王勝永，周美娟，李育文，張向峰，張文首

（1.鄭州輕工業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，河南 鄭州 450002；

2.大連理工大學(xué)工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024）

前言

發(fā)展新能源汽車工業(yè)，進(jìn)行車輛能源動(dòng)力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型，是汽車工業(yè)實(shí)現(xiàn)節(jié)能、環(huán)保及可持續(xù)發(fā)展的重要策略[1]。新能源汽車多以混合動(dòng)力或純電動(dòng)為主，相比于燃油汽車，其車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必然考慮動(dòng)力電池的安裝、保護(hù)及重量等問(wèn)題。然而，目前我國(guó)大部分新能源汽車車架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)大多基于現(xiàn)有車架結(jié)構(gòu)的改型，研發(fā)全新新能源汽車車架結(jié)構(gòu)的實(shí)例較少?；谌加推囓嚰芙Y(jié)構(gòu)的改型設(shè)計(jì)，不僅其結(jié)構(gòu)優(yōu)化空間非常有限，而且在考慮質(zhì)量較大的電池組時(shí)，僅僅尺寸、形狀等優(yōu)化設(shè)計(jì)方法將可能導(dǎo)致新能源汽車車架結(jié)構(gòu)局部力學(xué)性能不足或部分結(jié)構(gòu)材料冗余[2]。

結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法發(fā)展至今已有100多年，隨著計(jì)算機(jī)及軟件技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于土木、化工、航空等工程領(lǐng)域。結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法主要有離散結(jié)構(gòu)和連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化兩大類。其核心思想是在給定的設(shè)計(jì)區(qū)域內(nèi)，通過(guò)設(shè)計(jì)變量、約束條件及目標(biāo)函數(shù)等設(shè)置，獲得結(jié)構(gòu)的最優(yōu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)型式，以實(shí)現(xiàn)最省材料、最佳力學(xué)性能的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[3]。在新能源汽車車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，車架結(jié)構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是在初步設(shè)計(jì)中首先要完成的工作，主要包括車架結(jié)構(gòu)中梁、柱等承載件的空間布置形式。本文根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)、設(shè)計(jì)變量及約束條件，應(yīng)用有限元軟件提供的變密度拓?fù)鋬?yōu)化方法，建立了適用于新能源汽車車架結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)空間；并針對(duì)新能源汽車正常運(yùn)行過(guò)程中存在的彎曲、扭轉(zhuǎn)2個(gè)工況，進(jìn)行單目標(biāo)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，分別得到了滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)的新能源汽車車架拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。為新能源汽車車架結(jié)構(gòu)下一步詳細(xì)設(shè)計(jì)提供一定的參考基礎(chǔ)。

1 車架拓?fù)鋬?yōu)化有限元模型

在有限元軟件提供的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法中，變密度法是最為常用的一種方法。其基本思路是引入一種假想的密度可變材料，有限元模型中可以存在多種單元，而設(shè)計(jì)變量則為各個(gè)單元對(duì)應(yīng)的密度值。在有限元模型結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化計(jì)算中，如果某一單元的相對(duì)密度值為“1”，則代表該單元充滿材料。相反，如果某一單元的相對(duì)密度值為“0”，則代表該單元沒(méi)有材料，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中就可以刪除該單元，成為孔洞。由此，變密度方法是將結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為材料在有限空間內(nèi)的分布問(wèn)題，具有較強(qiáng)的實(shí)用性、求解效率高等優(yōu)點(diǎn)[4]。

圖1 新能源汽車車架拓?fù)鋬?yōu)化初步設(shè)計(jì)有限元模型結(jié)構(gòu)

新能源汽車車架結(jié)構(gòu)應(yīng)用變密度法的初步設(shè)計(jì)中，其有限元模型包括整個(gè)車架的實(shí)體結(jié)構(gòu)（圖1）。根據(jù)車架各區(qū)域功能不同，整個(gè)有限元模型車架結(jié)構(gòu)分為3個(gè)部分。前部為發(fā)動(dòng)機(jī)或電機(jī)安裝區(qū)域；中部為電池組安裝區(qū)域，同時(shí)也承受乘坐人員的質(zhì)量；后部為后備箱區(qū)域。車軸4個(gè)車輪位置承載整個(gè)車架重量?？紤]到電池組的厚度和車輛行駛過(guò)程中的穩(wěn)定性，中部區(qū)域低于前部和后部。

