面向NVH性能提升的电驱总成控制器盖板拓扑优化研究（上）
1 电驱总成控制器盖板的功能和性能
1.1 控制器盖板的功能
电驱控制器盖板的主要功能是保护内部元器件免受外界环境的损害，确保控制器安全运行，同时需要方便对控制器内部元器件进行检查和维修。具体如下：
（1）保护功能：电驱控制器盖板能够防止灰尘、水分等外界杂质进入控制器内部，保护内部电子元件免受损害，确保电驱控制器正常运行和延长使用寿命；
（2）安全功能：盖板的设计能防止人员意外触碰控制器内部的带电部分，避免触电等安全事故的发生；
（3）检修功能：通过设计可拆卸的盖板结构，实现对控制器内部电路及元器件的检查维修。
1.2 控制器盖板的性能
电驱控制器盖板，由于长期处于振动及复杂的外界环境中，除了满足功能要求外，还需满足盖板自身振动疲劳及低噪声的性能要求，同时考虑轻量化，具体如下：
（1）防护等级：电机控制器盖板需要防止灰尘、水分等外界杂质进入控制器内部，避免影响控制器的正常运行；常见的防护等级有IP65、IP67等，表示控制器在不同环境下的防尘和防水能力；
（2）电磁兼容性：电机控制器盖板需要具备良好的电磁兼容性，防止电磁干扰对控制器内部电路的影响，涉及到盖板的屏蔽设计、接地设计；
（3）力学性能：车辆行驶过程中，控制器盖板处于振动环境中，需要满足振动疲劳的性能要求，防止出现结构开裂等强度问题；另外，控制器盖板为平板类结构，法向刚度低，电驱动总成的电磁激励和齿轮激励很容易通过盖板振动产生较大的辐射噪声，因此，盖板的模态、动刚度是需要重点管控的性能指标；
（4）轻量化：控制器盖板的重量直接影响零部件的采购成本和整车动力经济性，是盖板结构重要的性能指标。
2 基于电控盖板模态性能进行结构拓扑优化
2.1 拓扑优化方法介绍
拓扑优化是一种在有限元分析中用于结构材料分布设计的优化方法。在给定设计变量、约束条件、性能目标后，通过优化算法确定设计空间内各单元的去留，计算得到材料的最佳分布方案。通过拓扑优化，可以显著减少结构重量，保持或提高结构的性能，对于产品性能设计及轻量化有重要意义。
基于模态性能的结构拓扑优化包括以下步骤：
（1）建立合适规模的模态分析基础模型，通常使用盖板+控制器箱体的约束模型；
（2）将原盖板加强筋特征去除，根据盖板最大空间包络，使用实体网格填充设计空间，最后将结构划分为设计区域和非设计区域；
（3）拓扑优化命令相关设置，包括设计变量、约束条件、目标值的定义；
（4）拓扑优化求解计算及结果查看；
（5）基于拓扑结果进行结构网格重构，仿真分析验证模态性能。
2.2 确认盖板最大包络空间和设计区域
2.2.1 确认盖板最大包络空间
控制器盖板在整车布置空间的位置，通常如下图1所示。
盖板上方为车身的地板，在车辆大扭矩加减速工况下，电驱总成会出现俯仰运动，因此，盖板上表面与车身地板之间通常需要有20mm运动间隙。
盖板下方为控制器内部元器件，对于不同电压和绝缘要求的内部元器件，与盖板之间需要有一定的安全间隙。
基于上述运动间隙和安全间隙的要求，即可确定盖板的最大包络空间。
2.2.2 确认盖板设计区域
控制器盖板的最大包络空间分为设计区域和非设计区域，如下图2所示。对于常见的铸铝工艺制造的盖板，一般工艺要求最小壁厚为3mm，加上螺栓安装面、密封等功能需求，下图所示的灰色 区域定义为盖板的非设计区域，绿色 区域为可进行拓扑优化的设计区域，设计区域使用实体网格填充，与非设计区域节点耦合。
2.3 盖板模态响应的拓扑优化设置方法
拓扑优化分析与其他数学模型优化逻辑类似，针对优化分析三要素分别进行定义：设计变量、约束条件、目标函数。
对于设计变量，即为上图2的盖板可设计区域；另外，由于盖板四周边界通常是不规则的非对称结构，因此不建议对设计变量施加对称约束，以便得到最优解。
对于约束条件和目标函数，通常有以下两种实际情况，对应两种优化设置方法。
