CN108334698A - 一种轮毂驱动系统一体化集成优化设计方法 - Google Patents

一种轮毂驱动系统一体化集成优化设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种轮毂驱动系统一体化集成优化设计方法，技术方案如下：定义设计域及初始化设计变量；利用多场耦合分析平台，计算设计域的多场耦合特性；计算优化目标函数及约束条件；判断结果是否收敛；若收敛，输出结果；考虑加工性和制造性进行结构微调,并重新进行多场耦合计算；若不收敛，在子系统优化层进行设计域各子系统的拓扑优化；对各子系统的最优解进行系统级协调优化，得到系统级的最优解；将得到的系统级最优解作为优化迭代的初值进行设计变量的更新，并进行新一轮的多场耦合计算迭代过程，直至获得全局最优解。本发明提出的方法可以较好的解决目前制约轮毂驱动电动汽车发展的功率密度与冷却约束的冲突及平顺性和舒适性恶化等问题。

Description

一种轮毂驱动系统一体化集成优化设计方法
技术领域
本发明涉及电动汽车设计领域，尤其涉及一种轮毂驱动系统一体化集成优化设计方法。
技术背景
轮毂电机驱动系统的一体化集成设计，作为轮毂电机驱动电动汽车的核心技术，其结构与性能的优劣，直接影响各驱动轮的驱动/制动性能和整车的行驶性能。受空间与运行环境的限制，同时由于低速时所需的驱动扭矩很大，目前对于轮毂驱动系统的集成设计多是从满足整车动力性的角度出发对系统进行设计，力求使驱动系统达到较高的转矩密度和功率密度，在进行设计时一般只局限在对电磁场进行分析来决定产品设计参数。如何同时兼顾轮毂电机驱动系统的转矩/功率密度、发热/散热及轻量化等性能，进行涉及多项性能的综合均衡优化设计，是解决目前制约轮毂电机驱动电动汽车发展的功率/转矩密度与冷却约束的冲突问题及因非簧载质量增加而引起的车辆平顺性和乘坐舒适性恶化问题的关键。
发明内容
本发明的目的在于针对现有轮毂电机驱动系统一体化集成设计方面的局限性，提出一种能同时兼顾其转矩密度、热性能及轻量化等多项性能的适用于轮毂电机驱动系统的一体化集成优化设计方法，有效提高轮毂电机驱动系统总成的综合效能。本发明对于轮毂驱动系统的一体化集成优化设计和轮毂驱动电动汽车的发展不但具有重要的理论意义，而且具有现实的工程应用价值。
本发明的目的通过如下技术方案实现：
根据轮毂电机驱动系统具体结构，定义设计域及初始化设计变量；利用多场耦合分析平台，对确定的轮毂驱动系统设计域进行多场耦合特性分析计算；根据设计域的多场耦合特性分析结果，计算优化设计目标函数及约束条件；根据目标函数及约束条件计算结果判断是否收敛；如果结果收敛，将结果输出；考虑加工性和制造性进行结构微调,并重新进行多场耦合的计算分析，对结果进行验证；如果结果不收敛，进入子系统优化层，在设计域内对各子系统进行拓扑优化设计；对各子系统的最优解进行系统级协调优化，得到系统级的最优解；将得到的系统级最优解作为优化迭代的初值进行设计变量的更新，并将其输入轮毂电机驱动系统设计域的多场耦合分析模型，重新进行多场耦合特性的分析计算，进行新一轮的计算迭代过程，直至获得全局最优解。
本发明提出的轮毂驱动系统一体化集成优化设计方法，将拓扑优化设计理论引入轮毂驱动系统的一体化集成优化设计中，寻求考虑轮毂驱动系统结构场、电磁场、温度场、流场、振动场等多场交叉耦合效应的不仅集成度高、质量轻、散热性好的最优拓扑分布形式。同时，将多学科(子系统)优化设计思想引入轮毂电机驱动系统的优化设计中，通过探索和利用系统中相互作用的协同机制来对复杂系统进行优化求解，可以有效地减小设计建模的复杂程度,降低各子系统优化问题的维数，缩小设计空间范围，提高设计效率。本发明提出的一体化集成优化设计方法，不仅适用于轮毂驱动系统，而且同样适用于其他的复杂机电一体化系统。
附图说明
下面结合附图和实施实例对本发明做进一步说明。
图1是本发明轮毂驱动系统一体化集成优化设计方法的流程图。
图2是本发明轮毂驱动系统一体化集成优化设计方法实施例1的流程图，其将轮毂驱动系统电磁域作为设计域进行优化设计，优化目标为功率密度最大化、散热性能最大化、质量最小化。
具体实施方式
下面结合附图和实施实例对本发明作进一步详细的说明，但本发明的实施方式不限于此。
如图1流程图所示，本发明提出的一种轮毂驱动系统一体化集成优化设计方法，其步骤包括：S1：设计域的定义及设计变量初始化；S2：轮毂驱动系统多场耦合分析计算；S3：优化目标函数及约束条件的计算；S4：判断优化结果是否收敛；S5：如果结果收敛，将优化结果输出；S6：考虑加工性和制造性进行结构微调,并重新进入S2多场耦合的计算分析，对结果进行验证；S7：如果结果不收敛，在子系统优化层进行各子系统拓扑优化；S8：对各子系统的最优解进行系统级协调优化，得到系统的最优解；S9：将得到的优化设计结果作为优化迭代的初值进行设计变量的更新，并将其输入轮毂电机驱动系统的多场耦合全局分析模型，重新进入S2多场耦合的计算分析，进行新一轮的计算迭代过程，直至获得全局最优解。
实施实例1
如图2所示：将轮毂驱动系统电磁域作为设计域进行优化设计，优化目标为实现轮毂驱动系统转矩密度最大化、散热性能最大化、质量最小化。其步骤包括：
S1：首先进行设计域的定义及设计变量等的初始化。将轮毂电机驱动系统电磁域定义为设计域并进行假想材料单元密度的初始化。电磁设计域主要是指轮毂电机相关部件，涉及到电磁-热-流-结构场的耦合。
S2：在信息初始化完成后，利用多场耦合分析模型(平台)进行轮毂电机驱动系统设计域的电磁-热-流-结构场耦合分析计算。
S3：根据S2的计算结果，进行能表征转矩密度最大化、散热性能最大化、质量最小化的目标函数及相应强度和刚度约束的计算。
S4：通过制定的相关优化准则判断结果是否收敛。
S5：通过制定的相关优化准则判断结果是否收敛，如果结果收敛，则优化结束输出优化结果
S6：考虑加工性和制造性进行结构微调,并重新进入S2多场耦合的计算分析，对结果进行验证；
S7：如果结果不收敛，则重载结果、修改问题的表述，继续执行优化程序，进入下一轮子系统迭代优化阶段。在子系统优化设计阶段，考虑轮毂电机驱动系统的总体设计目标：转矩密度最大化、散热性能最大化、质量最小化，将总体目标分磁场、散热和质量三个相对独立的子系统，并根据子系统优化设计目标，进行独立寻优。采用变密度法，建立能表征转矩密度、散热性能及质量的指标的关于电磁场(子系统1)、散热(子系统2)和质量(子系统3)三个子系统的单目标拓扑优化函数，进行满足相关部件各自的强度和刚度约束单目标问题的并行求解。对于上述性能指标及目标函数的表征不是唯一的，可以有不同的表达方式。
S8：对于S7得到的各子系统的最优解，通过构造和求解广义的全局敏度方程的方法，进行系统级的分析、协调、优化，控制三个子系统间的信息交换,使各子系统在学科内独立优化求解的同时，实现三个子系统间的解耦。
S9：经过S8的系统级协调优化，将得到的优化设计结果作为优化迭代的初值进行设计变量的更新，并将其输入轮毂电机驱动系统的多场耦合全局分析模型，重新进入S2多场耦合的计算分析，进行新一轮的计算迭代过程，直至获得全局最优解。优化迭代结束后，考虑优化结构的可加工性和制造性，对优化结构进行适当的调整和改进，并对利用多场耦合分析平台对优化结果进行各项性能仿真分析和验证。

