实验室主要研究方向简介

      针对中国及广西汽车产业技术需求及发展目标,瞄准汽车零部件与整车制造技术的前沿,立足于基础和应用基础研究,整合广西科技大学(筹)机械、汽车、电子、信息、材料等方面的研究基础,建设广西汽车零部件与整车技术重点实验室,在以下方向重点开展具有鲜明特色的科技创新研究工作:
      1. 汽车零部件模块化设计与先进制造技术研究方向
      本研究方向主要有以下三个研究单元:
      (1) 模块化设计理论与方法
      主要研究汽车、工程机械等机电产品模块化设计关键技术。研究轮式装载机、柴油发动机等复杂产品的模块化方法,研究面向产品族的模块相似度计算方法及模块库重用度优化方法,研究模块化产品的多层次配置方法,研究基于模块化的机电产品变更方法,研究基于模块化的产品主结构生成技术,研究基于复杂网络的模块耦合关系研究;运用CAD/CAM/CAE技术对车辆关键零部件进行数字化设计与制造技术的研究。包括车辆零部件数据管理技术或供应链管理技术研究;基于多目标协同优化技术的车辆关键零部件变型设计研究;复杂曲面建模与数控加工、复杂曲面零件精密在线检测关键技术研究;产品制造信息集成技术、制造资源规划技术研究等。
      (2) 机械结构与系统动力学
      主要针对现代滑动轴承转子系统设计与制造方面对减少滑动轴承转子系统的能量损失,提高运行稳定性,降低制造成本的需求,采用非线性油膜力模型系统地研究考虑尺寸制造误差、动静态形位误差及其交互作用时滑动轴承转子系统的能量损失和稳定性的分析和计算方法,运用Taguchi理论系统地定量分析各类制造误差对系统运行特性的影响,并将系统的能量损失与稳定性等联系起来作为优化的目标,寻求最佳的尺寸公差及形位公差的设计方法,使系统的综合性能受制造误差的影响较小。
在高速电主轴的力学特性方面,通过对机床主轴高速重载运转时的热应力及热应变、动力学及热弹性力学等科学问题的研究,建立了高速电主轴动力学及热弹性力学动态模型,考虑轴承非线性非光滑接触因素,研究了主轴-轴承系统设计参数对轴端振动响应的动态影响。并将主轴系统模型运用到铣削动力学方程中,研究非线性非光滑轴承支承引起的稳定及非稳定铣削岛现象、总结主轴-轴承系统设计参数对铣削稳定性的影响、揭示主轴端部动态特性与系统铣削稳定性之间的本质联系。
      (3) 汽车零部件新材料制备理论与方法
      主要研究汽车用铝合金及其复合材料制备与加工中的基础问题,探索合金中析出相的形成机制及微观结构,合金制备与加工中织构的形成机理,材料疲劳与蠕变机制等科学问题,获得材料微观结构与力学性能之间的关系;开展汽车用球墨铸铁及其复合材料制备中的关键科学问题研究;针对钢铁、铝合金等汽车零部件材料的激光表面强化技术中的基础理论问题开展深入研究,通过实验与有限元模拟相结合的方式研究激光表面处理过程中熔池内温度场分布、熔池流的对流机制,冷凝时熔覆层内发生的组织变化过程及其规律;加工过程中表面温度场的影响因素等关键基础问题,完善现有激光加工理论及加工工艺。
      2. 汽车轻量化与NVH技术研究方向
      虽然发达国家多年来对汽车轻量化与NVH技术给予了高度重视,积累了较为丰富的理论与技术研究成果和解决问题的工程实践经验,但由于问题的复杂性,该领域目前仍然存在着大量的理论和技术空白,目前尚未形成发达国家技术垄断的格局。为了使我区乃至国内汽车行业充分把握这一时机,在跟踪、学习国外先进技术的同时,在自主创新的基础上力求在汽车轻量化与NVH的基础理论和应用技术方面取得某些方面的率先突破,带动我区汽车轻量化与NVH技术的整体跨越式发展,以形成“后发优势”,推动我区汽车工业向更高层次、更高水平健康发展。
多年来我校汽车轻量化与NVH研究团队结合“车辆工程”广西重点学科、“教育部工程研究中心”、自治区高校人才小高地和自治区高校重点实验室建设,在国家自然科学基金、广西科学基金以及高校博士点专项基金的资助下,在汽车轻量化与NVH技术的研究方向上,达到了在国内外处于先进水平的研究实力。本研究方向主要有以下二个研究单元:
