شماره ركورد
34572
پديد آورنده
اميرمحمد كهن
عنوان
ساختار مشبك بهينه براي جعبه باتري خودروي برقي
مقطع تحصيلي
كارشناسي ارشد
رشته تحصيلي
مهندسي خودرو
سال تحصيل
1401
تاريخ دفاع
1404/07/28
استاد راهنما
مسعود مسيح طهراني
استاد مشاور
محمدرضا نجفي
دانشكده
مهندسي خودرو
چكيده
با گسترش استفاده از خودروهاي برقي، طراحي سازههاي سبكوزن و ايمن براي بستههاي باتري به يكي از چالشهاي كليدي مهندسي خودرو تبديل شده است. ساختارهاي مشبك از نوع TPMS با قابليت تنظيم هندسه و رفتار مكانيكي، فرصت را براي دستيابي به تعادل ميان استحكام، جذب انرژي و وزن فراهم كردهاند. اين پژوهش، رويكردي دومرحلهاي با هدف توسعهي يك ساختار مشبك بهينه براي بهبود ايمني و كاهش وزن جعبه باتري است. در گام نخست، پنج ساختار TPMS شامل ژيرويد، شوارتز P، شوارتز الماس، IWP و يك ساختار پيشنهادي جديد (Prototype) در nTop مدلسازي شدند و تحت سه تحليل اجزاي محدود متناظر با آزمون استاندارد UNECE R100 شامل فشردگي، ضربه و ارتعاش مورد بررسي قرار گرفتند. نتايج بر اساس شاخصهايي نظير تنش، جابجايي، جذب انرژي و زمان چاپ، با استفاده از روش تصميمگيري چندمعياره تاپسيس ارزيابي شدند. ساختار ژيرويد با وجود 31 درصد استحكام كمتر از الماس، به دليل تعادل بهينه ميان عملكرد مكانيكي و 43٫4 درصد زمان توليد كوتاهتر بهعنوان ساختار منتخب براي بهينهسازي برگزيده شد. در گام دوم، اين ساختار با استفاده از روش بهينهسازي ميداني در محيط nTop بهينهسازي شد تا ضخامت پوسته در فضاي سه بعدي بهينه شود و عملكرد كلي ساختار بهبود يابد. اهداف بهينهسازي شامل كاهش انرژي كرنشي، كاهش جابجايي داخلي، و بهبود توزيع تنش در ضربه بودند و قيود طراحي مطابق با استانداردهاي ISO 12405 و UNECE R100 براي ارتعاش، فشار و ضربه تعيين شدند. در پايان، ساختار بهينه با چاپ سهبعدي توسط دستگاه دايان K12T توليد شد و با استفاده از STM-150 تحت آزمون فشار قرار گرفت. نتايج عددي نشان دادند كه ساختار نهايي با نسبت حجمي 0٫44، حداكثر تنش معادل 44٫69 مگاپاسكال و فركانس طبيعي 298 هرتز، تمام قيود طراحي را برآورده ساخته است. در مقابل، نتايج تجربي آزمون فشاري نمونه چاپشده نشان دادند كه نمونه بهينهشده در جابجايي مشابه، نيروي فشاري بالاتري (حدود 43.7 كيلونيوتون در جابجايي 18.2 ميليمتر) نسبت به نمونه غيربهينه (21 كيلونيوتون در 16٫8 ميليمتر) تحمل كرده است. اين نتايج توزيع مناسبتر تنش را تأييد كرده و نشان ميدهد كه تركيب فرآيند تصميمگيري چندمعياره براي انتخاب نوع ساختار و بهينهسازي ميداني براي تنظيم پيوسته ضخامت، ميتواند راهكاري كارآمد براي طراحي اجزاي سبكوزن و مقاوم در سامانههاي باتري خودروهاي برقي باشد. نوآوري اين پژوهش در ارائهي چارچوبي يكپارچه از انتخاب، بهينهسازي و اعتبارسنجي تجربي است كه مسيري جديد را نشان ميدهد و قابليت تعميم به ساير اجزاي سازهاي خودرو را نيز دارد.
تاريخ ورود اطلاعات
1404/11/30
عنوان به انگليسي
Optimal Lattice Structure for Electric Vehicle Battery Pack
تاريخ بهره برداري
2/20/2026 12:00:00 AM
دانشجوي وارد كننده اطلاعات
اميرمحمد كهن
چكيده به لاتين
With the growing adoption of electric vehicles (EVs), designing lightweight yet safe structures for battery packs has become one of the key challenges in automotive engineering. Triply Periodic Minimal Surface (TPMS) lattice structures, with their tunable geometry and mechanical response, offer new opportunities to achieve an optimal balance between strength, energy absorption, and weight. This research presents a two-stage framework aimed at developing an optimized lattice structure to improve both safety and weight efficiency of an EV battery enclosure. In the first stage, five TPMS structures—Gyroid, Schwarz Primitive, Diamond, IWP, and Cyclic Cosine (CC)—were modeled in nTop and analyzed using finite element simulations corresponding to three mechanical tests defined in UNECE R100: compression, impact, and vibration. The results were evaluated using the TOPSIS multi-criteria decision-making method based on performance indicators such as stress, displacement, energy absorption, and printing time. Although the Gyroid exhibited 31% lower strength than the Diamond structure, its 43.4% shorter printing time and balanced mechanical behavior made it the most suitable candidate for further optimization. In the second stage, the Gyroid was optimized using the field-driven optimization method in nTop, enabling continuous spatial adjustment of shell thickness to enhance global structural performance. The optimization objectives included minimizing strain energy and internal displacement while improving stress distribution under impact, with design constraints defined according to ISO 12405 and UNECE R100 standards for vibration, compression, and shock. The optimized structure was fabricated using a Dayan K12T 3D printer and experimentally validated through quasi-static compression testing on an STM-150 testing machine. Numerical results showed that the final design, with a volume ratio of 0.44, maximum equivalent von Mises stress of 44.69 MPa, and a first natural frequency of 298 Hz, satisfied all design constraints. Experimental compression results confirmed that the optimized sample endured a significantly higher load (approximately 43.7 kN at 18.2 mm displacement) compared to the non-optimized sample (21.2 kN at 16.8 mm), along with more uniform deformation and delayed failure onset. These findings demonstrate that combining multi-criteria decision-making for structure selection with field-driven optimization for continuous thickness control provides an effective strategy for designing lightweight and durable EV battery modules. The innovation of this research lies in presenting an integrated framework of selection, optimization, and experimental validation, establishing a new pathway that can be generalized to other structural components in automotive design.
كليدواژه هاي فارسي
بهينهسازي ميداني , تصميمگيري چندمعياره , TPMS , توليد افزودني , جعبه باتري خودرو برقي
كليدواژه هاي لاتين
Field Optimization , Multi-Criteria Decision-Making , TPMS , Additive Manufacturing , Electric Vehicle Battery Pack
Author
Amir Mohammad Kohan
SuperVisor
Dr. Masoud Masih Tehrani