楊嘉豪，趙海軍，許非易，段然，段澤義

電動(dòng)賽車輕量化材料車身設(shè)計(jì)及分析*

楊嘉豪，趙海軍*，許非易，段然，段澤義

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)汽車與交通學(xué)院，天津 300222）

為某電動(dòng)賽車設(shè)計(jì)輕量化材料車身，通過(guò)對(duì)車身的三維建模，以及綜合運(yùn)用有限元模態(tài)分析技術(shù)，選用不同材料，優(yōu)化車身結(jié)構(gòu)，對(duì)整車車身的輕量化進(jìn)行了較為深入的研究。通過(guò)文章的研究，對(duì)電動(dòng)賽車車身在材料運(yùn)用上提供了理論基礎(chǔ)與技術(shù)支撐，與傳統(tǒng)電動(dòng)賽車的車身重量相比，車身重量大幅降低。

電動(dòng)賽車；車身設(shè)計(jì)；模態(tài)分析；碳纖維復(fù)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(shí)現(xiàn)替換機(jī)動(dòng)車現(xiàn)有的化石燃料，尋找更清潔的能源成為了汽車工業(yè)長(zhǎng)期的課題[1]。近年來(lái)隨著電池技術(shù)的進(jìn)步，電動(dòng)汽車的普及率進(jìn)入了快速增長(zhǎng)的時(shí)期，以純電動(dòng)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(shì)，各大廠家也紛紛投入到電動(dòng)汽車的研發(fā)當(dāng)中，在民用電動(dòng)汽車快速興起的同時(shí)，賽用電動(dòng)車也逐漸進(jìn)入了大眾的視野，國(guó)際電動(dòng)賽車比賽也火熱開展，各大汽車制造商積極投身電動(dòng)賽車的研發(fā)，試驗(yàn)許多領(lǐng)先的電動(dòng)賽車技術(shù)，在此背景之下，高校學(xué)生參與的電動(dòng)賽車賽事也多有舉辦，受到諸多關(guān)注。在當(dāng)前的電池技術(shù)背景下，提升電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程除增大電池容量外，主要依賴車輛結(jié)構(gòu)的輕量化[2]。

在比賽當(dāng)中，車身的重量大小是賽車能否取得優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵因素之一，輕量化的車身有利于發(fā)揮賽車的動(dòng)力性，同時(shí)更輕的車身將對(duì)操控的敏捷和靈活產(chǎn)生重大的積極影響。賽車車身輕量化除了在結(jié)構(gòu)上優(yōu)化這一途徑之外，也可以通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)牟牧线_(dá)到輕量化的目的[3][4]。應(yīng)用輕量化材料對(duì)車身進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，不僅可以直接降低汽車能耗、提高動(dòng)力性能，還可提升汽車的操縱性等整車動(dòng)力學(xué)性能[5]。在以往比賽中，電動(dòng)賽車多采用結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)鋼車身進(jìn)行對(duì)比，分析得出達(dá)到輕量化的最佳材料。

本文對(duì)某電動(dòng)賽車車身進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，對(duì)整車進(jìn)行三維車身建模，運(yùn)用優(yōu)化技術(shù)，通過(guò)對(duì)三維模型的仿真分析，得到多種優(yōu)化方案，對(duì)比不同材質(zhì)下車身的重量以及受力情況，選出最佳的車身材料。

1 電動(dòng)賽車車身建模及人機(jī)工程

1.1 Catia車身建模

電動(dòng)賽車在比賽過(guò)程中，車身往往會(huì)受到來(lái)自路面的沖擊，因此一個(gè)結(jié)構(gòu)合理且具有足夠強(qiáng)度和彎曲剛度的車身尤為重要。只有達(dá)到足夠要求，才能應(yīng)對(duì)比賽過(guò)程中復(fù)雜情況下的沖擊。

