電動汽車車身結構輕量化研究

潘如順 胡真遠

摘要：純電動汽車的動力性能和續航能力一直是新能源汽車領域的技術難點，而對這兩方面性能起阻礙作用的一個重要因素就是整車的重量。因此，本文在綜合分析近年來，國內外對于純電動汽車技術和汽車輕量化研究成果的基礎上，探討車身輕量化技術的現狀和前景，分析車身輕量化技術對于純電動汽車發展的必要性，研究純電動汽車車身輕量化的關鍵技術，提出通過對車身重要受力部件，例如汽車防護梁等方面的結構創新設計，來降低車身質量，提高車身的力學性能，是在現有的技術及工藝水平條件下，提高純電動汽車性能最有效、成本最低的方法。

關鍵詞：小型電動汽車;車身設計;輕量化

引言

隨著經濟社會的不斷發展，人們對美好生活要求的不斷提高，民眾的環保意識也在不斷增強。交通事業的不斷發展，也帶動了汽車制造業的蓬勃興起，公眾越來越重視對汽車環保與舒適度的需求。因此，發展新型電動汽車是汽車制造業，實現可持續性發展的必由之路，也是促進我國經濟社會又好又快發展與科學發展的重要保障。

1輕量化設計內容與步驟

在輕量化設計過程中，由于電動汽車車身零部件數量眾多且結構尺寸差別較大，不同零部件對前艙靜態與動態性能存在著不同程度的影響。減薄有些零件的厚度雖然可以減輕重量，但同時也降低了車身整體的模態與剛度。并且，輕量化后的車身也不一定能夠滿足電動汽車整車的安全性能。因此對電動汽車車身部件進行靈敏度分析，根據分析結果，選出對模態、剛度和質量靈敏度值不同的部件進行減薄或增厚，可以達到車身輕量化和提高車身靜動態性能的目的。同時，通過對車身輕量化后的電動汽車整車進行正面碰撞仿真分析，對比車身輕量化前后電動汽車的安全性能指標，驗證該輕量化設計方法的可行性。最后，根據優化前后的對比分析結果確定車身輕量化設計的最優方案。

2車身結構設計

構建完車身主體架構走勢后，就開始進行車身結構設計。三維數據的建立都要遵循點、線、面、體的過程，即由點生線、由線生面、由面生體的過程。所以在進行車身3D數據制作前首先會制作2D數據，即常說的典型斷面。車身典型斷面是車身設計過程中的一項重要工作，它能夠定義零件與零件間的配合關系，指導接下來的3D數據制作，反映運動件的運動軌跡，評估初步的工藝可行性，反映截面的彎扭特性等。一般一個車身的典型斷面會有幾十個，本文主要展示了本車的幾個主要典型斷面。（1）門上鉸鏈位置的典型斷面，斷面反映了車身此處內外板及加強板的搭接形式、型面尺寸及構成角度，體現了門的運動軌跡、密封形式、鉸鏈的固定方式以及門與翼子板的配合關系等。（2）門限位器位置的典型斷面，其主要體現了限位器的運動軌跡、安裝形式，以及為了配合限位器車身鈑金和門鈑金所定義的相關結構及尺寸，同時也體現了翼子板為了避讓門開啟所定義的固定結構。（3）門檻位置的典型斷面，此斷面涉及車身、開閉件、外飾件、內飾件、電器等多專業，所以此斷面主要體現了門與車身、外飾件之間的配合關系，外飾件、內飾件以及電器在車身鈑金和門鈑金上的安裝形式，以及車身鈑金自身的尺寸定義等。（4）頂蓋后橫梁位置典型斷面，此斷面是為了說明在斷面設計時除了考慮結構外還要兼顧人機需求，以保證人機需求車身結構進行了相關避讓，這種避讓是滿足性能要求和初步評估的前提。

3汽車車身結構輕量化研究方法

3.1尺寸優化方法

尺寸優化是指在給定結構的類型、材料、布局和幾何外形的前提下，優化各個組成構件的截面尺寸，使結構最輕或最經濟，例如對節點位置已定的桁架結構求各梁的最優截面尺寸;對幾何形狀已定的平面板結構求各部位的最佳厚度等。

