浅谈域控壳体结构材料选型设计及其应用

浅谈域控壳体结构材料选型设计及其应用

 贺瑞兴 田垚磊

比亚迪汽车工业有限公司

摘　要：材料选择和优化设计是两个非常重要的方面，它们对域控壳体的性能、成本、可靠性等方面都有着重要的影响。对于结构设计中的材料选择和优化设计的研究具有重要的理论和实际意义，可以提高域控产品的性能和可靠性，减少成本，促进域控电子集成的发展。

关键词：材料选择与应用；优化设计，轻量化

1.前言

域控壳体结构设计中需要综合考虑材料的特性、工艺的限制、设计要求等因素。材料选择和优化设计是两个非常重要的方面，它们对域控壳体的性能、成本、可靠性等方面都有着重要的影响。在材料选择方面，不同的材料具有不同的物理性能、化学性能、机械性能，同时，材料的选择也会直接影响到域控的性能和成本，因此在结构设计中需要根据设计要求选择最合适的材料；在优化设计方面，对域控壳体结构特征进行优化设计可以有效提高其性能，降低成本，增加可靠性等。因此，对于结构设计中的材料选择和优化设计的研究具有重要的理论和实际意义，可以提高域控产品的性能和可靠性，减少成本，促进域控电子集成的发展。

本文通过综合研究文献和案例，简述了三种典型域控产品在壳体轻量化材料选型设计和结构优化设计的应用；作为轻量化材料选型设计经验浅谈。

2.材料选择与优化设计的案例分析

以汽车整车控制器壳体的材料选择与优化设计应用为例，材料选择是影响域控性能和可靠性的关键因素之一。传统燃油车装置的电子控制单元功能单一且布置分散，主要关注对机械强度，EMC防护，耐腐蚀，以及耐高温等要求，而对轻量化方面要求不是很高，近年来，随着新能源汽车工业的发展，轻量化的研究应用已成为当今汽车节能减排为地球降温的重要目标之一。较低密度的新型复合材料也逐渐应用于域控中；在进行优化设计时，可以将材料参数作为设计变量之一，通过对材料参数的优化设计，有效实现轻量化目标最优化。降低整车配重，达到节能减排。

3.域控壳体材料选择及其应用

3.1常用的控制器壳体材料有金属材料、复合材料等。金属材料具有良好的机械性能和导电性能，常见的金属材料包括压铸铝合金、冲压马口铁，冲压铝合金，挤压型材铝合金等作为壳体材料；复合材料具有良好的机械性能和低密度性能以及可塑性能，常用于制造高强度、高刚度和轻质化塑料零件替代金属。常见的复合材料包括玻璃纤维增强复合材料、半芳香族加纤维增强复合材料等。

3.2整车控制器壳体在进行优化设计时，考虑需满足轻量化和耐高温性，耐腐蚀等要求，选择具有良好机械强度和轻质的半芳香族加纤维PPA+33GF等增强复合材料。如果对EMC防护要求高，产品结构复杂度不高的话，则可以选择5052铝合金材料；壳盖材料通常会考虑散热需求选择采用压铸铝合金材料ADC12或者ALSi9Cu3或者ENAC44300，手板件采用6061型材铝合金材料。

4. 不同结构材料成型的控制器壳体的对比

4.1三种类型控制器外型对比

图1 三种类型控制器图示

4.2产品重量对比

表1  几种典型控制器重量信息对比表

4.3 物性能对比

表2  壳体不同材料物性对比表

4.4可制造性（DFM）

表3  不同成型工艺过程对比表

4.5批量制造经济性：经济批量（件）

图2 批量制造经济性对比图示

表4 单件成型工艺成本对比表

工艺           模具成本        人工输入/单位           单位/单件 

图3产品费用占比关系密封示意图

4.6可装配性（DFA）

表5  装配便利性对比表

4.7 机械耐压CAE仿真对比

图4 三种类型控制器机械耐压CAE仿真图示

5. 材料选择与优化设计的结合

优化设计是指在满足设计要求的前提下，通过对设计变量的调整，使得控制器壳体的性能、成本等指标最优化的过程。优化设计的方法包括数学规划方法、遗传算法、粒子群算法等。常用的数学规划方法包括线性规划、非线性规划、整数规划等。

优化设计中，材料参数是指材料的物理性质、力学性质等参数，这些参数会直接影响到机械件的性能表现。常见的材料参数包括杨氏模量、泊松比、热膨胀系数、屈服强度等。杨氏模量是材料的刚度指标，表示单位应力下的应变量，即衡量材料抵抗形变的能力。通常情况下，杨氏模量越大，材料的刚度越高，即能够抵抗更大的形变。在机械件设计中，杨氏模量是一个非常重要的材料参数，影响到机械件的刚度和稳定性；泊松比是材料的变形指标，表示在沿一方向应力的情况下，材料沿另一方向的收缩量与应力的比值。泊松比一般在0.25~0.35之间，数值越小，材料的变形能力越差，同时也越脆。在机械件设计中，需要根据实际需要，选择适当的泊松比范围，以确保机械件的稳定性和可靠性；热膨胀系数是材料的热膨胀性指标，表示材料在温度变化下的长度变化率。在机械件设计中，需要考虑到使用环境的温度变化情况，选择适合的材料热膨胀系数，以确保机械件在使用时不会因为温度变化而出现变形或破损等问题；屈服强度是材料的抗拉性指标，表示材料在拉伸过程中开始发生塑性变形的最小应力值。在机械件设计中，需要根据机械件所承受的力的大小，选择适当的屈服强度，以确保机械件的耐久性和安全性。其次，确定材料的具体参数也是优化设计中非常重要的一个环节。常见的材料参数包括杨氏模量、泊松比、强度等等。这些参数的具体数值会直接影响到结构件的性能表现。在进行优化设计时，需要根据设计要求和使用环境等因素，确定材料参数的具体数值。在确定材料参数时，需要考虑到铝合金的强度、杨氏模量、热膨胀系数等参数。为了进一步优化设计，使用遗传算法，来确定材料参数的具体数值，从而使得控制器壳体在性能表现上达到最佳状态。

6. 结论

本文主要研究了域控结构设计中的材料选择与优化设计问题。通过对材料选择的原则和方法、常用材料的特性和应用等方面进行了介绍，并重点阐述了优化设计的概念和方法、常用的优化算法及其优缺点，以及材料选择与优化设计的结合应用。

通过本文的研究，可以得出以下结论：材料选择是结构设计中的重要问题，需要综合考虑多种因素，如物理、化学、机械等性质，设计要求，制造工艺等；优化设计是提高域控产品性能的有效方法，可以将材料参数作为设计变量之一进行优化设计，以实现最优化设计；常用的优化算法包括遗传算法、粒子群优化算法、模拟退火算法等，每种算法都有其优缺点，需要根据实际情况进行选择；材料选择与优化设计的结合应用可以进一步提高域控壳体的性能和可靠性。在进行优化设计时，需要充分考虑材料参数的影响，选择合适的材料，实现最优化设计。

然而，本文的研究还存在一些局限性，例如：本文只对结构计中的材料选择和优化设计问题进行了初步探讨，还需要更深入的研究和实践；未来，随着科技的不断发展，材料选择和优化设计的方法也将不断更新和改进，为域控的性能和可靠性提供更好的保障。

参考文献

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[2] 罗柏林. 优化设计方法及其在机械设计中的应用[M]. 机械工业出版社, 2008.

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