電動汽車前艙蓋輕量化設計研究

韓友國，劉向陽，吳洪濤，徐承付

1.奇瑞新能源汽車股份有限公司，安徽蕪湖 241002；2.新能源汽車輕量化技術安徽省重點實驗室，安徽蕪湖 241002

0 引言

隨著汽車工業(yè)技術水平的快速發(fā)展，汽車行業(yè)進入了高速發(fā)展階段。據(jù)工業(yè)和信息化部發(fā)布的相關數(shù)據(jù)表明，截至2020年底，我國的汽車保有量已達2.81億輛，位居世界前列，但新能源電動車保有量僅492萬輛。傳統(tǒng)燃油汽車帶來的能源過度消耗和環(huán)境污染問題，越來越引起人們的關注和擔憂。新能源電動汽車相較燃油汽車而言，具有明顯的節(jié)能和環(huán)保優(yōu)勢。作為能源消耗大國，我國正在大力扶持與推廣新能源汽車的研究與開發(fā)，積極推動電動汽車產(chǎn)業(yè)健康有序發(fā)展。

電動汽車動力來源于搭載車身上的電池包，若提高車輛續(xù)航里程，則需要配備更大的電池包，進而導致整車質量增加，所承載質量降低。因此，在兼顧續(xù)航里程的前提下，降低電動汽車其他車身附件質量勢在必行。汽車輕量化技術作為節(jié)能減排的重要核心技術，已成為各大主機廠提升市場競爭力的關鍵。輕量化設計主要分為3個方面：①結構優(yōu)化設計；②輕量化材料應用；③先進工藝。其中結構優(yōu)化主要分為拓撲優(yōu)化、尺寸優(yōu)化和形狀優(yōu)化等。

在車身系統(tǒng)結構件中，前艙蓋作為汽車車身前端主要覆蓋件，具有導流空氣、保護電機和艙內(nèi)零部件的作用。本文以某車型前艙蓋為例，從材料選擇和結構設計兩個方面，對其進行輕量化研究，并探討其拓撲優(yōu)化的設計流程。

1 拓撲優(yōu)化方法簡介

拓撲優(yōu)化(topology optimization)是一種在給定負載情況、約束條件和性能指標下，在給定的區(qū)域內(nèi)對材料分布進行優(yōu)化的數(shù)學方法，主要適用于產(chǎn)品的初步設計和優(yōu)化階段。拓撲優(yōu)化和尺寸形狀優(yōu)化的區(qū)別如圖1所示。

圖1 拓撲優(yōu)化和尺寸形狀優(yōu)化的區(qū)別

在工程領域中的優(yōu)化目標大都是由相互沖突和影響的多個目標構成，即所說的優(yōu)化問題大多數(shù)是多目標優(yōu)化問題。一般而言，在進行多目標優(yōu)化問題中，其各子目標之間是相互關聯(lián)且矛盾的，一個目標性能的改善往往會導致另一個或幾個子目標性能的降低。因此，若想同時讓多個子目標達到最優(yōu)值幾乎不可能，需在各子目標之間進行協(xié)調(diào)折衷處理，綜合達到最優(yōu)化目標。多目標與單目標優(yōu)化的本質區(qū)別在于，它的解并非唯一，而是存在一組Pareto最優(yōu)解集合。

對于電動汽車結構而言，前艙蓋作為整個車身的重要部件，其力學特性影響到整車的力學性能。當前艙蓋剛度不足時，在開閉過程中會讓人感受到其明顯的變形，影響用戶使用感受；當前艙蓋發(fā)生碰撞或受到外力沖擊時，往往是最先接觸并發(fā)生變形的部件，直接影響到車輛和駕乘人員的安全。前艙蓋模態(tài)作為車身局部模態(tài)也會產(chǎn)生三大類噪聲振動問題：一是局部模態(tài)與車身的整體模態(tài)產(chǎn)生共振；二是局部模態(tài)與聲腔模態(tài)耦合共振；三是局部模態(tài)被外界激勵起來產(chǎn)生共振。

因此，在車身的開發(fā)設計過程中，前艙蓋作為車身前艙的主要覆蓋件，研究其是否同時滿足靜態(tài)工況下的剛強度要求和動態(tài)工況下的模態(tài)頻率要求(防止共振)也十分必要。

2 前艙蓋系統(tǒng)結構

電動汽車前艙蓋主要由內(nèi)板、外板、局部加強板組成，其中外板與內(nèi)板主要通過包邊、黏接等方式結合，一般為增加前艙蓋系統(tǒng)的強度及剛度，會在鎖或鎖扣安裝處、鉸鏈安裝處及撐桿安裝處布置有局部加強板，甚至在內(nèi)、外板組成的空腔內(nèi)設有支撐板，其中加強板與支撐板通過焊接或鉚接的方式與內(nèi)板相連接。所選取的某車型的前艙蓋系統(tǒng)結構如圖2所示，前艙蓋內(nèi)板結構如圖3所示。

圖2 前艙蓋系統(tǒng)結構

圖3 前艙蓋內(nèi)板結構

要實現(xiàn)電動汽車前艙蓋輕量化，降低整車質量和汽車行駛過程中的非必要電量消耗，主要從前艙蓋的結構設計和材料選擇輕量化兩個方面考慮。

(1)結構設計要求。剛度滿足設定的剛度目標，且質量盡可能地??；模態(tài)頻率滿足設定的模態(tài)目標值，要求其低階固有頻率應避開路面產(chǎn)生的不平衡激勵，一般為1～30 Hz。

