電動賽車輕量化材料車身設計及分析*

楊嘉豪，趙海軍，許非易，段然，段澤義

電動賽車輕量化材料車身設計及分析*

楊嘉豪，趙海軍*，許非易，段然，段澤義

（天津職業(yè)技術師范大學汽車與交通學院，天津 300222）

為某電動賽車設計輕量化材料車身，通過對車身的三維建模，以及綜合運用有限元模態(tài)分析技術，選用不同材料，優(yōu)化車身結構，對整車車身的輕量化進行了較為深入的研究。通過文章的研究，對電動賽車車身在材料運用上提供了理論基礎與技術支撐，與傳統(tǒng)電動賽車的車身重量相比，車身重量大幅降低。

電動賽車；車身設計；模態(tài)分析；碳纖維復合材料

前言

隨著化石能源的快速消耗和碳排放的增加，如何實現替換機動車現有的化石燃料，尋找更清潔的能源成為了汽車工業(yè)長期的課題[1]。近年來隨著電池技術的進步，電動汽車的普及率進入了快速增長的時期，以純電動汽車為代表的新能源汽車已成為汽車行業(yè)發(fā)展的一大趨勢，各大廠家也紛紛投入到電動汽車的研發(fā)當中，在民用電動汽車快速興起的同時，賽用電動車也逐漸進入了大眾的視野，國際電動賽車比賽也火熱開展，各大汽車制造商積極投身電動賽車的研發(fā)，試驗許多領先的電動賽車技術，在此背景之下，高校學生參與的電動賽車賽事也多有舉辦，受到諸多關注。在當前的電池技術背景下，提升電動汽車續(xù)航里程除增大電池容量外，主要依賴車輛結構的輕量化[2]。

在比賽當中，車身的重量大小是賽車能否取得優(yōu)勢的關鍵因素之一，輕量化的車身有利于發(fā)揮賽車的動力性，同時更輕的車身將對操控的敏捷和靈活產生重大的積極影響。賽車車身輕量化除了在結構上優(yōu)化這一途徑之外，也可以通過選擇適當的材料達到輕量化的目的[3][4]。應用輕量化材料對車身進行優(yōu)化設計，不僅可以直接降低汽車能耗、提高動力性能，還可提升汽車的操縱性等整車動力學性能[5]。在以往比賽中，電動賽車多采用結構鋼作為車身材料，本文將嘗試采用鋁合金、鎂合金、鈦合金等材料，與傳統(tǒng)結構鋼車身進行對比，分析得出達到輕量化的最佳材料。

本文對某電動賽車車身進行輕量化設計，對整車進行三維車身建模，運用優(yōu)化技術，通過對三維模型的仿真分析，得到多種優(yōu)化方案，對比不同材質下車身的重量以及受力情況，選出最佳的車身材料。

1 電動賽車車身建模及人機工程

1.1 Catia車身建模

電動賽車在比賽過程中，車身往往會受到來自路面的沖擊，因此一個結構合理且具有足夠強度和彎曲剛度的車身尤為重要。只有達到足夠要求，才能應對比賽過程中復雜情況下的沖擊。

此外，電動賽車的車身輕量化也是一個不容忽視的關鍵點，只有盡可能的去降低車身的重量，才能進一步發(fā)揮電動賽車的加速性能，同時獲得良好的操控性能，為電動賽車改善在高速情況下的駕駛性能提供良好基礎。

電動賽車比賽中所采用的車架類型有以下幾種：單體式車架、一體式車架、桁架式車架。本文選用桁架式車架，利用Catia進行整車車身的結構設計和建模，車身的整體尺寸為2500mm×575mm×1100mm，在車身結構中采用布置三角形結構桿件，以增加車架的空間結構強度，如圖1所示。

圖1 桁架結構車身

1.2 車身人機工程學分析

在車身結構設計中，除結構造型方面外，還應充分考慮人機工程學，使車身的設計適應于人在駕駛時的身體姿態(tài)，以保證駕駛員的操作簡便省力、安全舒適，充分發(fā)揮人、機效能，使整個系統(tǒng)獲得最佳效益，并在比賽過程中充分發(fā)揮。