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

電動(dòng)賽車比賽中所采用的車架類型有以下幾種：?jiǎn)误w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(jìn)行整車車身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和建模，車身的整體尺寸為2500mm×575mm×1100mm，在車身結(jié)構(gòu)中采用布置三角形結(jié)構(gòu)桿件，以增加車架的空間結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，如圖1所示。

圖1 桁架結(jié)構(gòu)車身

1.2 車身人機(jī)工程學(xué)分析

在車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，除結(jié)構(gòu)造型方面外，還應(yīng)充分考慮人機(jī)工程學(xué)，使車身的設(shè)計(jì)適應(yīng)于人在駕駛時(shí)的身體姿態(tài)，以保證駕駛員的操作簡(jiǎn)便省力、安全舒適，充分發(fā)揮人、機(jī)效能，使整個(gè)系統(tǒng)獲得最佳效益，并在比賽過(guò)程中充分發(fā)揮。

車架前部設(shè)計(jì)較窄，中部略寬，結(jié)構(gòu)充分復(fù)合人機(jī)工程學(xué)。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(dòng)噪聲問(wèn)題。

（2）使整車中各部件與電動(dòng)機(jī)的怠速頻率分離，防止車中部件在怠速時(shí)因電動(dòng)機(jī)激勵(lì)而共振。

（3）研究各部件模態(tài)頻率與發(fā)動(dòng)機(jī)階次激勵(lì)中的重合點(diǎn)，防止在重合點(diǎn)處振動(dòng)噪聲放大。

（4）研究各部件模態(tài)頻率與路面激勵(lì)頻率的重合，防止路面激勵(lì)帶來(lái)振動(dòng)噪聲和平順性問(wèn)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(jué)。

2.2 不同材料車架的模態(tài)分析

模態(tài)分析是車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重要環(huán)節(jié)，可通過(guò)所得數(shù)據(jù)對(duì)車身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)價(jià)。在分析過(guò)程中，將選用結(jié)構(gòu)鋼、鋁合金、鎂合金、鈦合金作為車身材料，對(duì)不同材料的車身分析出13階振頻，對(duì)比優(yōu)化[3]。

（1）結(jié)構(gòu)鋼車身模態(tài)分析

在Ansys workbench中選擇model模塊進(jìn)入模態(tài)分析，選擇所需材料為結(jié)構(gòu)鋼，將已繪制好的車架以模型文件導(dǎo)入，再對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，網(wǎng)格劃分如圖3所示，所得模態(tài)分析如圖4所示。

圖3 網(wǎng)格劃分

圖4 結(jié)構(gòu)鋼車身模態(tài)振型

由于在分析過(guò)程中，沒(méi)有對(duì)車身進(jìn)行約束，所以在該過(guò)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(shù)據(jù)采集時(shí)用從第七階開始的數(shù)據(jù)，所得頻率數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 結(jié)構(gòu)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(jīng)設(shè)置好的材料庫(kù)中選擇鋁合金材料，在進(jìn)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(guò)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(jìn)行操作，得到如圖10所示的模態(tài)振型。

通過(guò)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(jìn)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(guò)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(jié)構(gòu)的優(yōu)化

通過(guò)對(duì)車架的有限元模態(tài)分析后發(fā)現(xiàn)，在以結(jié)構(gòu)鋼作為材料的車架中，車架前部出現(xiàn)較大變形的情況，所以針對(duì)此結(jié)構(gòu)做出改善優(yōu)化[5]。

3.1 優(yōu)化方案的布置

通過(guò)分析，車架前端部分尺寸較長(zhǎng)，且為了給懸掛和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)預(yù)留位置，沒(méi)有加裝支撐桿件，在兩側(cè)形成了大塊的平行四邊形結(jié)構(gòu)，故在出現(xiàn)共振時(shí)更加容易出現(xiàn)變形，且結(jié)構(gòu)上沒(méi)有較好的加強(qiáng)部分，我們決定對(duì)其加裝加強(qiáng)支撐以達(dá)到更好的優(yōu)化效果。