（1）盖板模态频率有明确的目标要求；
设计变量：盖板设计区域；
约束条件：一阶模态频率大于目标值；
目标函数：盖板设计区域质量分数最小化。
设计变量：盖板设计区域；
约束条件：盖板设计区域质量分数小于一定数值；
目标函数：一阶模态频率最大化。
2.4 盖板模态拓扑优化结果
如下图3是基于盖板设计区域保留35%材料、盖板一阶模态频率最大化的拓扑优化结果；红色 区域单元密度接近1，表示对一阶模态频率贡献最大，需要保留该区域的材料；蓝色 区域单元密度为0.1，表示对一阶模态频率贡献最小，不需要保留该区域的材料。
2.5 结构网格重构及模态性能验证
图4盖板拓扑优化网格重构模型
盖板拓扑方案网格模型重构后进行模态仿真分析，前三阶模态振型如下图5：
盖板结构优化方案相比原盖板各阶模态频率明显提升，前三阶模态频率及重量对比，如下表1：
方案 | 一阶模态频率 | 二阶模态频率 | 三阶模态频率 | 盖板总重量 |
原盖板(无加强筋) | 263 Hz | 440 Hz | 577 Hz | 1.23 kg |
盖板全部填充 | 536 Hz | |||
3 基于电控盖板动刚度性能进行结构拓扑优化
3.1 基于盖板动刚度性能进行拓扑优化的意义
电驱动总成这类旋转机械，由于工作转速范围较宽，同时存在电机电磁和齿轮的多个阶次，导致电驱激励源的激励频率范围很宽，严格意义上讲，盖板的模态频率无法与激励频率完全避开；从模态避频设计的角度，盖板的模态频率要与电驱常用工况转速对应的激励频率避开。
对于结构模态无法避频的情况，可以通过控制结构动刚度在模态频率处的最小值，来管控结构处于共振状态时的振动幅值，进而实现控制电驱辐射噪声的目的。
3.2 盖板动刚度响应拓扑优化设置方法
对原盖板方案及盖板全部填充方案中心点进行法向动刚度分析，位移及动刚度频率响应结果如下图6、图7所示，原盖板最大变形0.0639 mm，最小动刚度16 N/mm；盖板全部填充方案最大变形0.0026mm，最小动刚度385 N/mm。
设计变量：盖板设计区域；
约束条件：盖板中心点法向位移频响曲线峰值小于目标值；
目标函数：盖板设计区域质量分数最小化。
3.3 盖板动刚度响应拓扑优化结果
如下图8是基于盖板中心点最大位移0.005 mm为约束条件，盖板设计区域质量分数最小化为目标的拓扑优化结果；该拓扑结构对应盖板中心点最大位移0.0036 mm，法向动刚度278 N/mm，相比原盖板方案大幅提升。
3.4 结构网格重构及动刚度性能验证
基于上图9盖板动刚度拓扑优化结果，对盖板网格进行重构，如下图11所示。
图9盖板动刚度拓扑优化网格重构
盖板网格重构后进行中心点法向动刚度验证，原盖板最小动刚度16 N/mm，重量1229g；盖板全部填充方案动刚度最小值377 N/mm，重量3464g；基于动刚度性能的拓扑优化网格重构模型，动刚度最小值143 N/mm，重量1675g，动刚度相比原盖板方案大幅提升，如下图10所示。
4 小结
（1）盖板结构的拓扑优化，首先要跟盖板上部的运动间隙和盖板下部的安全间隙的要求，明确盖板的最大包络空间，然后根据盖板的工艺要求和安装要求，划分非设计区域和设计区域；盖板结构的设计区域即为拓扑优化的对象。
（2）对于盖板一阶模态频率有明确目标要求的情况，把盖板一阶模态频率设置为约束条件，盖板设计区域的质量最小化作为优化目标。
（3）对于盖板模态频率无明确目标的情况，把盖板设计区域的质量分数作为约束条件加以限制，盖板一阶模态频率最大化作为优化目标。
（4）对于盖板模态与激励源激励频率无法避频的情况，建议采用基于盖板动刚度性能进行拓扑优化的方法，通过提升结构动刚度在各阶模态频率处的最小值，达到降低辐射噪声的目的。
（5）后续将进一步分析盖板结构拓扑优化方案对振动及辐射噪声的影响。
