新型電動(dòng)汽車車架輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)

霍佳興 辛堯

摘 要：面對(duì)環(huán)境和資源的雙重壓力，具有清潔、能量轉(zhuǎn)換高效等優(yōu)點(diǎn)的電動(dòng)汽車，已成為汽車發(fā)展和生產(chǎn)的重要組成部分。研究發(fā)現(xiàn)，降低電動(dòng)汽車質(zhì)量對(duì)增加續(xù)駛里程和降低耗能有明顯的作用，質(zhì)量減少100kg，行駛里程將增加1.2%，百公里耗能減少1.6%。車架是汽車的受力基體，因此，電動(dòng)汽車車架輕量化很重要。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車；汽車車架；輕量化；優(yōu)化設(shè)計(jì)

1 輕量化設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

現(xiàn)代的汽車設(shè)計(jì)研發(fā)具有4項(xiàng)明確要求，即安全、舒適、節(jié)能和環(huán)保。因此減輕結(jié)構(gòu)重量，增加車輛安全性，節(jié)省燃料和減少尾氣排放以及對(duì)環(huán)境的污染，是汽車開發(fā)設(shè)計(jì)的重要發(fā)展方向。同時(shí)，如今汽車的買家希望購(gòu)買的車輛能夠獲得一定的利潤(rùn)，他們要求購(gòu)買的汽車應(yīng)該性能好，工作安全可靠，乘坐放心舒適等，并且要求款式新穎，符合時(shí)尚元素等，同時(shí)買家也越來越關(guān)注汽車的燃料效率，要求行駛過程中產(chǎn)生的附加費(fèi)用低，以及產(chǎn)生的污染盡量少等，還要求車價(jià)平民化買得起。2003年，汽車工程師學(xué)年會(huì)在底特律召開，在對(duì)參加會(huì)議的專家學(xué)者的意見調(diào)查中顯示，減輕汽車質(zhì)量，使用可節(jié)約燃料，減少?gòu)U氣排放，降低汽車生產(chǎn)成本和裝配成本，生產(chǎn)出對(duì)消費(fèi)者有吸引力的功能性設(shè)計(jì)等這些因素成為汽車制造行業(yè)面臨的重要挑戰(zhàn)。據(jù)了解，汽車重量每減少10%，可減少燃油消耗7%，大大節(jié)省了壽命期內(nèi)的使用成本。車體質(zhì)量每減少20%-30%，一輛車的CO2排放量就減少0.5噸。因此，汽車車身的輕量化設(shè)計(jì)是節(jié)能減排、綠色制造不容忽視的開始關(guān)鍵點(diǎn)與最終落實(shí)處。汽車輕量化的方法主要有：（1）通過對(duì)車身車架等結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到輕量化目的；（2）使用新材料、新工藝等達(dá)到輕量化的目的。這兩種優(yōu)化方法是目前汽車行業(yè)在輕量化方面應(yīng)用最多兩種方法。新材料、新工藝方法主要是應(yīng)用質(zhì)量更輕的合金、復(fù)合材料等代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼材料車身，并找到更合適的加工成型方法。與采用新材料、新工藝方法相比，對(duì)傳統(tǒng)材料車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)仍然是現(xiàn)在汽車制造行業(yè)的主流方式，主要方法有尺寸優(yōu)化，形狀優(yōu)化，拓?fù)鋬?yōu)化以及多學(xué)科、多目標(biāo)優(yōu)化。

2 建立車架有限元模型

將在三維建模軟件中建立好的模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化可以提高有限元分析的效率，模型簡(jiǎn)化的原則及簡(jiǎn)化內(nèi)容為：（1）分析車架三維模型，進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。客車車架或一些機(jī)械結(jié)構(gòu)，一般會(huì)設(shè)計(jì)成對(duì)稱、排列形式，在簡(jiǎn)化一個(gè)模型前首先要觀察模型是否有直線對(duì)稱、旋轉(zhuǎn)對(duì)稱或排列有序。對(duì)稱的模型可以切割、簡(jiǎn)化為只處理一半模型，后者直接對(duì)稱過去即可；有序排列的模型可以只處理其中一個(gè)，其余陣列獲得。（2）非承載件的簡(jiǎn)化。簡(jiǎn)化一些不承受載荷的非承力件，或者將一些不直接作用于結(jié)構(gòu)的載荷刪除忽略，用質(zhì)量點(diǎn)或直接加載的形式代替；（3）簡(jiǎn)化圓角、倒角、小孔等。將抽取完中間面并且簡(jiǎn)化完成的模型導(dǎo)入到HyperMesh

軟件中，對(duì)模型進(jìn)行有幾何清理、劃分網(wǎng)格等。在HyperMesh中，打開aotoclaenup命令，觀察模型的Freeedges（自由邊）、Sharededges（共享邊）、Suppressededges（抑制邊）以及T-junctions（T型邊）等，對(duì)本應(yīng)該是共享邊或T型邊的自由邊進(jìn)行延伸等編輯，使自由邊耦合、連接到一起；縫合、修復(fù)自由邊。對(duì)車架模型前處理完成后，接下來的工作是劃分網(wǎng)格。HyperMesh具有強(qiáng)大的網(wǎng)格劃分功能，在HyperMesh中對(duì)車架劃分網(wǎng)格，選擇網(wǎng)格尺寸為10mm，網(wǎng)格數(shù)量為600109，節(jié)點(diǎn)數(shù)為589727。網(wǎng)格劃分時(shí)采用四邊形網(wǎng)格為主，在一些邊角的地方采用三角形和四邊形混合單元類型為輔的方法。劃分網(wǎng)格時(shí)，注意避免出現(xiàn)形狀怪異、扭曲的單元，必要時(shí)可以對(duì)單元進(jìn)行編輯，使網(wǎng)格單元質(zhì)量達(dá)到最優(yōu)，以免影響計(jì)算過程。劃分單元網(wǎng)格時(shí)還應(yīng)注意網(wǎng)格之間的連續(xù)耦合，以免影響計(jì)算結(jié)果。網(wǎng)格劃分結(jié)束后，要對(duì)網(wǎng)格的質(zhì)量、網(wǎng)格耦合連續(xù)性等進(jìn)行檢查。2D單元qualityindex檢查質(zhì)量為優(yōu)的單元占99.9%，雅克比系數(shù)均大于0.6，三角形網(wǎng)格最大內(nèi)角小于120°，最小內(nèi)角大于20°，其余均在20°-120°范圍內(nèi)；四邊形網(wǎng)格最大內(nèi)角小于135°，最小內(nèi)角大于45°，其余均在45°-135°范圍內(nèi)。無重合、疊加的網(wǎng)格，網(wǎng)格之間悉數(shù)縫合，如下圖所示為該車架有限元模型。