2 車架結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果分析

新能源汽車在行駛過(guò)程中，車架結(jié)構(gòu)受到的載荷激勵(lì)主要來(lái)源于路面，路況的差異性會(huì)導(dǎo)致車架結(jié)構(gòu)常常處于多種不同的變形狀態(tài)。其中彎曲、扭轉(zhuǎn)工況是車輛行駛過(guò)程中主要存在的兩種變形型式。因此，在本文中將進(jìn)行彎曲、扭轉(zhuǎn)工況下新能源汽車車架結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化初步設(shè)計(jì)討論。

2.1 彎曲工況

根據(jù)車架結(jié)構(gòu)彎曲剛度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[5]，對(duì)該有限元模型進(jìn)行彎曲工況下的滿負(fù)載加載。設(shè)計(jì)滿載600Kg（包括5名乘坐人員，座椅質(zhì)量，車架上部框架質(zhì)量），動(dòng)力放大系數(shù)取2.0。在新能源汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，構(gòu)件儲(chǔ)存的應(yīng)變能大小是反映該構(gòu)件承載能力的重要指標(biāo)。設(shè)定該車架有限元模型拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)是應(yīng)變能，約束條件是滿足車架結(jié)構(gòu)彎曲剛度(11 k N/mm)時(shí)，最大豎向位移小于1.2mm，撓度位移小于0.3mm，車架結(jié)構(gòu)變形光滑過(guò)渡?；贏NSYS有限元軟件計(jì)算平臺(tái)，進(jìn)行線性變密度拓?fù)鋬?yōu)化計(jì)算。圖2和圖3分別表示拓?fù)鋬?yōu)化計(jì)算過(guò)程中應(yīng)變能、車架位移隨迭代次數(shù)而變化的趨勢(shì)。可以看出，在30次循環(huán)迭代后目標(biāo)值趨于穩(wěn)定。

圖2 彎曲工況下車架應(yīng)變能

圖3 彎曲工況下車架撓度

圖4 彎曲工況下車架單元密度云圖

圖4表明，彎曲工況下車架結(jié)構(gòu)兩側(cè)車門附近具有較多的材料，為電池組主要承載結(jié)構(gòu)；前部和后部也保留了較多的材料，為電機(jī)和行李主要承載結(jié)構(gòu)。另外，在前、中、后部之間形成了斜桿連接型式，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)車架結(jié)構(gòu)的受力連續(xù)性，符合彎曲工況下的承載要求。

2.2 扭轉(zhuǎn)工況

根據(jù)車架結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)剛度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[5]，對(duì)該有限元模型進(jìn)行扭轉(zhuǎn)工況下加載。左、右前車輪車軸處施加豎直方向的大小相等、方向相反的力，使車架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形。設(shè)計(jì)滿載600Kg，其質(zhì)量由4個(gè)車輪車軸平均分配，動(dòng)力放大系數(shù)取2。則每個(gè)車軸所受載荷3KN。

基于ANSYS有限元軟件計(jì)算平臺(tái)，在左右前車輪車軸位置施加大小相等方向相反的載荷3KN，左右后車輪車軸位置施加全約束載荷，進(jìn)行線性變密度拓?fù)鋬?yōu)化計(jì)算。

圖5 扭轉(zhuǎn)工況下車架單元密度云圖

從圖 5扭轉(zhuǎn)工況下車架結(jié)構(gòu)單元密度計(jì)算結(jié)果可以看出，車架結(jié)構(gòu)形成了上、下兩層結(jié)構(gòu)，車架結(jié)構(gòu)內(nèi)部幾乎沒(méi)有材料分布。而且車架結(jié)構(gòu)為多個(gè)三角形組成的桁架型式，具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性和抗扭特性。車架內(nèi)部形成的空腔結(jié)構(gòu)可用于電池組的合理設(shè)計(jì)與安裝。

3 結(jié)論

新能源汽車車架由于承載質(zhì)量較大電池組，其結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)燃油汽車車架結(jié)構(gòu)相比，具有自身特殊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。本文基于ANSYS有限元軟件計(jì)算平臺(tái)，應(yīng)用變密度法進(jìn)行了新能源汽車車架結(jié)構(gòu)在彎曲、扭轉(zhuǎn)工況下的拓?fù)鋬?yōu)化初步設(shè)計(jì)，得到了車架結(jié)構(gòu)的最優(yōu)載荷傳遞路徑及車架空間結(jié)構(gòu)型式。然而，全新的新能源汽車車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尚處于初步階段，尚需要進(jìn)一步開(kāi)展研究工作。