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
定 价：128 元
丛书名：节能与新能源汽车关键技术研究丛书
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。
无
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
湖南大学机械与运载工程学院副教授，博士生导师。2014-2015年加拿大University of Waterloo机械工程系访问学者。主要研究领域为新能源汽车和智能网联汽车的前沿技术研究，包括车辆结构轻量化设计与制造、电动汽车智能驱动与路径规划、整车热管理与能量管理、能源-交通系统优化等。主持国家自然科学基金2项和新能源汽车国家重点研发计划子任务1项，作为参与人获得国家科技进步二等奖1项和湖南省科技进步一等奖1项。
第1章绪论11.1车辆轻量化21.2车辆电动化对轻量化设计的影响31.3车辆智能化对轻量化设计的影响51.4结构轻量化61.5材料的轻量化潜力71.6轻量化结构的制造和连接问题81.7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112.1智能电动车辆物理系统架构112.1.1智能电动车辆子系统划分112.1.2智能电动车辆各子系统组成142.2物理系统架构与功能实现方式142.3复杂物理系统的描述方法152.3.1基于物理的模型162.3.2数值模型162.3.3数据驱动的模型172.3.4复杂物理系统各类模型之间的相互关系172.4复杂物理系统的轻量化182.4.1轻量化体系的构成182.4.2轻量化体系框图202.5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223.1电动汽车碰撞后起火问题223.1.1研究的现实意义233.1.2现有研究成果及进展243.1.3研究的难点与挑战273.2电动汽车碰撞后起火的研究路径与预测方法283.2.1碰撞后起火研究的目标283.2.2碰撞后起火研究的关键内容283.2.3碰撞后起火过程中的关键科学问题323.2.4碰撞后起火的研究框架333.2.5研究方法分析及技术路线343.2.6碰撞后起火研究的科学意义353.3无人系统的状态失效问题363.3.1无人系统状态失效的特征373.3.2现有研究成果及进展383.3.3无人系统状态失效研究的难点与挑战423.4面向状态失效的无人系统数字孪生架构与预测433.4.1无人系统数字孪生的研究内容433.4.2研究中的关键科学问题473.4.3数字孪生与失效研究框架483.4.4研究方法建议与技术路线493.4.5无人系统状态失效研究的科学意义与贡献503.5本章小结51本章参考文献51第4章智能化与广义轻量化534.1车辆智能化特征与系统分析544.1.1智能车辆物理系统设计544.1.2智能车辆的功能对轻量化的影响564.2智能车辆物理系统的轻量化设计574.3智能系统能耗与轻量化594.3.1车辆智能化等级594.3.2智能系统能耗情况604.4车辆驱动决策与智慧交通系统协同规划614.4.1交通拥堵与能源消耗614.4.2交通状态预测的关键问题624.4.3驱动与交通协同优化的可行方法与路径644.5基于大数据的动态交通状态预测654.5.1智能交通预测的总体思路654.5.2交通数据获取及预处理664.5.3基于智能算法的交通预测模型构建694.5.4不同已知条件下的交通信息预测对比734.6智能车辆主动安全系统集成设计754.6.1主动安全系统功能分析764.6.2主动安全系统设计784.6.3主动安全系统分层控制器设计814.6.4讨论与分析844.7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915.1电动系统轻量化设计的三个层级915.1.1物理部件的设计925.1.2子系统集成与一体化925.1.3动力系统匹配优化935.2一种轻量化高效率车用轮毂电机设计945.2.1设计需求分解与设计方法选择955.2.2电机运行高频区与高效区965.2.3电磁方案及本体设计参数1005.2.4电机本体初始电磁方案设计1025.2.5基于组合代理模型的轮毂电机优化1035.3一种电机控制器传热学反问题的求解方法1085.3.1问题描述1085.3.2反馈模糊推理算法1095.3.3基于分散模糊推理的设计方法1125.4一种高可靠性低成本轻量化电池箱体设计1165.5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1206.1结构轻量化基本思想1206.2材料结构性能的关系指标1226.2.1结构件1226.2.2板件1256.3多工况条件下非参数化结构设计方法1256.3.1工程问题描述1266.3.2工况