電動汽車車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

單承標(biāo)（中國第一汽車股份有限公司青島汽車研究所，山東 青島，266000）

電動汽車車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

單承標(biāo)
（中國第一汽車股份有限公司青島汽車研究所，山東 青島，266000）

電動汽車的車架作為承力的主體結(jié)構(gòu)，其性能將會直接影響電動汽車的安全性和舒適性，因此，設(shè)計(jì)出具有足夠強(qiáng)度和剛度的車架至關(guān)重要。本文對某款電動汽車車架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析，對電動汽車的輕量化技術(shù)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

電動汽車；車架結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計(jì)

1 電動汽車工況分析

根據(jù)電動汽車在實(shí)際使用過程中的需求，電動汽車在車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，主要考慮的是在各種工況下，沖擊載荷對車架結(jié)構(gòu)的破壞作用，下面以電動汽車車架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度為依據(jù)，同時(shí)結(jié)合美國通用汽車公司標(biāo)準(zhǔn)建立的多種計(jì)算工況提出了幾種典型的工況［1］。

1.1 車架彎曲工況

車架彎曲工況是指車輛滿載狀態(tài)下，四輪著地進(jìn)行勻速直線行駛時(shí)，車身受到對稱垂直載荷的作用。在車架彎曲工況下，主要由乘客、電動汽車電機(jī)、動力總成和電池向車架施加載荷。圖1 給出了車架在彎曲工況下的應(yīng)力分布情況，此時(shí)車架的應(yīng)力水平較低，較高應(yīng)力主要集中在車架底部動力總成的安裝位置以及駕駛員座位和前后懸架的位置，最大應(yīng)力集中在前懸架?？梢钥闯?，對車架應(yīng)力和變形量形成影響的主要因素包括乘客、驅(qū)動電機(jī)動力總成以及電池施加的載荷。

1.2 車架扭轉(zhuǎn)工況

扭轉(zhuǎn)工況是指電動汽車在經(jīng)過凹凸不平的路面時(shí)，其中一輪處于懸空或者抬高的狀況。由于在此工況下，車輪的接地位置之間存在高度差值，因此，車架所承受的載荷屬于不對稱載荷。圖2所示為車輛右后輪懸空狀態(tài)下，車架的應(yīng)力分布情況，從圖中可以看出，車架的變形與平均與應(yīng)力水平有所增加。由于右后輪處于懸空狀態(tài)，車架右側(cè)的扭轉(zhuǎn)變形更加明顯?？梢钥闯觯藭r(shí)對對車架應(yīng)力和變形量形成影響的主要因素包括乘客、驅(qū)動電機(jī)動力總成以及電池與懸架系統(tǒng)之間的相對位置。

1.3 緊急制動工況

緊急制動工況主要是指電動車通過最大制動減速度制動車輛時(shí)車架的受力情況。此時(shí)，車架所受的載荷由縱向和豎向載荷構(gòu)成，車架的約束情況以及豎向載荷與彎曲工況下處于相同書評，但是為了引入地面制動力，會向車架施加一個(gè)與縱向載荷同一方向的加速度，并以作用力的行駛施加給車架的第三根橫梁的中點(diǎn)。該工況下，車架的應(yīng)力分布以及變形量主要受到軸承載荷轉(zhuǎn)移影響。

圖1 彎曲工況下車架應(yīng)力分布情況

圖2 扭轉(zhuǎn)工況下車架應(yīng)力分布情況

2 車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 車架拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)

（1）剛度要求

為了能夠在短時(shí)間內(nèi)確定該下擺臂的優(yōu)化結(jié)構(gòu)，首先需要以典型的傳統(tǒng)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)流程為基礎(chǔ)，并分別將結(jié)構(gòu)整體的體積約束和剛度最大化作為拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)和約束條件，同時(shí)制定載荷及位移邊界條件，通過密度法建立如下所示的靜力狀態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型［2］：

在上面的模型中，目標(biāo)函數(shù) 表示結(jié)構(gòu)的總體積；為約束條件，這里表示結(jié)構(gòu)對剛度的要求； 表示單元密度，從微觀角度來看，其主要表示單元的存在性，而從宏觀角度來看，則表示存在微觀的矩形孔和二階材料，通常在［0，1］之間取值。

（2）模態(tài)要求

使結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)最大化，從而提高結(jié)構(gòu)的基頻，使其可能超過結(jié)構(gòu)的共振頻率，這樣能夠較好的抑制結(jié)構(gòu)噪音的產(chǎn)生，從而減少車輛行駛過程中的噪音，為乘客提供更加舒適的乘坐感受。當(dāng)電動汽車車架處于靜態(tài)載荷時(shí)，結(jié)構(gòu)基頻的提高設(shè)計(jì)是車架優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，利用下面的優(yōu)化模型來避免多模態(tài)特征值問題對單個(gè)特征值的影響：

