純電動專用汽車車架拓撲優化設計

袁敏++強永軍++馮情++熊艷梅

摘 要：本文以城市純電動物流專用汽車為具體研究對象。在建立的設計區域上，以體積最小化為目標進行拓撲優化。根據拓撲優化結果在三維建模軟件中建立了專用車車架具體結構。通過有限元分析驗證車架是否符合設計要求。

關鍵詞：汽車；車架；拓撲優化

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

0 前言

受動力電池技術的限制，純電動汽車存在續航里程短和充電困難等突出劣勢。但對于城市專用汽車來說，其行駛里程短、作業任務固定，因此純電動專用汽車有相當大的前景。車架作為純電動專用汽車的承載部件，質量占比大，對整車制造成本和續航里程有相當大的影響。針對特型純電動專用汽車的整車布置，開發輕量化的專用車架是電動汽車研究領域的重要課題。

1 拓撲優化設計

1.1 設計區域的建立

本設計以城市純電動物流專用汽車為具體研究對象，在傳統貨車邊梁式車架的中段下部設置了專門的動力電池和控制器安裝區域。設計區域劃分為設計域和非設計域。優化過程中不改變非設計域，通過優化計算，去除多余部分，設計域中所剩部分構成的形狀是結構拓撲優化的結果。除兩根縱梁外，其余均是設計域。車架材料為大梁鋼16Mn。

1.2 拓撲優化計算

滿載扭轉工況是車架的一種危險工況[1]，模擬右后輪懸空時加載。在Ansys workbench建立有限元模型，用shape finder功能模塊中設置材料去比60%，經軟件迭代計算后得到的拓撲優化結果如圖1所示。

2 有限元分析

基于底盤布置和制造工藝，根據拓撲優化結果設計的車架結構是否符合相應要求還應該通過進行有限元分析來驗證。

2.1 靜力學分析

按車架工作最惡劣的扭轉工況加載，經計算得到總變形位移云圖和等效應力云圖分別如圖2和圖3所示。

大變形區域位于車架的右后部位置，最大變形位于右縱梁中段，最大變形處位移量是7mm；車架的整體應力值較低，后橋在右縱梁投影處應力值最大，為289MPa，低于材料屈服強度極限345MPa。

2.2 模態分析

在結構振動中，高階模態能量占比太低，對整個結構振動影響不大，計算前6階模態即可。經過Ansys/workbench的求解后，1階模態頻率為24.4 Hz。對于純電動汽車來說，其激勵主要來自路面、驅動電機和傳動軸。城市路面上激勵頻率在1～3Hz之間；驅動電機的激勵頻率為30～50Hz；傳動軸的不平衡引起的振動的頻率大于30Hz以上 。1階固有頻率高于路面激勵頻率，且低于驅動電機和傳動軸不平衡引起的激勵頻率。車架不會因相關激勵而發生共振，故車架動態特性符合設計要求。

3 結 論

（1）經過拓撲優化得到了車架的概念設計模型，以此為依據并考慮車架工況和底盤布置，設計出了專用車車架具體結構。

（2）通過靜力學和模態分析，驗證了拓撲優化設計出的車架既達到了有效輕量化、節約制造成本的目的，同時又滿足汽車動靜態特性要求。

（3）傳統設計中底盤主要靠經驗設計，并根據試制和客戶反饋進行改進，而在設計初始階段引入拓撲優化技術大大提高設計效率。

參考文獻：

[1]于開平，周傳月，譚惠豐等.HyperMesh從入門到精通[M].北京：科學出版社，2005.

[2]蔡新，郭興文，張旭明.工程結構優化設計[M].北京：中國水利水電出版社，2003.

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[4]周中堅，盧耀祖.機械和汽車結構的有限元分析[M].上海：同濟大學出版社，1997.

[5]呂東升，王東方，蘇小平.基于HYPERWORKS的某客車車架有限元分析[J].機械設計與制造，2001（03）：11-12.

[6]袁敏，陳翀.飛機除冰車專用車架拓撲優化及強度分析[J].制造業自動化，2013，35（03）：127-129.

基金項目：四川省教育廳科研項目（17ZB0067）和成都理工大學工程技術學院青年科學基金（C122016018）

作者簡介：袁敏（1985-），男，碩士，助教，研究方向：汽車結構優化。endprint