      (1) 汽车轻量化技术
      (a)基于现代设计理论的汽车零部件结构优化设计理论研究
采用现代信息化技术和设计理论,创新优化设计工具和轻量化设计理论,结合CAE仿真技术,优化零部件结构设计,应用多学科相结合的优化设计手段,将有限元理论、基于灵敏度分析的优化设计方法及拓扑优化理论等应用于零部件结构的动、静态特性计算和分析中,开展汽车零部件的结构优化设计,为有效利用材料的力学特性提供理论支撑,为汽车关键零部件的轻量化结构创新设计提供有益的参考。
      (b)新材料在汽车轻量化方面的应用研究
为有效减轻汽车的整车重量,目前国际上主要采用具有高比强度、比刚度的轻质合金材料用以代替现有的金属材料。为此,通过实验方法研究各种金属合金材料的合成工艺与材料特性,通过实验测试与仿真分析手段探索性地研究将具有高比强度、比刚度的非金属材料,如碳纤维增强树脂基复合材料和有机纤维复合材料用于零部件关键部件的可行性。与此同时,创造性地将广泛用于土木工程中的预应力技术用于汽车关键零部件中,研究基于预应力技术的汽车零部件的力学特性。为新材料在汽车轻量化方面的应用做出有益的尝试。
      (c)先进制造技术和工艺在汽车轻量化方面的应用研究
为确保零部件具有更高尺寸精度、更精细的工艺参数,达到零部件轻量化的设计要求,需要采用先进的制造技术和工艺方法。内高压成形技术就是目前汽车复杂零部件先进生产工艺的代表。为此,本研究以数值计算为主要研究手段,结合理论分析、实验测试对各种金属管件材料在内部高压液体与水平补料进给推力共同作用下成形特性进行研究。针对不同汽车零部件几何特点,设计不同的成形模具,通过数值仿真分析手段结合相关的实验方法,了解并掌握管件材料在内高压成形过程中的形变规律,提出合理的零部件成形的加载路径,为内高压成形技术在汽车零部件生产与加工中的应用奠定重要基础。
      (2) 汽车NVH技术
      (a)声场重建技术在汽车噪声控制中的应用研究
      声场计算(尤其是中高频段)和声场重建技术是噪声控制的理论基础。在这一研究领域,我们已建立了一种用于声场计算和重建的独创方法和技术,提出了基于快速傅立叶变换求解任意形状空穴声辐射(散射)问题的快速复数矢径波叠加法和快速复源点波叠加法,这些方法相对于传统的声场计算和重建方法,它们的计算精度和效率显著提高。在上述理论研究的基础上,进一步开展声全息检测方法和技术的研究工作;同时开展对运动振源目标识别方法的研究工作,并结合智能材料(主要是智能阻尼材料)和现代控制技术(智能控制技术)开展对车辆乘员舱内噪声和运动车辆的辐射噪声(环境噪声)的主动控制相关基础理论和应用技术的研究工作,是今后的主要研究内容。
      (b)主动和被动约束层阻尼材料在汽车振动与噪声控制中的应用研究
主动(智能)和被动约束层阻尼材料(智能材料)在汽车振动与噪声抑制方面的应用,具有抑制效果好、成本低、工程化应用前景广阔的强大优势,近年来已成为减振、降噪领域的重要研究热点。在这一研究领域,我们对被动约束层阻尼(PCLD)、主动约束层阻尼(ACLD)和磁性主动约束层阻尼(MACLD)等智能阻尼材料在结构振动与噪声抑制方面已开展了多年的基础研究工作,在理论建模、分析方法、优化设计以及最优控制等方面,取得了一系列具有明显理论创新的研究成果,处于国内外先进水平,已具备了很好的研究基础。下一步我们将着力拓展主动(智能)和被动约束阻尼材料(或其它智能材料和智能结构)在汽车车身结构的振动抑制和乘员舱内噪声抑制方面的应用基础研究,着重开展智能材料在车辆结构振动和噪声抑制方面的理论建模和最优控制方法方面的应用基础研究;同时开展智能材料在车辆悬挂系统上的应用基础研究;开展汽车智能覆盖件(智能蒙皮)的应用基础研究;开展新型吸音、吸能、吸热材料的应用基础研究;开展智能泡沫金属的应用基础研究(包括性能研究和制备方法研究等)。可以预见,进一步深入开展该方向在汽车工程领域的应用基础研究和工程应用推广,必将极大地提高汽车NVH品质参数,也必将对我区汽车工业向中高档轿车转型升级以及工程机械(车辆)出口创汇产生较大推动作用。