此時(shí)的優(yōu)化目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的最大化動態(tài)響應(yīng)，因此，選擇提高收斂精度的方式，使迭代次數(shù)增加，以獲取更高的基頻。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，此處將收斂容差的值設(shè)置為0.001，當(dāng)兩次相鄰迭代的差值小于0.001時(shí)，終止迭代過程，這樣具有較高的收斂精度，能夠獲取較高的結(jié)構(gòu)基頻。

（3）拓?fù)鋬?yōu)化

通過分析電動汽車車架在車體的空間位置和結(jié)構(gòu)，建立了如圖3所示的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)域。

結(jié)合前面對結(jié)構(gòu)剛度和頻率的要求，這里選擇45鋼作為主要結(jié)構(gòu)材料，結(jié)構(gòu)的彈性模量為200GPa，泊松比為0.3，屈服強(qiáng)度為355MPa。通過高收斂精度的迭代過程之后獲取優(yōu)化之后的結(jié)果，并以該結(jié)果為基礎(chǔ)，結(jié)合具體的結(jié)構(gòu)布置和車輛實(shí)際行駛要求，選擇矩形鋼管和槽鋼作為主要結(jié)構(gòu)，圖4給出了新的車架結(jié)構(gòu)。但是此時(shí)只確定了結(jié)構(gòu)形式，并未對材料的具體厚度進(jìn)行確定，還需要進(jìn)一步優(yōu)化計(jì)算。

圖3 拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)域

圖4 新車架結(jié)構(gòu)

2.2 形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對上面的初步優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，還需要進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)新的車架結(jié)構(gòu)，以獲取具體的車架結(jié)構(gòu)尺寸，下面結(jié)合形狀優(yōu)化方法［3］建立優(yōu)化模型計(jì)算矩形鋼管和槽鋼的厚度。

3 結(jié)語

本文結(jié)合通美國通用汽車公司標(biāo)準(zhǔn)建立的多種計(jì)算工況提出了3種典型的電動汽車車架工況，并對3種工況進(jìn)行了靜態(tài)分析和自由模態(tài)分析，通過分析確定了電動汽車車架在不同工況下應(yīng)力的具體分布情況，還確定了影響車架應(yīng)力分布和變形的主要因素。在此基礎(chǔ)上，本文對電動汽車車架進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，對于相關(guān)設(shè)計(jì)研究工作具有一定的參考和借鑒作用。

（References）

［1］王友成.某款電動汽車框架車身結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化［D］.合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2012.

［2］占澤晟.多功能電動車車架的優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.汽車工程師，2010（10）：33-36.

［3］邵超城，劉強(qiáng)，龍飛永.純電動汽車車架設(shè)計(jì)及有限元分析［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2011（8）：39-41.

上接P56頁

對于密集型缺陷，缺陷波密集互相彼連，在不同方向上探測，缺陷回波情況類似。

UT檢測中確診缺陷后按照返修工藝，在現(xiàn)場對缺陷進(jìn)行了挖補(bǔ)處理，在進(jìn)行打磨消缺的過程中對其進(jìn)行了PT檢測，共發(fā)現(xiàn)兩處超標(biāo)缺陷，其中一處為條形夾渣，長約5mm，如圖5所示，另外一處缺陷為層間未熔合，長約23mm，如圖6所示，與超聲波檢出的缺陷正好吻合。打磨消除補(bǔ)焊后重新進(jìn)行超聲波檢測，未發(fā)現(xiàn)缺陷。

5 結(jié)論

本文通過對整個(gè)檢驗(yàn)過程及結(jié)果的分析描述，針對此類焊縫超聲波檢測給出以下建議：

1）在檢測之前，需將焊縫的焊角高度磨平至技術(shù)規(guī)格書或圖紙要求的尺寸，并圓滑過渡，以保證探頭有較大的掃查范圍。

2）在選擇探頭時(shí)，應(yīng)選用低頻率、大晶片、小角度的斜探頭，確保缺陷不漏檢。

3）在缺陷的挖補(bǔ)過程中，由于肉眼觀察范圍有限，故應(yīng)輔助以PT或MT檢測，以便更好地對缺陷進(jìn)行定位。

4）采用上述超聲波檢測方法，工作效率高、檢測速度快、缺陷定量定位準(zhǔn)確，完全滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

參考文獻(xiàn)（References）

［1］ ASME鍋爐及壓力容器委員會無損檢測分會.ASME V-2001 無損檢測［M］.北京：中國石化出版社，2002.

［2］ 鄭暉，林樹青.超聲波檢測［M］.北京：中國勞動社會保障出版社，2008.