智能車輛物理系統(tǒng)設計54

4.1.2智能車輛的功能對輕量化的影響56

4.2智能車輛物理系統(tǒng)的輕量化設計57

4.3智能系統(tǒng)能耗與輕量化59

4.3.1車輛智能化等級59

4.3.2智能系統(tǒng)能耗情況60

4.4車輛驅(qū)動決策與智慧交通系統(tǒng)協(xié)同規(guī)劃61

4.4.1交通擁堵與能源消耗61

4.4.2交通狀態(tài)預測的關(guān)鍵問題62

4.4.3驅(qū)動與交通協(xié)同優(yōu)化的可行方法與路徑64

4.5基于大數(shù)據(jù)的動態(tài)交通狀態(tài)預測65

4.5.1智能交通預測的總體思路65

4.5.2交通數(shù)據(jù)獲取及預處理66

4.5.3基于智能算法的交通預測模型構(gòu)建69

4.5.4不同已知條件下的交通信息預測對比73

4.6智能車輛主動安全系統(tǒng)集成設計75

4.6.1主動安全系統(tǒng)功能分析76

4.6.2主動安全系統(tǒng)設計78

4.6.3主動安全系統(tǒng)分層控制器設計81

4.6.4討論與分析84

4.7小結(jié)88

參考文獻89

第5章電動系統(tǒng)輕量化設計90

5.1電驅(qū)動系統(tǒng)輕量化設計的三個層級90

5.1.1物理部件的設計91

5.1.2子系統(tǒng)集成與一體化91

5.1.3動力系統(tǒng)匹配優(yōu)化92

5.2一種輕量化高效率車用輪轂電機設計93

5.2.1設計需求分解與設計方法選擇94

5.2.2電機運行高頻區(qū)與高效區(qū)95

5.2.3電磁方案及本體設計參數(shù)99

5.2.4電機本體初始電磁方案設計101

5.2.5基于組合代理模型輪轂電機優(yōu)化102

5.3一種電機控制器傳熱學反問題的求解方法107

5.3.1問題描述107

5.3.2反饋-模糊推理算法108

5.3.3基于分散模糊推理的設計方法111

5.4一種高可靠低成本輕量化電池箱體設計115

5.5小結(jié)118

參考文獻118

第6章車輛結(jié)構(gòu)輕量化設計的基本方法120

6.1結(jié)構(gòu)輕量化基本思想120

6.2材料結(jié)構(gòu)性能的關(guān)系指標122

6.2.1結(jié)構(gòu)件122

6.2.2板件125

6.3多工況條件下非參數(shù)化結(jié)構(gòu)設計方法126

6.3.1工程問題描述126

6.3.2工況分析127

6.3.3涵蓋多工況條件的綜合目標函數(shù)128

6.3.4基于最優(yōu)化方法的各工況權(quán)重比確定129

6.3.5優(yōu)化方法與求解過程130

6.3.6多工況拓撲優(yōu)化的計算結(jié)果及分析132

6.4結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計的一般流程133

6.5多工況條件下可參數(shù)化結(jié)構(gòu)設計方法138

6.5.1車輛正面碰撞的多工況問題138

6.5.2單工況條件下的耐撞性優(yōu)化139

6.5.3基于正碰及偏置碰的結(jié)構(gòu)耐撞性優(yōu)化方法141

6.5.4耦合工況的設計變量選取143

6.5.5構(gòu)建代理模型144

6.5.6耐撞性結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計146

6.6小結(jié)148

參考文獻148

第7章多材料輕量化設計方法150

7.1多材料混合輕量化設計途徑150

7.2車輛正面碰撞性能約束下多材料結(jié)構(gòu)低成本輕量化151

7.2.1正面碰撞的基本要求151

7.2.2設計總體流程152

7.2.3模型及有效性驗證153

7.2.4基于析因設計的設計變量選取154

7.2.5基于準則的材料替換及設計初值確定156

7.2.6優(yōu)化模型的建立及求解157

7.3車輛側(cè)面碰撞性能約束下多材料結(jié)構(gòu)低成本輕量化160

7.3.1側(cè)面碰撞的基本要求161

7.3.2流程與方法161

7.3.3碰撞模型建立與驗證162

7.3.4設計變量選擇164

7.3.5材料選型與成本165

7.3.6輕量化模型建立及求解166

7.4成本和性能約束條件下的多材料選型輕量化170

7.4.1考慮頂壓與側(cè)碰安全性的車身B柱結(jié)構(gòu)輕量化設計要求171

7.4.2成本和性能約束下B柱結(jié)構(gòu)輕量化方案173

7.4.3設計變量與優(yōu)化目標175

7.4.4輕量化及結(jié)果分析176

7.5以結(jié)構(gòu)性能提升為目標的多材料選型優(yōu)化設計177

7.5.1車頂結(jié)構(gòu)耐撞性要求177

7.5.2結(jié)構(gòu)性能優(yōu)化設計流程179

7.5.3設計變量與優(yōu)化問題180

7.5.4優(yōu)化結(jié)果與分析182

7.6小結(jié)183

參考文獻184

第8章與材料和制造工藝相關(guān)的設計185

8.1材料結(jié)構(gòu)工藝一體輕量化的基本原理185

8.1.1復合材料結(jié)構(gòu)的設計問題185

8.1.2復合材料的一體化設計原則187

8.1.3復合材料一體化設計研究途徑188

8.1.4復合材料一體化設計方案189

8.2等厚度碳纖維結(jié)構(gòu)件設計190

8.2.1懸架控制臂的基本設計要求191

8.2.2復合材料懸架控制臂方案193

8.2.3復合材料控制臂結(jié)構(gòu)設計194

8.3變厚度變截面碳纖維結(jié)構(gòu)設計198

8.3.1削層結(jié)構(gòu)及變厚度實現(xiàn)199

8.3.2削層結(jié)構(gòu)的力學基礎199

8.3.3B柱結(jié)構(gòu)削層區(qū)域設計201

8.3.4削層結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法204

8.4考慮制造工藝的纖維復合材料結(jié)構(gòu)分級分區(qū)設計方法208

8.4.1復合材料車輪結(jié)構(gòu)209

8.4.2基于自由尺寸優(yōu)化的碳纖維輪輞結(jié)構(gòu)分區(qū)211

8.4.3結(jié)構(gòu)分區(qū)內(nèi)不同鋪層方向纖維占比213

8.4.4碳纖維輪輞各分區(qū)厚度優(yōu)化215

8.4.5碳纖維復合材料鋪層順序217

8.4.6結(jié)果分析219

8.5小結(jié)220

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