車架前部設計較窄，中部略寬，結構充分復合人機工程學。利用Catia中的human builder模塊建立人體模型仿真，如圖2所示。

圖2 human builder人體模型仿真

2 車架模態(tài)分析

2.1 模態(tài)分析的意義

（1）使整車中各部件模態(tài)分離，防止各部件之間共振引起的振動噪聲問題。

（2）使整車中各部件與電動機的怠速頻率分離，防止車中部件在怠速時因電動機激勵而共振。

（3）研究各部件模態(tài)頻率與發(fā)動機階次激勵中的重合點，防止在重合點處振動噪聲放大。

（4）研究各部件模態(tài)頻率與路面激勵頻率的重合，防止路面激勵帶來振動噪聲和平順性問題。

（5）研究人體敏感頻率和車身、座椅等系統(tǒng)的頻率重合，增加駕駛員和乘客的舒適度感覺。

2.2 不同材料車架的模態(tài)分析

模態(tài)分析是車身結構優(yōu)化的重要環(huán)節(jié)，可通過所得數據對車身的結構設計進行評價。在分析過程中，將選用結構鋼、鋁合金、鎂合金、鈦合金作為車身材料，對不同材料的車身分析出13階振頻，對比優(yōu)化[3]。

（1）結構鋼車身模態(tài)分析

在Ansys workbench中選擇model模塊進入模態(tài)分析，選擇所需材料為結構鋼，將已繪制好的車架以模型文件導入，再對其進行網格的劃分，網格劃分如圖3所示，所得模態(tài)分析如圖4所示。

圖3 網格劃分

圖4 結構鋼車身模態(tài)振型

由于在分析過程中，沒有對車身進行約束，所以在該過程中所得到的模態(tài)頻率中，前六階模態(tài)頻率接近于零，因而在數據采集時用從第七階開始的數據，所得頻率數據如表1所示。

表1 結構鋼車身前六階振頻

圖6 第二階振型

圖7 第三階振型

圖8 第二階振型

（2）鋁合金車身模態(tài)分析

在已經設置好的材料庫中選擇鋁合金材料，在進行如上操作，即可得到如圖9所示的模態(tài)振型。

圖9 鋁合金車身模態(tài)振型

通過模態(tài)分析得出，鋁合金材料車身前六階頻率，如表2所示。

表2 鋁合金車身前六階振頻

（3）鎂合金車身模態(tài)分析

選用鎂合金材料進行操作，得到如圖10所示的模態(tài)振型。

通過模態(tài)分析得出，鎂合金材料車身前六階頻率，如表3所示。

表3 鎂合金車身前六階振頻

（4）鈦合金車身模態(tài)分析

選用鈦合金材料進行操作，得到如圖10所示的模態(tài)振型。

圖11 鈦合金車身模態(tài)分析

通過模態(tài)分析得出，鈦合金材料車身前六階頻率，如表4所示。

表4 鈦合金車身前六階振頻

3 車架有限元模型及結構的優(yōu)化

通過對車架的有限元模態(tài)分析后發(fā)現，在以結構鋼作為材料的車架中，車架前部出現較大變形的情況，所以針對此結構做出改善優(yōu)化[5]。

3.1 優(yōu)化方案的布置

通過分析，車架前端部分尺寸較長，且為了給懸掛和轉向系統(tǒng)預留位置，沒有加裝支撐桿件，在兩側形成了大塊的平行四邊形結構，故在出現共振時更加容易出現變形，且結構上沒有較好的加強部分，我們決定對其加裝加強支撐以達到更好的優(yōu)化效果。

對優(yōu)化后的車架進行模態(tài)分析，得到第一階云圖，如圖12所示。

圖12 優(yōu)化后第一階車身振頻

通過對比得出，在最開始的車身中一階振頻的最大位移為9.192mm，而通過優(yōu)化結構后，車身的最大位移為7.032 mm，所以優(yōu)化后的車身結構更加穩(wěn)定。

4 車架有限元模型的靜應力分析

在設計過程中，除了結構模態(tài)等問題外，還需要考慮受力方面的因素。在實際中，我們選用的駕駛員體重為60kg，電池箱重量則設置為500kg，在Ansys中選擇靜應力模塊進行靜應力分析[1]。

選擇車架中承重的兩根橫軸，如圖12、13所示。分別設置兩根承重軸的受力分別為800N，對其進行分析。

圖13 第一根承重軸

圖14 第二根承重軸

分析結果。等效應變圖如圖14所示，等效應力如圖15所示。根據分析結果，可以看出最大的最大應變?yōu)?.882mm，最大的應力為201.32MPa，而我們選用的材料為結構鋼，結構鋼的屈服應力355MPa，故該車架的設計符合要求。