分析1276.3.3涵盖多工况条件的综合目标函数1286.3.4基于最优化方法的各工况权重比确定1296.3.5优化方法与求解过程1306.3.6多工况拓扑优化的计算结果及分析1326.4结构优化设计的一般流程1336.5多工况条件下可参数化结构设计方法1386.5.1车辆正面碰撞的多工况问题1386.5.2单工况条件下的耐撞性优化1396.5.3基于正面碰撞及偏置碰撞的结构耐撞性优化方法1416.5.4耦合工况的设计变量选取1426.5.5构建代理模型1446.5.6耐撞性结构优化设计1466.6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1507.1多材料混合轻量化设计途径1507.2车辆正面碰撞性能约束下多材料结构低成本轻量化1517.2.1正面碰撞的基本要求1517.2.2设计总体流程1527.2.3模型及有效性验证1537.2.4基于析因设计的设计变量选取1547.2.5基于准则的材料替换及设计初值确定1567.2.6优化模型的建立及求解1577.3车辆侧面碰撞性能约束下多材料结构低成本轻量化1607.3.1侧面碰撞的基本要求1617.3.2流程与方法1617.3.3碰撞模型建立与验证1627.3.4设计变量选择1647.3.5材料选型与成本1657.3.6轻量化模型建立及求解1667.4成本和性能约束条件下的多材料选型轻量化1707.4.1考虑顶压与侧碰安全性的车身B柱结构轻量化设计要求1717.4.2成本和性能约束下B柱结构轻量化方案1737.4.3设计变量与优化目标1757.4.4优化结果与分析1757.5以结构性能提升为目标的多材料选型优化设计1777.5.1车顶结构耐撞性要求1777.5.2结构性能优化设计流程1787.5.3设计变量与优化问题1797.5.4优化结果与分析1827.6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1858.1材料结构工艺一体轻量化的基本原理1858.1.1复合材料结构的设计问题1858.1.2复合材料的一体化设计原则1878.1.3复合材料一体化设计研究途径1888.1.4复合材料一体化设计方案1898.2等厚度碳纤维结构设计1908.2.1悬架控制臂的基本设计要求1918.2.2复合材料悬架控制臂方案1938.2.3复合材料控制臂结构设计1948.3变厚度变截面碳纤维结构设计1988.3.1削层结构及变厚度实现1998.3.2削层结构的力学基础1998.3.3B柱结构削层区域设计2018.3.4削层结构优化方法2048.4考虑制造工艺的纤维复合材料结构分级分区设计2088.4.1复合材料车轮结构2098.4.2基于自由尺寸优化的碳纤维轮辋结构分区2118.4.3结构分区内不同铺层方向纤维占比2138.4.4碳纤维轮辋各分区厚度优化2158.4.5碳纤维复合材料铺层顺序2178.4.6结果分析2198.5本章小结220本章参考文献220第1章绪论11.1车辆轻量化21.2车辆电动化对轻量化设计的影响31.3车辆智能化对轻量化设计的影响51.4结构轻量化61.5材料的轻量化潜力71.6轻量化结构的制造和连接问题81.7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112.1智能电动车辆物理系统架构112.1.1智能电动车辆子系统划分112.1.2智能电动车辆各子系统组成142.2物理系统架构与功能实现方式142.3复杂物理系统的描述方法152.3.1基于物理的模型162.3.2数值模型162.3.3数据驱动的模型172.3.4复杂物理系统各类模型之间的相互关系172.4复杂物理系统的轻量化182.4.1轻量化体系的构成182.4.2轻量化体系框图202.5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223.1电动汽车碰撞后起火问题223.1.1研究的现实意义233.1.2现有研究成果及进展243.1.3研究的难点与挑战273.2电动汽车碰撞后起火的研究路径与预测方法283.2.1碰撞后起火研究的目标283.2.2碰撞后起火研究的关键内容283.2.3碰撞后起火过程中的关键科学问题323.2.4碰撞后起火的研究框架323.2.5研究方法分析及技术路线343.2.6碰撞后起火研究的科学意义与贡献353.3无人系统的状态失效问题363.3.1无人系统状态失效的特征373.3.2现有研究成果及进展383.3.3无人系统状态失效研究的难点与挑战423.4面向状态失效的无人系统数字孪生架构与预测433.4.1无人系统数字孪生的研究内容433.4.2研究中的关键科学问题473.4.3数字孪生与失效研究框架483.4.4研究方法建议与技术路线493.4.5无人系统状态失效研究的科学意义与贡献503.5小结51参考文献51第4章智能化与广义轻量化534.1车辆