3.2改進汽車的結構

人們要不斷改進汽車結構，使得汽車內部的零件變得更加薄壁化、中空化、小型化以及復合化。在優化設計車身結構時，會使用拓撲和形貌優化、形狀以及尺寸優化的方式。目前，我國應用比較多的是拓撲優化方法，而形貌優化主要用于優化加強筋的形式走向等，形狀和尺寸優化主要用于鈑金件的型面和板厚。

3.3形貌優化方法

形貌優化是一種形狀最佳化的方法，即在板形結構中尋找最優的加強筋分布的概念設計方法，用于設計薄壁結構的強化壓痕，在減輕結構質量的同時能滿足強度、頻率等要求。形貌優化不刪除材料，而是在可設計區域中根據節點的擾動生成加強筋。形貌優化是形狀優化的高級形式，采用的變量為形狀變量。形貌優化的設計區域首先被劃分成大量獨立的變量，然后進行一系列迭代優化，并計算這些變量對結構的影響。通過指定板殼單元節點在其法向的移動量，不斷調整有限元網格模型的結構形狀，直至獲得滿足設計目標的最優移動節點區域的最佳組合，它與基于鈑金面上的加強筋布置設計過程類似。形貌優化的目標函數可以是車身零件的頻率、剛度、強度等，設計變量是決定優化過程中節點位移變化的向量，加強筋方向一般與沖壓方向一致，還需要定義最大起筋高度、最小起筋寬度或加強筋角度等;設計變量區間選擇也可以作為約束條件處理。

3.4拓撲優化

（1）彎曲工況。根據車架結構彎曲剛度試驗標準，對該有限元模型進行彎曲工況下的滿負載加載。設計滿載600Kg（包括5名乘坐人員，座椅質量，車架上部框架質量），動力放大系數取2.0。在新能源汽車結構設計中，構件儲存的應變能大小是反映該構件承載能力的重要指標。設定該車架有限元模型拓撲優化設計目標函數是應變能，約束條件是滿足車架結構彎曲剛度（11kN/mm）時，最大豎向位移小于1.2mm，撓度位移小于0.3mm，車架結構變形光滑過渡。基于ANSYS有限元軟件計算平臺，進行線性變密度拓撲優化計算。在30次循環迭代后目標值趨于穩定。彎曲工況下車架結構兩側車門附近具有較多的材料，為電池組主要承載結構;前部和后部也保留了較多的材料，為電機和行李主要承載結構。另外，在前、中、后部之間形成了斜桿連接型式，實現了整個車架結構的受力連續性，符合彎曲工況下的承載要求。（2）扭轉工況。根據車架結構扭轉剛度試驗標準，對該有限元模型進行扭轉工況下加載。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，使車架結構產生扭轉變形。設計滿載600Kg，其質量由4個車輪車軸平均分配，動力放大系數取2。則每個車軸所受載荷3KN。基于ANSYS有限元軟件計算平臺，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，進行線性變密度拓撲優化計算。車架結構為多個三角形組成的桁架型式，具有較強的穩定性和抗扭特性。車架內部形成的空腔結構可用于電池組的合理設計與安裝。

4 新能源汽車輕量化的必要性

在能源緊缺的當代，新能源汽車的輕量化顯得尤為得重要。對新能源汽車進行輕量化設計制造，可以減少能源的浪費，提高能源利用率。目前國內外汽車輕量化的研究方法有3個：一是對新能源汽車進行輕量化的設計和分析，二是通過材料替代或者采用新材料來使新能源汽車輕量化，三是采用先進的制造工藝，使用新材料加工而成的輕量化結構用材。

5 結語

實現新能源汽車的輕量化是一個系統的工程，要全面考慮材料、設計及制造技術各個方面的要求，即統籌兼顧輕量化的三個途徑。設計初期在設計上利用CAD/CAE技術實現設計輕量化，應用新型材料替代傳統的材料，新材料的應用離不開新加工制造成形技術的發展，輕量化材料的廣泛應用必定促進新技術、新工藝及新設計思路的誕生。新的加工制造技術激光拼焊技術、熱沖壓成形技術的發展又會促進輕量化材料的應用，實現更高層次的新能源汽車的輕量化。

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