Claims (6)

1.本发明提出的一种轮毂驱动系统一体化集成优化设计方法，其特征在于，包含如下步骤：(1)根据现有轮毂电机驱动系统结构，定义设计域及初始化设计变量；(2)利用多场耦合分析平台，对轮毂驱动系统多场耦合特性进行分析计算；(3)根据多场耦合特性分析结果，计算优化目标函数及约束条件；(4)判断结果是否收敛；(5)如果结果收敛，将结果输出；(6)考虑加工性和制造性进行结构微调,并重新进入第(2)步进行多场耦合的计算分析，对结果进行验证；(7)如果结果不收敛，在子系统优化层进行各子系统拓扑优化；(8)对各子系统的最优解进行系统级协调优化，得到系统的最优解；(9)将得到的优化设计结果作为优化迭代的初值进行设计变量的更新，并将其输入轮毂电机驱动系统的多场耦合分析模型，重新进入第(2)步进行多场耦合的分析计算，进行新一轮的计算迭代过程，直至获得全局最优解。
2.根据权利要求1，所述轮毂驱动系统一体化集成优化设计方法，其特征在于，所述步骤(1)轮毂电机驱动系统结构可以是各种形式的直驱轮毂电机驱动系统和具有减速机构的轮毂电机驱动系统；所述设计域可根据需要自行定义，可以是所述轮毂电机驱动系统中某一部件或某几个部件，也可以是整个轮毂驱动系统；所述设计变量是设计域假想材料的单元密度。
3.据权利要求1，所述轮毂驱动系统一体化集成优化设计方法，其特征在于，所述步骤(2)多场耦合分析平台可以是各种商业软件所具有的多场耦合分析平台及工具，也可以是自行开发的各种用于多场耦合分析的平台及工具，可以是数值计算模型，也可以是解析计算模型；所述多场是指轮毂驱动系统所涉及的电磁场、结构场、温度场、流场、振动场、噪声场等。
4.根据权利要求1，所述轮毂驱动系统一体化集成优化设计方法，其特征在于，所述步骤(3)优化目标函数和约束条件是指根据应用对象的性能要求所指定的优化目标表达式和约束表达式，对应用对象的性能要求不同，目标函数和约束条件可以有不同的表达形式。
5.根据权利要求1，所述轮毂驱动系统一体化集成优化设计方法，其特征在于，所述步骤(7)子系统是指与系统优化目标性能有关的所要计算的子问题，如系统功率密度最大化问题、最佳散热问题、质量最小化问题等，子问题的个数由系统要优化的目标性能个数所决定；所述拓扑优化可以是变密度法、变厚度法、水平集法、结构渐进优化方法等不同的拓扑优化方法。
6.根据权利要求1，所述轮毂驱动系统一体化集成优化设计方法，其特征在于，所述步骤(8)系统级协调优化是指利用系统中相互作用的协同机制来控制各子系统间的信息交换,使各子系统在独立优化求解的同时，实现子系统间的解耦，如：构造和求解广义全局敏度方程的方法。
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