随着全球能源和环境问题日益突出,新能源汽车被纳入国家战略性新兴产业,纯电动汽车作为新能源汽车的重要组成部分,突破其核心关键技术,抢占汽车技术国际制高点,推动新能源产业的健康、有序、快速发展,对实现汽车强国战略目标有重大意义。2017年全球的电动车销量超过122万辆,中国2017年电动车销量累计达到77万辆,其中纯电动汽车销量达到65.2万辆,位居全球第一。困扰电动汽车用户的几个关键问题,其一是续航里程和电池衰减,一次充电的续航里程是用户关心的首要问题,传统燃油车在600公里以上的续航已经没有技术难题,而量产电动汽车普遍还在300公里左右;其二就是电动汽车的安全问题,目前市面上少量的电动汽车常有起火自然的报道,消费者对于锂电池的安全性持有观望态度,其中轻量、安全两项关键技术是纯电动汽车能否大规模产业化应用的关键所在。因此本课题集中突破了铝合金材料、碳纤维复合材料两种轻量化材料的力学标定技术,获取了高精度的CAE分析用材料卡片;同时,探索了动力锂电池的是失效原理,提出了一种整车碰撞计算机仿真分析过程中,评估动力锂电池失效的方法。车型开发前期的CAE关键技术突破了,才能驱动汽车整车的正向开发过程,主要关键创新如下:关于铝合金材料的力学标定研究,搭建了面向汽车碰撞的轻量化材料测试平台,进行了经典铝合金材料的基础力学测试,提出铝合金材料在复杂应力和冲击载荷下的碰撞失效和断裂预报方法,突破了在CAE辅助正向开发工作中材料动态力学精确数据获取困难的瓶颈。开发了包含颈缩及断裂过程的材料动态力学性能表征技术。引入了基于光学图像相关技术的力信号测量方法,解决了行业内存在的材料拉伸测试数据精度不高的难题;并创新性地在材料本构关系中引入校准因子,解决了传统材料模型中无法直接标定材料颈缩后的强度的问题,有效提升了材料颈缩后强度曲线的精度,实现了金属材料断裂失效行为的表征精度提升了5.5%。关于碳纤维复合材料的力学标定,本项目为实现碳纤维复合材料的优化设计,从结构和材料两方面进行。其中结构设计方面探讨拓扑优化技术方法,获得载荷路径信息,为材料布置提供参考。在材料方面,研究复合材料的自由尺寸、方向及顺序等优化方法,从而获得较优力学性能表征。通过材料样件的多向拉伸和剪切测试等获得仿真分析用的基础卡片信息,首先根据基础材料模型的参数需求,进行基础力学参数试验的设计;其次为了获得CAE模拟所需的材料性能,提出了一种样件级的试验测试标定方法。利用这一阶段的结果,模拟更相关的试验,以检验材料性能的有效性,并生成相关的样件级精度的材料卡片。通常寻找单个裂纹扩展过程和力学特性,来标定样件级卡片的精度,使其更逼近真是碰撞中的零件性能。关于动力锂电池的碰撞安全性研究,针对经验主导下电池系统碰撞保护设计效率低和轻量化设计不足的问题,面向电池组分、电芯和模组三个层次,开展了电池碰撞挤压变形失效分析。基于多种应力状态和多级变形速率的力学特性测试,建立了电极与隔膜动态变形响应和断裂行为表征方法;基于电芯碰撞挤压力电热耦合响应的实时监测,揭示了引发电芯内短路的失效模式和力学机理;基于电池模组碰撞试验,辨析了不同方向受载的内短路及热失控风险。针对电芯碰撞挤压工况,发展了精细化、半均质化和均质化建模分析技术,理清了加载方式和速率对电芯内短路的影响规律,给出了碰撞挤压变形容限综合识别方法,提出了允许电池变形同时避免内短路的碰撞保护和轻量化设计策略。针对电动车辆面临新的构型设计问题与抗撞性能要求,基于整车碰撞仿真分析,理清了电池包质量和排布对碰撞波形的影响规律,提出了碰撞能量转化控制策略。基于电池包底部护板冲击破坏和电池挤压变形分析,建立了面向电动车辆底部碰撞保护的结构优化方法。拆解了电池单体,对单体的基本物理特制参数进行测量,针对性设计了一套力学性能实验,从而进行材料的本构的研究,制作用于仿真分析用的材料卡片。经过多次测试,提出了一套可靠的建模方案,对比标定了两种电池单体的测试与CAE结果,仿真结果与试验数据有很高的一致性,能够准确地对电池本体热失控风险进行判定。在整车开发过程中,利用电池单体的精细化有限元模型分析了铝合金下车体、碳纤维上车体的纯电动汽车安全开发,同时动力电池包的安全性在满足法规要求的前提下,还进行了基础典型道路工况下电池安全风险的碰撞仿真分析。碰撞试验结果表明,课题研究成果最终实现了整车轻量化和安全性的开发目标。本课题形成了轻量化电动汽车安全领域多项关键技术创新,科研期间获得授权发明专利10项,发表国际期刊论文9篇,完成专业著作一本,荣获省部级科技进步奖7项。