3 車架動(dòng)載荷有限元分析

汽車在實(shí)際行駛過程中，車架承受的彎曲與扭轉(zhuǎn)載荷主要由復(fù)雜的路面激勵(lì)引起的，以及來自乘客、車載部件、懸架等激勵(lì)產(chǎn)生的振動(dòng)引起的。在行駛過程中，上述載荷屬于動(dòng)態(tài)載荷，復(fù)雜且不穩(wěn)定，這些載荷在行駛中對(duì)車架的作用也是復(fù)雜且不穩(wěn)定的。因此在車架靜力分析的基礎(chǔ)上，引入基于動(dòng)態(tài)載荷的車架有限元分析。提取車輛在典型工況的行駛過程中，各載荷的動(dòng)態(tài)載荷曲線譜，讀取峰值載荷力，基于動(dòng)態(tài)峰值力對(duì)車架進(jìn)行有限元分析。在多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS/Car中搭建12m電動(dòng)汽車的整車模型以及道路模型，通過對(duì)該車進(jìn)

行運(yùn)動(dòng)仿真，提取車架在應(yīng)力最大工況下的右前輪下沉工況的動(dòng)態(tài)載荷峰值力。把通過仿真獲得的動(dòng)態(tài)載荷峰值力作用在車架上，對(duì)車架進(jìn)行基于動(dòng)態(tài)載荷峰值力應(yīng)力位移分析。在多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS/Car中搭建的車輛模型，能夠滿足模擬仿真車輛在路上行駛的要求。通過利用多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件搭建整車模型，可以縮短車輛的設(shè)計(jì)周期、盡可能避免車輛設(shè)計(jì)誤差、節(jié)約車輛設(shè)計(jì)開發(fā)成本、提高車輛整體質(zhì)量等。

3.1 彎曲工況

彎曲工況主要是模擬車輛在滿載狀態(tài)下，在水平的良好路面上行駛時(shí)應(yīng)力分布和變形情況。由此，約束前懸架與車架接觸位置的平動(dòng)自由度X、Y、Z，釋放轉(zhuǎn)動(dòng)自由度ROX、ROY、ROZ；約束后懸架與車架接觸位置的平動(dòng)自由度Y，釋放平動(dòng)自由度X、Z和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度ROX、ROY、ROZ。加載求解得彎曲工況車架變形圖；由圖可知，在滿載情況下，車架的變形主要出現(xiàn)在車架中部和后部，車架1最大值為0.42mm，車架2為0.61mm，遠(yuǎn)小于許用的變形量5.3mm，則目標(biāo)車架彎曲剛度較好。2）車架的絕大部分應(yīng)力較小，車架1最大應(yīng)力96.90MPa，車架2為113.59MPa，由國(guó)標(biāo)GB50316-2000可知在常溫下Q235材料的屈服極限為235MPa，即在彎曲工況下車架的應(yīng)力滿足要求。

3.2 扭轉(zhuǎn)工況

扭轉(zhuǎn)工況主要分析車架抵抗扭轉(zhuǎn)變形的能力，多發(fā)生在崎嶇不平的路面上，不平的路面會(huì)使得車架左右縱梁的受力不均。由此，約束右前懸架與車架接觸位置的平動(dòng)自由度X、Y，釋放平動(dòng)自由度Z和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度ROX、ROY、ROZ；約束后懸架與車架接觸位置的平動(dòng)自由度Y，釋放平動(dòng)自由度X、Z和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度ROX、ROY、ROZ；釋放左前懸架與車架接觸位置的平動(dòng)自由度X、Y、Z和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度ROX、ROY、ROZ，即模擬左前輪懸空的狀態(tài)。加載求解后得彎扭工況車架變形圖；結(jié)果分析：1）由圖可知，在滿載情況下，車架的變形主要發(fā)生在車架左前端，車架1其最大值為3.16mm，車架2為4.62mm，小于許用變形量。2）車架的絕大部分應(yīng)力值較小，車架1最大應(yīng)力為144.78MPa，車架2為196.85Mpa，低于許用應(yīng)力值。

4 結(jié)束語(yǔ)

車架作為客車的主要承載件其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度以及動(dòng)態(tài)特性等影響著車架的操縱穩(wěn)定性、舒適性等，車架的質(zhì)量占客車總重的很大一部分，因此對(duì)車架以質(zhì)量最小為優(yōu)化目的的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有滿足目前節(jié)能環(huán)保要求、增加客車車載電池續(xù)駛里程、改善客車轉(zhuǎn)向靈活性、改善客車行駛性能等的意義。

參考文獻(xiàn)

[1]王青春，趙娟妮，楊芳，牟智.載貨汽車車架輕量化評(píng)價(jià)方法及優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].鍛壓技術(shù)，2017，4209：174-181.