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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)汽車的輕量化技術(shù)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

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

1 電動(dòng)汽車工況分析

根據(jù)電動(dòng)汽車在實(shí)際使用過程中的需求，電動(dòng)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(dòng)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(dòng)汽車電機(jī)、動(dòng)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(dòng)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。可以看出，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(dòng)電機(jī)動(dòng)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(dòng)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?，此時(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(dòng)電機(jī)動(dòng)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(dòng)工況

緊急制動(dòng)工況主要是指電動(dòng)車通過最大制動(dòng)減速度制動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)社會保障出版社，2008.