(2)材料選擇要求。作為增韌聚丙烯復合材料，其密度為1.0～1.2 g/cm，遠低于鋼的密度7.8 g/cm，在滿足所需剛度和強度的條件下，可顯著降低前艙蓋的質量，較好地滿足車身結構輕量化需求。在材料選擇方面，所選取的某車型的前艙蓋外板材料為PP+EPDM-T20，內(nèi)板材料為PP-GF30。前艙蓋主要材料參數(shù)見表1。

表1 前艙蓋主要材料參數(shù)

3 前艙蓋拓撲優(yōu)化方法數(shù)學模型

拓撲優(yōu)化本質是在給定的設計區(qū)域和邊界條件下，確定結構材料的最優(yōu)化布局，在不同工況和約束的條件下會得到不同的拓撲結構。由于前艙蓋外板需根據(jù)造型要求進行設計，因此在設定優(yōu)化區(qū)域時，只對內(nèi)板進行拓撲優(yōu)化設計。

3.1 靜態(tài)工況下前艙蓋拓撲優(yōu)化數(shù)學模型

靜態(tài)工況下，前艙蓋內(nèi)板主要考慮側向剛度、扭轉剛度；以前艙蓋體積分數(shù)為約束條件，柔度最小為目標函數(shù)進行優(yōu)化，基于折衷規(guī)劃方法和功效函數(shù)法建立靜態(tài)工況下拓撲優(yōu)化數(shù)學模型：

(1)

3.2 動態(tài)工況下前艙蓋拓撲優(yōu)化數(shù)學模型

動態(tài)工況下，主要優(yōu)化前艙蓋的模態(tài)特性，在車輛運行過程中，一般以其低階頻率最大化為目標函數(shù)(一般考慮前6階模態(tài)頻率)。考慮到某一階次頻率較大時，其他階次頻率可能會發(fā)生模態(tài)交換現(xiàn)象，其求解過程中的收斂性和穩(wěn)定性得不到保證。因此一般采用前6階平均頻率作為優(yōu)化的目標，其動態(tài)工況下的拓撲優(yōu)化數(shù)學模型為：

(2)

式中：()為平均頻率；為第階特征頻率值(≤6)；為需要優(yōu)化的低階頻率階次；，為給定參數(shù)，用以調(diào)整目標函數(shù)；為第階頻率的權重系數(shù)。

3.3 綜合工況下前艙蓋拓撲優(yōu)化數(shù)學模型

同時考慮前艙蓋靜態(tài)(剛度)和動態(tài)(模態(tài))目標為拓撲優(yōu)化后的總目標，基于折衷規(guī)劃法集合平均頻率法，得到靜態(tài)-動態(tài)綜合工況下的拓撲優(yōu)化數(shù)學模型為：

(3)

式中：()為靜態(tài)和動態(tài)條件下的綜合目標函數(shù)；、、分別為前艙蓋橫向剛度、扭轉工況一(鎖安裝點)、扭轉工況二(緩沖塊安裝點)的權重系數(shù)；為靜態(tài)工況下總柔度權重系數(shù)，且++=；()為頻率函數(shù)()的最大值;()為頻率函數(shù)()的最小值。

4 前艙蓋拓撲優(yōu)化流程

前艙蓋在實際工作過程中，主要承受靜態(tài)3種剛度工況和一種模態(tài)工況，其試驗方法見表2。

表2 前艙蓋試驗方法

由上述建立的前艙蓋靜態(tài)-動態(tài)工況下的多目標拓撲優(yōu)化數(shù)學模型可知，在進行拓撲優(yōu)化分析前，需確定各工況的權重系數(shù)。權重系數(shù)一般可通過層次分析法獲得，設定靜態(tài)工況下總柔度的權重系數(shù)為0.6，即++=06，動態(tài)工況的權重系數(shù)為04。

前艙蓋拓撲優(yōu)化流程如圖4所示，在Hypermesh軟件中對前艙蓋初始模型設定材料屬性，進行網(wǎng)格劃分(六面體網(wǎng)格)，利用基于上述建立的前艙蓋靜態(tài)-動態(tài)綜合工況下的前艙蓋拓撲優(yōu)化數(shù)學模型，并通過OptiStruct軟件進行優(yōu)化分析，最終得到優(yōu)化后前艙蓋內(nèi)板結構。

圖4 前艙蓋拓撲優(yōu)化流程

5 結論

本文從車身結構輕量化需求出發(fā)，在材料選擇和結構設計方面探討了前艙蓋輕量化的可行性。選取了PP-GF30(增韌聚丙烯復合材料)作為前艙蓋內(nèi)板材料，在滿足剛強度需求的同時，極大地降低了前艙蓋的質量。同時，基于已建立的前艙蓋靜態(tài)-動態(tài)綜合工況下的拓撲優(yōu)化數(shù)學模型，并運用該模型建立了前艙蓋內(nèi)板結構拓撲優(yōu)化的流程，為電動汽車其他零部件的開發(fā)和輕量化設計提供了思路和參考依據(jù)。