纯电动专用汽车车架拓扑优化设计

袁敏++强永军++冯情++熊艳梅

摘 要：本文以城市纯电动物流专用汽车为具体研究对象。在建立的设计区域上，以体积最小化为目标进行拓扑优化。根据拓扑优化结果在三维建模软件中建立了专用车车架具体结构。通过有限元分析验证车架是否符合设计要求。

关键词：汽车；车架；拓扑优化

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.15.227

0 前言

受动力电池技术的限制，纯电动汽车存在续航里程短和充电困难等突出劣势。但对于城市专用汽车来说，其行驶里程短、作业任务固定，因此纯电动专用汽车有相当大的前景。车架作为纯电动专用汽车的承载部件，质量占比大，对整车制造成本和续航里程有相当大的影响。针对特型纯电动专用汽车的整车布置，开发轻量化的专用车架是电动汽车研究领域的重要课题。

1 拓扑优化设计

1.1 设计区域的建立

本设计以城市纯电动物流专用汽车为具体研究对象，在传统货车边梁式车架的中段下部设置了专门的动力电池和控制器安装区域。设计区域划分为设计域和非设计域。优化过程中不改变非设计域，通过优化计算，去除多余部分，设计域中所剩部分构成的形状是结构拓扑优化的结果。除两根纵梁外，其余均是设计域。车架材料为大梁钢16Mn。

1.2 拓扑优化计算

满载扭转工况是车架的一种危险工况[1]，模拟右后轮悬空时加载。在Ansys workbench建立有限元模型，用shape finder功能模块中设置材料去比60%，经软件迭代计算后得到的拓扑优化结果如图1所示。

2 有限元分析

基于底盘布置和制造工艺，根据拓扑优化结果设计的车架结构是否符合相应要求还应该通过进行有限元分析来验证。

2.1 静力学分析

按车架工作最恶劣的扭转工况加载，经计算得到总变形位移云图和等效应力云图分别如图2和图3所示。

大变形区域位于车架的右后部位置，最大变形位于右纵梁中段，最大变形处位移量是7mm；车架的整体应力值较低，后桥在右纵梁投影处应力值最大，为289MPa，低于材料屈服强度极限345MPa。

2.2 模态分析

在结构振动中，高阶模态能量占比太低，对整个结构振动影响不大，计算前6阶模态即可。经过Ansys/workbench的求解后，1阶模态频率为24.4 Hz。对于纯电動汽车来说，其激励主要来自路面、驱动电机和传动轴。城市路面上激励频率在1～3Hz之间；驱动电机的激励频率为30～50Hz；传动轴的不平衡引起的振动的频率大于30Hz以上 。1阶固有频率高于路面激励频率，且低于驱动电机和传动轴不平衡引起的激励频率。车架不会因相关激励而发生共振，故车架动态特性符合设计要求。

3 结 论

（1）经过拓扑优化得到了车架的概念设计模型，以此为依据并考虑车架工况和底盘布置，设计出了专用车车架具体结构。

（2）通过静力学和模态分析，验证了拓扑优化设计出的车架既达到了有效轻量化、节约制造成本的目的，同时又满足汽车动静态特性要求。

（3）传统设计中底盘主要靠经验设计，并根据试制和客户反馈进行改进，而在设计初始阶段引入拓扑优化技术大大提高设计效率。

参考文献：

[1]于开平，周传月，谭惠丰等.HyperMesh从入门到精通[M].北京：科学出版社，2005.

[2]蔡新，郭兴文，张旭明.工程结构优化设计[M].北京：中国水利水电出版社，2003.

[3]赵义.中小型森林消防车车架的有限元分析及优化设计[D].北京林业大学硕士学位论文，2012.

[4]周中坚，卢耀祖.机械和汽车结构的有限元分析[M].上海：同济大学出版社，1997.

[5]吕东升，王东方，苏小平.基于HYPERWORKS的某客车车架有限元分析[J].机械设计与制造，2001（03）：11-12.

[6]袁敏，陈翀.飞机除冰车专用车架拓扑优化及强度分析[J].制造业自动化，2013，35（03）：127-129.

基金项目：四川省教育厅科研项目（17ZB0067）和成都理工大学工程技术学院青年科学基金（C122016018）

作者简介：袁敏（1985-），男，硕士，助教，研究方向：汽车结构优化。endprint