第一章 引言

随着新能源汽车产业快速发展，节能与续航能力成为核心竞争点，驱动电机作为动力核心，其壳体设计直接影响整车性能。驱动电机壳体需兼具保护内部组件、承载力学载荷及散热等功能，而传统设计常存在材料分布不均、结构冗余问题，导致壳体重量偏大，制约整车轻量化进程。轻量化设计可有效降低能耗、提升续航，拓扑优化技术凭借能在给定约束下优化材料分布、实现结构高效减重的优势，成为解决这一问题的关键手段。因此，本文围绕新能源汽车驱动电机壳体轻量化设计展开研究，通过拓扑优化技术应用，探索兼顾性能与减重的设计路径，为相关设计提供理论与实践支撑。

第二章 驱动电机壳体拓扑优化设计基础

2.1 驱动电机壳体的结构特征与设计约束

驱动电机壳体作为电机的关键承载与防护部件，其结构特征需充分适配电机整体装配需求。通常，壳体呈筒状或箱型结构，包含安装法兰、散热通道、轴承座孔等关键结构，既要保证与电机端盖、定子等部件的精准装配，又需为内部绕组和转子提供稳定支撑空间。在设计约束方面，首先需满足力学性能要求，电机运行时壳体需承受振动载荷、扭矩及外部冲击，需确保足够的强度与刚度以避免结构变形或损坏；其次是散热约束，电机工作产生的热量需通过壳体高效传递，壳体结构需适配散热需求，避免局部过热影响电机寿命；此外，还需考虑制造工艺约束，如铸造或焊接工艺对壳体壁厚、结构复杂性的限制，以及轻量化目标下对材料选择的约束，需在结构设计中平衡性能、工艺与减重需求。

2.2 拓扑优化的核心原理与常用算法

拓扑优化的核心原理是在给定设计空间、载荷与约束条件下，通过优化材料在设计域内的分布，实现预设目标（如减重、刚度最大化），其本质是在满足性能要求的前提下，剔除冗余材料，提升结构效率。拓扑优化以变密度法、均匀化方法、水平集法等为常用算法，其中变密度法通过引入材料相对密度变量，将拓扑优化问题转化为连续变量的优化问题，通过设定密度阈值区分材料存在区域与空白区域，计算简便且适用于复杂结构，在电机壳体设计中应用广泛；均匀化方法基于周期性微结构理论，通过设计微结构的拓扑形式实现宏观结构性能优化；水平集法则通过隐式函数描述结构边界，可精准捕捉拓扑变化过程，适合对结构边界精度要求较高的场景，不同算法需根据电机壳体的设计需求与性能目标合理选择^[1]。

2.3 拓扑优化设计的目标函数与边界条件设定

拓扑优化设计中，目标函数与边界条件的合理设定直接决定优化结果的有效性。针对驱动电机壳体，目标函数需结合轻量化需求与性能要求，通常以壳体质量最小化为主要目标，同时将强度、刚度、振动频率等性能指标作为约束条件，或采用多目标优化方法，在减重与性能提升间寻求平衡，例如以质量最小化为目标，约束壳体在额定载荷下的最大应力不超过材料许用应力、最大变形量在允许范围内。边界条件设定需模拟壳体实际工作状态，载荷条件包括电机运行时的扭矩、振动惯性力、装配预紧力及外部冲击载荷等；约束条件除力学性能约束外，还需考虑几何约束（如壳体关键尺寸、装配空间限制）、制造约束（如最小壁厚、结构连通性），确保优化结果具有实际可制造性与装配适配性。

第三章 驱动电机壳体拓扑优化设计与验证

3.1 驱动电机壳体有限元模型的构建与网格划分

构建精准的有限元模型是拓扑优化设计的基础，需以电机壳体三维实体模型为依据，结合实际工作场景简化模型。首先，忽略壳体上非关键的细小特征（如小孔、倒角），避免模型过于复杂影响计算效率；其次，定义壳体材料属性，如选用铝合金时需输入弹性模量、泊松比、密度等参数。网格划分需兼顾计算精度与效率，采用四面体或六面体单元划分，对壳体受力集中区域（如法兰连接部位、轴承座孔周边）进行网格加密处理，确保该区域应力计算精准；对受力平缓区域适当减小网格密度，降低计算量^[2]。划分完成后需进行网格质量检查，通过单元扭曲度、长宽比等指标评估，剔除不合格网格，保证模型能准确反映壳体受力状态，为后续拓扑优化提供可靠计算基础。

3.2 基于拓扑优化的壳体结构迭代优化过程

拓扑优化迭代过程需依托有限元模型，按照预设目标与约束逐步调整壳体材料分布。首先，导入有限元模型至优化软件，设定设计变量（如材料相对密度）、目标函数（如质量最小化）及约束条件（如应力、刚度约束），确定优化算法（如变密度法）与迭代参数（如收敛精度）。首次迭代后，软件输出初始拓扑优化结果，呈现材料分布云图，此时需分析结果中是否存在不合理结构（如局部材料过度集中或缺失、结构不连通）。针对问题调整参数，如修正约束条件阈值、优化设计空间范围，进行二次迭代。多次迭代后，当优化结果满足收敛条件（如目标函数变化量小于设定值、性能指标达标），提取最终拓扑结构，将其转化为可工程化的实体结构模型，完成从拓扑优化方案到初步设计模型的转化。

3.3 优化后壳体结构的力学性能仿真验证

力学性能仿真验证是判断拓扑优化结果是否可行的关键环节，需模拟壳体实际工作载荷，验证优化后结构的强度、刚度及振动特性^[3]。强度验证方面，施加额定扭矩、冲击载荷等，通过静力学仿真计算壳体应力分布，检查最大应力是否小于材料许用应力，确保无局部应力集中导致结构损坏；刚度验证通过计算壳体在载荷下的最大变形量，对比优化前结构及设计要求，判断是否满足装配与运行时的刚度需求。振动特性验证采用模态分析，计算壳体固有频率与振型，避免其固有频率与电机工作频率重合产生共振，同时分析振动位移分布，评估壳体对内部组件的防护能力。若仿真结果中某项性能不达标，需返回拓扑优化环节调整参数，重新优化设计，直至所有力学性能指标均满足要求，确保优化后壳体结构可靠。

第四章 结语

本文围绕基于拓扑优化的新能源汽车驱动电机壳体轻量化设计展开研究，系统梳理了拓扑优化设计基础，完成了有限元模型构建、迭代优化及性能验证等工作。研究通过合理设定优化目标与约束，结合迭代优化与仿真验证，在满足壳体强度、刚度及振动特性要求的前提下，实现了材料高效利用与壳体减重，证明拓扑优化技术在电机壳体轻量化设计中的有效性，为相关设计提供了可借鉴的流程与方法。但研究仍存在局限，如未充分考虑多工况下的协同优化，且对优化后结构的制造工艺适配性探索不足。未来可进一步拓展多工况拓扑优化研究，结合先进制造技术，推动电机壳体轻量化设计向更高效、更贴合工程实际的方向发展，助力新能源汽车整车性能提升。

参考文献

[1]王配,喻皓,张树林.新能源汽车驱动电机壳体与铁心过盈量优化设计[J].汽车电器,2024(10):16-17+21.

[2]单丰武,谭敦厚,林静.基于OptiStruct拓扑优化的新能源电动汽车电池箱盖轻量化设计[J].时代汽车,2018(4):87-88.

[3]王胜永,周美娟,李育文,张向峰,张文首.新能源汽车车架结构拓扑优化初步设计[J].汽车实用技术,2018,44(13):10-11+18.