對(duì)優(yōu)化后的車架進(jìn)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(guò)對(duì)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(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)后，車身的最大位移為7.032 mm，所以優(yōu)化后的車身結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。

4 車架有限元模型的靜應(yīng)力分析

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，除了結(jié)構(gòu)模態(tài)等問(wèn)題外，還需要考慮受力方面的因素。在實(shí)際中，我們選用的駕駛員體重為60kg，電池箱重量則設(shè)置為500kg，在Ansys中選擇靜應(yīng)力模塊進(jìn)行靜應(yīng)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(shè)置兩根承重軸的受力分別為800N，對(duì)其進(jìn)行分析。

圖13 第一根承重軸

圖14 第二根承重軸

分析結(jié)果。等效應(yīng)變圖如圖14所示，等效應(yīng)力如圖15所示。根據(jù)分析結(jié)果，可以看出最大的最大應(yīng)變?yōu)?.882mm，最大的應(yīng)力為201.32MPa，而我們選用的材料為結(jié)構(gòu)鋼，結(jié)構(gòu)鋼的屈服應(yīng)力355MPa，故該車架的設(shè)計(jì)符合要求。

圖15 車架等效應(yīng)變

圖16 車架等效應(yīng)變

5 各材料車架的重量對(duì)比

通過(guò)對(duì)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(shí)也能夠通過(guò)Ansys的模態(tài)分析模塊得到不同材料下，車架的重量。根據(jù)這些所得重量，對(duì)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(jié)果如表所示?？梢钥闯鲈诮Y(jié)構(gòu)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(duì)比結(jié)果

使用結(jié)構(gòu)鋼的車身質(zhì)量為88.708kg，而采用鎂合金作為替代后，車身質(zhì)量為20.341kg，其整體質(zhì)量降低了68.367kg。

根據(jù)車身輕量化貢獻(xiàn)率計(jì)算如式（1）。

式中：為車身輕量化貢獻(xiàn)率；1為替代部分的原始質(zhì)量；2為替代后質(zhì)量；總為替代后白車身的總質(zhì)量。

因此車身輕量化貢獻(xiàn)率為77.1%。

根據(jù)此公式可計(jì)算出其他材料的輕量化貢獻(xiàn)率。

6 結(jié)論

（1）在車架的設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)當(dāng)滿足人機(jī)工程學(xué)。利用Catia中的human builder模塊，直觀的得出了該車架充分復(fù)合人機(jī)工程學(xué)。

（2）應(yīng)用ANSYS Workbench19.0的Model模塊對(duì)車架進(jìn)行了模態(tài)分析，得到了前六階的固有頻率。通過(guò)模態(tài)分析發(fā)現(xiàn)，在車身的前部更容易發(fā)生共振以及應(yīng)變，對(duì)此對(duì)改車架進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在前端的車身中加裝加強(qiáng)桿，優(yōu)化后的車架其性能有明顯改善。

（3）應(yīng)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(jìn)行靜態(tài)分析得出車架的受力云圖，通過(guò)云圖發(fā)現(xiàn)該車架滿足材料的力學(xué)性能。

（4）通過(guò)選用結(jié)構(gòu)鋼、鋁合金、鎂合金、鈦合金的車身對(duì)比分析，得出了輕量化貢獻(xiàn)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(yīng)考慮材料剛度，成本等問(wèn)題，最終的材料選定在實(shí)際設(shè)計(jì)中還需根據(jù)情況而定。

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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

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1671-7988(2021)03-44-04

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楊嘉豪（1998-），男，就讀于天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)汽車與交通學(xué)院，研究方向?yàn)槠囕p量化。

趙海軍，博士，副教授，碩士研究生導(dǎo)師，就職于天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)汽車與交通學(xué)院，研究方向?yàn)檐囕v振動(dòng)噪聲控制、汽車動(dòng)力學(xué)和排放控制。

天津市高等學(xué)校大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201910066 082，2019 10066054）。