新能源汽车车架结构拓扑优化初步设计

作者：王胜永，周美娟，李育文，张向峰，张文首
单位：郑州轻工业学院机电工程学院

基金项目：河南省科技开放合作项目（17210 6000070）；河南省高等学校重点科研项目计划（15A460036）；博士科研启动项目（2014）。

前言

发展新能源汽车工业，实现车辆能源动力系统转型，是汽车工业实现节能、环保及可持续发展的重要策略[1]。新能源汽车多以混合动力或纯电动为主，相比于燃油汽车，其车架结构设计必然考虑动力电池的安装、保护及重量等问题。然而，目前我国大部分新能源汽车车架结构的设计大多基于现有车架结构的改型，研发全新新能源汽车车架结构的实例较少。基于燃油汽车车架结构的改型设计，不仅其结构优化空间非常有限，而且在考虑质量较大的电池组时，仅仅尺寸、形状等优化设计方法将可能导致新能源汽车车架结构局部力学性能不足或部分结构材料冗余[2]。

在新能源汽车车架结构设计中，车架结构拓扑结构设计是在初步设计中首先要完成的工作，主要包括车架结构中梁、柱等承载件的空间布置形式。本文根据设计目标、设计变量及约束条件，应用有限元软件提供的变密度拓扑优化方法，建立了适用于新能源汽车车架结构的拓扑优化设计空间；并针对新能源汽车正常运行过程中存在的弯曲、扭转2个工况，进行单目标拓扑优化结构设计，分别得到了满足设计目标的新能源汽车车架拓扑结构。为新能源汽车车架结构下一步详细设计提供一定的参考基础。

1车架拓扑优化有限元模型动力系统
在有限元软件提供的结构拓扑优化设计方法中，变密度法是最为常用的一种方法。其基本思路是引入一种假想的密度可变材料，有限元模型中可以存在多种单元，而设计变量则为各个单元对应的密度值。在有限元模型结构拓扑优化计算中，如果某一单元的相对密度值为“1”，则代表该单元充满材料。相反，如果某一单元的相对密度值为“0”，则代表该单元没有材料，在结构设计中就可以删除该单元，成为孔洞。由此，变密度方法是将结构拓扑优化设计转化为材料在有限空间内的分布问题，具有较强的实用性、求解效率高等优点[4]。



图1 新能源汽车车架拓扑优化初步设计有限元模型结构

新能源汽车车架结构应用变密度法的初步设计中，其有限元模型包括整个车架的实体结构（图1）。根据车架各区域功能不同，整个有限元模型车架结构分为3个部分。前部为发动机或电机安装区域；中部为电池组安装区域，同时也承受乘坐人员的质量；后部为后备箱区域。车轴4个车轮位置承载整个车架重量。考虑到电池组的厚度和车辆行驶过程中的稳定性，中部区域低于前部和后部。

2拓扑优化结果分析

新能源汽车在行驶过程中，车架结构受到的载荷激励主要来源于路面，路况的差异性会导致车架结构常常处于多种不同的变形状态。其中弯曲、扭转工况是车辆行驶过程中主要存在的两种变形型式。因此，在本文中将进行弯曲、扭转工况下新能源汽车车架结构的拓扑优化初步设计讨论。

2.1 弯曲工况
根据车架结构弯曲刚度试验标准[5]，对该有限元模型进行弯曲工况下的满负载加载。设计满载600Kg（包括5名乘坐人员，座椅质量，车架上部框架质量），动力放大系数取2.0。在新能源汽车结构设计中，构件储存的应变能大小是反映该构件承载能力的重要指标。设定该车架有限元模型拓扑优化设计目标函数是应变能，约束条件是满足车架结构弯曲刚度(11 k N/mm)时，最大竖向位移小于1.2mm，挠度位移小于0.3mm，车架结构变形光滑过渡。基于ANSYS有限元软件计算平台，进行线性变密度拓扑优化计算。图2和图3分别表示拓扑优化计算过程中应变能、车架位移随迭代次数而变化的趋势。可以看出，在30次循环迭代后目标值趋于稳定。



图2 弯曲工况下车架应变能



图3 弯曲工况下车架挠度



图4 弯曲工况下车架单元密度云图

图4表明，弯曲工况下车架结构两侧车门附近具有较多的材料，为电池组主要承载结构；前部和后部也保留了较多的材料，为电机和行李主要承载结构。另外，在前、中、后部之间形成了斜杆连接型式，实现了整个车架结构的受力连续性，符合弯曲工况下的承载要求。

2.2 扭转工况
根据车架结构扭转刚度试验标准[5]，对该有限元模型进行扭转工况下加载。左、右前车轮车轴处施加竖直方向的大小相等、方向相反的力，使车架结构产生扭转变形。设计满载600Kg，其质量由4个车轮车轴平均分配，动力放大系数取2。则每个车轴所受载荷3KN。基于ANSYS有限元软件计算平台，在左右前车轮车轴位置施加大小相等方向相反的载荷3KN，左右后车轮车轴位置施加全约束载荷，进行线性变密度拓扑优化计算。



图5 扭转工况下车架单元密度云图

从图5扭转工况下车架结构单元密度计算结果可以看出，车架结构形成了上、下两层结构，车架结构内部几乎没有材料分布。而且车架结构为多个三角形组成的桁架型式，具有较强的稳定性和抗扭特性。车架内部形成的空腔结构可用于电池组的合理设计与安装。

3结论

新能源汽车车架由于承载质量较大电池组，其结构与传统燃油汽车车架结构相比，具有自身特殊的结构特点。本文基于ANSYS有限元软件计算平台，应用变密度法进行了新能源汽车车架结构在弯曲、扭转工况下的拓扑优化初步设计，得到了车架结构的最优载荷传递路径及车架空间结构型式。然而，全新的新能源汽车车架结构设计尚处于初步阶段，尚需要进一步开展研究工作。