智能化特征与系统分析544.1.1智能车辆物理系统设计544.1.2智能车辆的功能对轻量化的影响564.2智能车辆物理系统的轻量化设计574.3智能系统能耗与轻量化594.3.1车辆智能化等级594.3.2智能系统能耗情况604.4车辆驱动决策与智慧交通系统协同规划614.4.1交通拥堵与能源消耗614.4.2交通状态预测的关键问题624.4.3驱动与交通协同优化的可行方法与路径644.5基于大数据的动态交通状态预测654.5.1智能交通预测的总体思路654.5.2交通数据获取及预处理664.5.3基于智能算法的交通预测模型构建694.5.4不同已知条件下的交通信息预测对比734.6智能车辆主动安全系统集成设计754.6.1主动安全系统功能分析764.6.2主动安全系统设计784.6.3主动安全系统分层控制器设计814.6.4讨论与分析844.7小结88参考文献89第5章电动系统轻量化设计905.1电驱动系统轻量化设计的三个层级905.1.1物理部件的设计915.1.2子系统集成与一体化915.1.3动力系统匹配优化925.2一种轻量化高效率车用轮毂电机设计935.2.1设计需求分解与设计方法选择945.2.2电机运行高频区与高效区955.2.3电磁方案及本体设计参数995.2.4电机本体初始电磁方案设计1015.2.5基于组合代理模型轮毂电机优化1025.3一种电机控制器传热学反问题的求解方法1075.3.1问题描述1075.3.2反馈-模糊推理算法1085.3.3基于分散模糊推理的设计方法1115.4一种高可靠低成本轻量化电池箱体设计1155.5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1206.1结构轻量化基本思想1206.2材料结构性能的关系指标1226.2.1结构件1226.2.2板件1256.3多工况条件下非参数化结构设计方法1266.3.1工程问题描述1266.3.2工况分析1276.3.3涵盖多工况条件的综合目标函数1286.3.4基于最优化方法的各工况权重比确定1296.3.5优化方法与求解过程1306.3.6多工况拓扑优化的计算结果及分析1326.4结构优化设计的一般流程1336.5多工况条件下可参数化结构设计方法1386.5.1车辆正面碰撞的多工况问题1386.5.2单工况条件下的耐撞性优化1396.5.3基于正碰及偏置碰的结构耐撞性优化方法1416.5.4耦合工况的设计变量选取1436.5.5构建代理模型1446.5.6耐撞性结构优化设计1466.6小结148参考文献148第7章多材料轻量化设计方法1507.1多材料混合轻量化设计途径1507.2车辆正面碰撞性能约束下多材料结构低成本轻量化1517.2.1正面碰撞的基本要求1517.2.2设计总体流程1527.2.3模型及有效性验证1537.2.4基于析因设计的设计变量选取1547.2.5基于准则的材料替换及设计初值确定1567.2.6优化模型的建立及求解1577.3车辆侧面碰撞性能约束下多材料结构低成本轻量化1607.3.1侧面碰撞的基本要求1617.3.2流程与方法1617.3.3碰撞模型建立与验证1627.3.4设计变量选择1647.3.5材料选型与成本1657.3.6轻量化模型建立及求解1667.4成本和性能约束条件下的多材料选型轻量化1707.4.1考虑顶压与侧碰安全性的车身B柱结构轻量化设计要求1717.4.2成本和性能约束下B柱结构轻量化方案1737.4.3设计变量与优化目标1757.4.4轻量化及结果分析1767.5以结构性能提升为目标的多材料选型优化设计1777.5.1车顶结构耐撞性要求1777.5.2结构性能优化设计流程1797.5.3设计变量与优化问题1807.5.4优化结果与分析1827.6小结183参考文献184第8章与材料和制造工艺相关的设计1858.1材料结构工艺一体轻量化的基本原理1858.1.1复合材料结构的设计问题1858.1.2复合材料的一体化设计原则1878.1.3复合材料一体化设计研究途径1888.1.4复合材料一体化设计方案1898.2等厚度碳纤维结构件设计1908.2.1悬架控制臂的基本设计要求1918.2.2复合材料悬架控制臂方案1938.2.3复合材料控制臂结构设计1948.3变厚度变截面碳纤维结构设计1988.3.1削层结构及变厚度实现1998.3.2削层结构的力学基础1998.3.3B柱结构削层区域设计2018.3.4削层结构优化方法2048.4考虑制造工艺的纤维复合材料结构分级分区设计方法2088.4.1复合材料车轮结构2098.4.2基于自由尺寸优化的碳纤维轮辋结构分区2118.4.3结构分区内不同铺层方向纤维占比2138.4.4碳纤维轮辋各分区厚度优化2158.4.5碳纤维复合材料铺层顺序2178.4.6结果分析2198.5小结220
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