      3. 电动汽车动力系统关键技术研究方向
      电动汽车的动力系统不同于传统燃油汽车的动力系统,电动汽车可能具有两个动力源,或者两个以上的动力源,但不管如何,其动力系统都要涉及电机及其驱动系统、动力电池、DC-DC变换器等部件,以及对它们的控制问题,因此,电机驱动技术、动力电池技术以及相关的控制技术构成了电动汽车动力系统的关键技术。本方向围绕这些关键技术,开展相关的研究。本研究方向主要有以下三个研究单元:
      (1) 电机驱动系统及控制算法
电机是电动汽车的核心动力,其驱动系统实现电机的运转控制,是很重要的核心部件。本研究涉及车用感应电动机、永磁无刷电动机、开关磁阻电动机等电机的速度控制和运行的效率优化等问题,利用先进性控制理论,并借鉴已有电机驱动系统控制算法和微处理器实现技术,通过控制仿真和台架试验相结合的研究方法,探索出电机驱系统控制性能优异、能耗少、效率高和利于工程实现的控制算法和策略,并研制出电机驱动系统及其控制器,研究电驱动系统的小型化和轻量化设计方法。
特别地,由于电动汽车运行工况的复杂性,为了避免单一控制策略在电机运行中复杂工况导致的参数辨识误差所引起的控制偏差甚至控制失效等问题,必须要研究电动汽车电机在不同的运行时段所采用的对应控制策略,以提高电动汽车的动静态性能。如,电动汽车在低速和启动时实现大转矩快速跟随,中低速阶段的节能控制,高速阶段的快速弱磁控制,制动阶段的能量回馈控制等。
      (2) 电动汽车DC-DC变换技术
      双向DC-DC变换器是新能源汽车关键的零部件,是汽车能源流动和控制的核心。它是实现在汽车电动状态下利用蓄电池、超级电容等供电以及在制动或减速过程中回收并存储能量的关键,同时通过双向DC-DC变换器控制系统对能量流动大小、方向等进行控制,保证汽车行驶稳定性以及合理及时回收能量。
      本研究开展双向DC-DC变换器进行原理分析和建立数学模型,进行拓扑结构的优化设计研究;开展双向DC-DC变换器与电机驱动系统整体集成设计的理论研究,达到双向DC-DC变换器在性能基本不变的情况,减少功率开关器件的目的,降低变换器的成本、体积、重量,为开发全新的DC-DC变换系统提供理论基础;研究快速动态响应计算的新方法和抑制动态超调的措施与方法;从保证双向DC-DC系统准确响应命令值的角度,结合车辆行驶特性,进行系统全工作域动态性能优化设计等;研究其适用的自适应控制,以适应电动汽车双向DC-DC变换器良好的控制需要;根据电动车辆复杂行驶工况的要求,从功率损耗、电平波动、载波频率变化、动态过程响应等角度对双向DC-DC系统的过程效率优化理论研究,重点对动态过程的效率优化方法进行深入探讨,形成动态效率优化理论;研制出双向DC-DC变换器及其控制系统样机,达到功率变换效率提高的目标。
      (3) 车用动力电池及测试管理技术
      在电池的制备技术和材料方面,主要研究锂离子电池电极/溶液界面的基本物理化学问题,锂离子电池的电解质与正负极材料,锂离子电池的制备与管理控制技术,基于超级计算的动力电池材料的设计、计算理论和方法,基于密度泛函理论、电子结构计算、分子动力学模拟和多尺度计算的动力电池材料性能预测方法。
      从测试管理角度,开展电动汽车用动力电池充放电特性研究,充放电一致性和充放电方法研究,各种车载能源模式下智能能量管理系统的研究,蓄电池及超级电容荷电状态(SOC)算法的研究、电池寿命状态(SOH)、电池能量状态(SOE)、多能量源互补状态的控制策略研究以及电动车用动力电池的性能评价体系研究等。