圖15 車架等效應變

圖16 車架等效應變

5 各材料車架的重量對比

通過對車身的模態(tài)分析，直觀地看出了車架的各部分的情況，同時也能夠通過Ansys的模態(tài)分析模塊得到不同材料下，車架的重量。根據這些所得重量，對比分析出重量較輕的最佳材料，為車架材料的選用提供一定的參考。

所得重量結果如表所示?？梢钥闯鲈诮Y構鋼、鋁合金、鎂合金、鈦合金材料中，重量最輕的就是鈦合金材料。

表5 各種材料重量對比結果

使用結構鋼的車身質量為88.708kg，而采用鎂合金作為替代后，車身質量為20.341kg，其整體質量降低了68.367kg。

根據車身輕量化貢獻率計算如式（1）。

式中：為車身輕量化貢獻率；1為替代部分的原始質量；2為替代后質量；總為替代后白車身的總質量。

因此車身輕量化貢獻率為77.1%。

根據此公式可計算出其他材料的輕量化貢獻率。

6 結論

（1）在車架的設計過程中應當滿足人機工程學。利用Catia中的human builder模塊，直觀的得出了該車架充分復合人機工程學。

（2）應用ANSYS Workbench19.0的Model模塊對車架進行了模態(tài)分析，得到了前六階的固有頻率。通過模態(tài)分析發(fā)現，在車身的前部更容易發(fā)生共振以及應變，對此對改車架進行了結構優(yōu)化，在前端的車身中加裝加強桿，優(yōu)化后的車架其性能有明顯改善。

（3）應用ANSYS Workbench19.0的Static Structural模塊，模擬電池箱重量和駕駛員重量，將力施加在兩根承重軸上，進行靜態(tài)分析得出車架的受力云圖，通過云圖發(fā)現該車架滿足材料的力學性能。

（4）通過選用結構鋼、鋁合金、鎂合金、鈦合金的車身對比分析，得出了輕量化貢獻率最佳的材料為鈦合金，為車架材料的選用提供了參考，但由于還應考慮材料剛度，成本等問題，最終的材料選定在實際設計中還需根據情況而定。

[1] 柯俊,史文庫,袁可.基于整車性能的復合材料板簧阻尼特性研究[J].汽車工程,2019,41(12):1424-1429.

[2] 蔣榮超,劉越,劉大維,王登峰,孫海霞.扭轉梁懸架碳纖維復合材料橫梁結構優(yōu)化[J].汽車工程,2020,42(2):264-269.

[3] 陳靜,唐傲天,田凱,劉震.碳纖維復合材料防撞梁輕量化設計[J].汽車工程,2020(3):390-395.

[4] 陳靜,彭博,王登峰,唐傲天,陳書明.碳纖維增強復合材料電池箱輕量化設計[J].汽車工程,2020,42(2):257-263.

[5] 趙海軍,王國華,常家東,李琦,劉紅霞.基于輕量化改進的微型貨車車身剛度驗證[J].機械強度,2016,38(2):380-384.

Design and Analysis of Lightweight Material Body of Electric Racing car*

Yang Jiahao, Zhao Haijun*, Xu Feiyi, Duan Ran, Duan Zeyi

( College of Automobile and Transportation, Tianjin University of Technology and Education, Tianjin 300222 )

In order to design a lightweight material body for an electric racing car, through the three-dimensional modeling of the body, and the comprehensive use of finite element modal analysis technology, the selection of different materials, optimization of the body structure, the lightweight vehicle body has been studied in depth. Through the research of this paper, it provides theoretical basis and technical support for the material application of electric racing car body. Compared with the weight of traditional electric racing car body, the weight of electric racing car body is greatly reduced.

Electric racing; Body design; Modal analysis; Carbon fiber composite

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.03.013

U469.6+96

A

1671-7988(2021)03-44-04

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1671-7988(2021)03-44-04

楊嘉豪（1998-），男，就讀于天津職業(yè)技術師范大學汽車與交通學院，研究方向為汽車輕量化。

趙海軍，博士，副教授，碩士研究生導師，就職于天津職業(yè)技術師范大學汽車與交通學院，研究方向為車輛振動噪聲控制、汽車動力學和排放控制。

天津市高等學校大學生創(chuàng)新訓練計劃項目（201910066 082，2019 10066054）。