[发明专利]一种轻质电池包托盘高刚性结构快速优化设计方法

说明书

本发明公开了一种轻质电池包托盘高刚性结构快速优化设计方法，包括绘制零件的二维外形边框曲线，并保留设计阈和非设计阈的边界，存储为初始图片；提取初始图片进行填充编辑，筛选出连接域、固定域以及设计域；提取初始优化图片导入matlab软件，进行图像识别，获取二维的连接域像素矩阵、固定阈像素矩阵以及设计阈像素矩阵；基于上述像素矩阵计算初始灵敏度值；基于SIMP法，进行优化设计，获得新的单元密度值，若不符合SIMP法的收敛性条件，输出当前优化图片，返回S3；否则，优化设计完成，输出最优设计结果。本发明适用于任意复杂外形的零部件，能够得到最优的以及材料利用率最高的结构。

技术领域

本发明涉及材料设计技术领域，具体为一种轻质电池包托盘高刚性结构快速优化设计方法。

背景技术

目前，轻质材料主要包含钛合金、镁合金、铝合金和塑料等，使用该类材料替代笨重的钢铁材料已成为各行各业实现其产品轻量化的主要手段。对于任意结构的零部件，采用更加轻质的材料后，与原结构材质相比，均面临着刚度低下的问题。提高零部件的刚度，通常可以用加厚和使用加强筋等加强结构的方式来弥补。厚度变化具有简单易实施的特点，广大工程技术人员均不需要进行连续的反复迭代修改就能确定，但很难得出最优方案。而设计加强筋等加强结构主要是依靠工程技术人员的工程经验，以及搭配传统商业软件中的拓扑优化功能。

新能源汽车电池包行业发展潜力巨大，需求快速增长，未来趋势前景大好。在安装、拆卸、存储和运输电池包时，通常需要使用电池包托盘作为中间件以供叉车作业，电池包托盘市场需求巨大。在节能减排的社会需求下，电池包托盘亟需兼具成本低下、重量轻以良好的可靠耐久性能，使用轻质材料是必然选择。但当电池包托盘使用更加轻质材料时，由于材料的弹性模量急剧下降，导致其结构的刚度低下，直接致使托盘在承载电池包时发生大变形失效。且一旦托盘变形严重，电池包还很难从托盘上取出搬运。此外，各类结构的外形往往是复杂的，就如何针对复杂的零部件外形，快速的得到一种高刚性结构，以减少CAD/CAE设计开发时长，当前也还缺乏一套系统性的优化设计方法。

发明内容

针对以上问题，本发明提供了一种轻质电池包托盘高刚性结构快速优化设计方法。

根据本发明的目的，本发明提供一种轻质电池包托盘高刚性结构快速优化设计方法，包括如下步骤：

S1：绘制零件的二维外形边框曲线，并保留设计阈和非设计阈的边界，存储为初始图片，文件格式为.jpg；

S2：提取初始图片，进行填充编辑，筛选出连接域、固定域以及设计域，连接域填充黄色，固定域填充红色、设计域填充绿色，存储为初始优化图片，文件格式为.jpg；

S3：提取初始优化图片导入matlab软件，进行图像识别，获取二维的连接域像素矩阵、固定阈像素矩阵以及设计阈像素矩阵；

S4：基于上述像素矩阵、及，逐个进行0或1判断，若、及的像素矩阵在某单元下的值为0，将该单元的密度初始值的设为0.0001，其中、；否则，的初始值设为，其中为常数，在0.3至0.8间取值；

S5：计算初始灵敏度值，为得到高质量优化结果，灵敏度函数设置为，

其中分别为刚度加权系数、尺寸约束加权系数和连通性加权系数，分别为刚度目标函数、尺寸约束目标函数和连通性目标函数；约束条件设置为，其中，为某单元体积，为个单元的总体积；

S6：基于SIMP法，进行优化设计，获得新的单元密度值，若不符合SIMP法的收敛性条件，输出当前优化图片，存储文件格式为.jpg，返回S3；否则，优化设计完成，输出最优设计结果。

进一步地，S5中，刚度目标函数为：