新能源汽車車架結構拓撲優化初步設計

謝政權

（婁底職業技術學院，湖南 婁底 417000）

近年來，隨著科技發展和經濟進步，人們對汽車的需求量越來越高，汽車制造的規模也越來越大，雖然在一定程度上促進了社會的快速發展，但是由于大多數廠商生產的汽車都是依靠石油作為燃料進行驅動的，這就導致很多有毒氣體的產生和排放，對空氣環境以及人體健康等都造成嚴重的危害。因此，相關部門必須要進行積極重視，加強汽車能源動力的轉型發展，將一些清潔能源引入到汽車動力研究和發展中。在新能源汽車研究中，汽車車架結構便是一項重要內容，尤其是車架結構的拓撲優化設計，更是保證新能源汽車有效應用的重要前提。

1 新能源汽車車架結構拓撲優化基本簡介

針對新能源汽車架結構的拓撲優化方案來講，一般都采用有限元軟件來進行支持，但其中也包含眾多設計方法，在目前的研究中，變密度法具有較好的效果，在車架結構的設計中得到研究者廣泛的喜愛和使用。其基本設計原理如下，首先，在假設的條件下，引入一種密度可變的車架材料，然后利用有限元模型進行相應的控制，通常情況下，在有限元模型中需要接入多個單元，用于對應引入變密度材料中的相關參數，而這些不同單元中對應的變密度材料的密度值，就是方案設計中所用到的相關變量。另外，對于拓撲優化結構所用的算法來講，其中用于表示單元材料是否填充的結果，采用的是二進制。如相對密度值為1，則對應該單元內的材料已填充滿的情況，相反，如果相對密度值為0，則表示無材料進行填充，對于這種情況的單元，在實際設計和應用時，就需要對它進行刪除處理。由此可見，對于拓撲結構中變密度法的應用來說，主要指的是特殊材料在相應空間內的分布和應用的設計，如果布局設計的合理，這會具有較強的實用性，對于新能源車輛的架構建設來說，在使用效率和質量方面都具有積極的作用。另一方面，對于新能源車架的整體結構分析，我們發現他主要根據各部分的功能差異，相應的劃分為三個部分。第一部分便是位于前頭區域的發動機區域，該區域的特點是具有較大的重量；第二部分便是車輛中間的電池安裝區域，該區域具有一定的承重作用，不僅要保證車輛上方乘客的重量承重，還要保證車輛前頭和后頭之間的連接支撐；第三部分便是車輛后頭的后備箱位置，該區域具有較輕的重量，因此在設計過程注意與前頭區域進行重量方面的協調。最后，這三個部分都由下方四個車輪進行總體承接。其中需要注意的是，為保證車輛中部位置對乘客的承重以及保持車輛行駛的穩定性問題，在設計過程中，一般將中部區域設置的較低，以滿足車輛實際運行要求。

2 新能源汽車車架結構拓撲優化結果分析

眾所周知，車輛在行駛過程中，會受到多種外力的作用，比如重力、壓力、慣性力等，這些都會對車架造成壓力，因此，車架的承重能力直接決定著新能源車輛的整體質量，特別是在路況不好的情況下，受力力度會加大，而且外力的變化幅度也會加大，使得車架結構產生一定的歪曲或扭轉的情況，如果在合理的范圍內，則表示架構正常。相反，如果變化角度過大，則產生質量問題，以下便是對這兩方面受力變化情況的分析。

2.1 車架彎曲情況分析

對于車輛架構的彎曲高度進行測試時，一般采用滿載情況的最大壓力來進行，然后對其車架的彎曲情況進行檢查，確定其是否在合理的變化幅度內。對于普通情況下的新能源汽車使用來說，其承載量一般為5名乘客，因此車輛中部上方的承載力值設定為600千克，其中動力系數一般設置為2。另外，對于整個新能源車架的結構承重情況來講，其中構件的承重能力是最重要的，尤其是其承重中的應變能大小，是檢測該架構整體承重能力的重要參照。因此，在對有限元模型拓撲結構下的車架承重能力進行檢測時，其首先設計的函數便是對應變能大小的反映，其設計的標準為以車輛架構能彎曲的最大剛度為基礎，其垂直方向位移量最大不能超過1.2毫米，其水平方向位移量最大不超過0.3毫米，其中還需要注意的是，當車架結構受力變形時，一定要保證光滑過度，避免受外力影響而產生破壞。另外，在利用有限元軟件進行監測和計算時，一般是基于ANSYS平臺來進行的，具有較高的數據保障性，其數據變化主要是圍繞應變能情況和車架受力變化位移情況來進行分析和測試的。經多次試驗研究分析發現，經過30次迭代運算后，起變化趨于穩定。另外，對于車輛中部電池組位置的承重情況來講，主要在車門兩側布置較多的應變材料，一旦車架受力產生相應的彎曲時，兩側的應變材料為其承重能力提供支撐力。再者，加強車輛前中后各區域之間的連接性，以增強車架在整體受力方面的均衡性，從而更好地滿足車架受力彎曲的標準，保證車架結構的質量。

2.2 結構扭轉情況分析

對車架進行扭轉試驗測量時，要根據車輛扭轉情況下的實際變化情況進行相應分析。首先，對車架下方前車輪處進行施力，通常情況下，一般在左右前輪處施加同等大小，但方向相反的力道，使車架結構產生一定的扭轉角度，同時要保證車輛的總體承載力度仍然在600kg左右，注意檢查車體是否平衡，保證總體重量由四個車輪進行均衡承擔，此時，每個車輪軸承處受力大小為3KN。同樣，在基于ANSYS平臺上進行相關測試和計算，其測試過程為：首先，在車輛前輪兩個車軸位置施加同等大小且方向相反的力，其次，在車輛后輪兩個車軸處設置全約束荷載力，最后，利用變密度拓撲算法進行優化計算，以確定出相應的變化情況是否滿足標注，進而判斷車架的質量。經過多次實驗測試發現，在扭轉過程中，車架結構一般會形成上下結構分布，由于車架內部設置了一些三角形的構件，具有較強的穩定性，在面對扭轉受力擠壓時，不會產生較大車架變化情況，具有較高的質量。

3 結束語

總之，車架結構的設計合理性對新能源汽車的有效應用有著積極作用，而對于車架結構質量的檢測，一般都是采用拓撲算法進行優化設計的。因此，只要有效把握這兩方面的設計，對新能源汽車的普及和應用有著重要意義，相關部門一定要對其進行重視，采取措施加大力度進行車架結構的拓撲優化設計，以更好地保證新能源汽車的使用質量。