某商用車純電動改裝方案中車架性能分析

王源紹，唐徐平，喬克婷，許 凌

(南京工業大學浦江學院, 江蘇 南京 211134)

商用車由于其貨物運輸屬性的要求，依然廣泛采用非承載式車身結構。車架作為輕卡、輕貨、輕客、皮卡等商用車型的主要受力部件，具有支承連接汽車的各零部件、承受來自車內外各種載荷的功用，并對整車承載性能、安全性能等起到至關重要的作用。

國家“十三五”規劃中，確定實施“純電驅動”技術轉型戰略，實現各類電動汽車產業化。目前純電動商用車更多的是在城市及近郊使用，對續航里程的要求略低于乘用車，并能降低污染，因此純電動商用車研發制造的吸引力在逐漸增加。

受制于成本、技術等因素，更多的企業選擇在當前傳統燃油車的基礎上進行電動汽車的改裝。但是純電動汽車由于原理和結構的特點，與傳統汽車相比對車身結構等性能要求均存在差異，因此對傳統汽車車身結構進行分析計算，確定最終車身結構改進的可行性，以便更好地滿足純電動汽車的技術要求。

國內許多研究人員利用多種有限元分析軟件對車架及電動車相關部件進行分析設計。盛建等[1]對某純電動客車車架結構模態進行分析與優化設計，采用SolidWorks等軟件對車架進行了模態分析和優化設計，為車架的設計和改進提供了依據和參考。邵超城等[2]對所設計的車架進行了強度、剛度分析和模態分析，驗證了車架的強度要求，找出了車架中局部變形和應力過大區域，為車架結構改進提供了重要依據。尹安東和李紅等[3-4]，均利用HyperWorks等軟件重點對電動汽車車架進行了靜態分析和模態分析，并通過理論分析尋找薄弱環節，為改良設計等提供理論依據和技術支持。本文結合實際生產，對某一需要改裝的車架進行研究，并在基本性能分析的基礎上，進行拓撲結構優化，為后續的輕量化設計等提供理論依據和改進方向。

1 建模

1.1 幾何模型

根據所研究車型的車架實物以及圖紙尺寸，利用三維設計軟件CATIA對車架進行幾何建模，建立車架三維模型，對后續分析影響不大的元件和孔洞等進行簡化處理。將車架三維模型導入HyperMesh軟件，利用其提供的強大的幾何清理功能，生成所需要的簡化模型，用于網格劃分、分析。最終經過處理后的三維車架模型如圖1所示。

1.2 有限元模型

在有限元軟件中對車架不同零部件進行裝配，并采用恰當的剛性單元模型模擬真實焊接、螺栓等連接方式及布置位置，最終形成完整的某商用車車架有限元分析模型，如圖2所示。車架總節點數、單元數和焊點數分別為18 252，16 916，561。設定材料參數：彈性模量E=210GPa，泊松比μ=0.30，密度ρ=7.84×10-6kg/mm3。

圖1 車架三維模型

圖2 車架有限元模型

2 性能分析

本文重點對車架性能進行靜力分析。在滿載條件下，分別模擬彎曲、扭轉工況下車架的位移、應力等。本文在進行彎曲剛度、扭轉剛度分析時，不考慮懸架的影響。

2.1 載荷分布

將傳統燃油商用車車架所承受的載荷分配到相應節點上，模擬真實載荷情況。

傳統汽車進行純電動改裝之后，由于沒有了傳統的動力總成和油箱，取而代之的是動力電池模塊，因此在載荷分布上存在較大差異。大多數廠家將電池放在車身底部或車架上方。本文所研究的某商用車根據車身結構和實際用途，選擇電池質量約為220kg，放置在駕駛室底部。電動機等相關附屬設施質量約為120kg，放在發動機艙位置。駕駛室、貨箱、載人、載貨等質量保持不變。原車架承受載荷見表1，改裝后車架承受載荷見表2。

表1 原車架主要承受載荷

表2 改裝車架主要承受載荷

2.2 彎曲工況

彎曲工況模擬滿載狀態下四輪著地時汽車在良好路面勻速直線行駛的狀態[4]。

彎曲工況模擬時，對4個車輪的支撐點進行自由度約束，即約束左前支撐點x，y及z向自由度；約束右前支撐點x及z向自由度；約束左后支撐點y及z向自由度；約束右后支撐點z向自由度；釋放支撐點的全部轉動自由度。

分別對原車架和電動改裝后的車架受力情況進行彎曲工況計算模擬，得到車架的應力云圖和位移云圖如圖3～6所示。

圖3 原車架彎曲工況應力云圖

圖4 電動改裝后車架彎曲工況應力云圖

圖5 原車架彎曲工況位移云圖

圖6 電動改裝后車架彎曲工況位移云圖

通過圖3、圖4可以得到車架在彎曲工況下的最大應力數值及位移。可以看出，彎曲工況下，最大應力發生位置大致相同，但應力分布存在差異，由于整車電池布置位置在車輛中部附近，導致純電動商用車車架中部應力較傳統動力總成車輛有所增加。原車架最大彎曲應力為93.5MPa，而進行電動改裝之后，車架最大彎曲應力為93.6MPa。二者差異很小，說明此車架在彎曲工況下，強度滿足純電動改裝需求。

通過圖5、圖6可以得到車架在彎曲工況下的最大位移數值。由于電池的影響，進行純電動改裝后，車架最大位移增加，由1.85mm增加至2.14mm，但依然符合此車架最初的產品設計要求。

綜上，純電動改裝之后，此車架在彎曲工況下依然滿足強度及剛度要求。

2.3 扭轉工況

車架扭轉工況模擬滿載狀態下，一輪懸空時車架的扭轉變形。結合此車型具體受力情況，當其右后輪懸空時，處于極限狀況，選擇此極限工況進行分析。

扭轉工況下采用與彎曲工況相同的滿載載荷，載荷設置方法同彎曲工況下載荷分布。扭轉工況邊界條件為：同時約束左前支撐點的x，y及z向自由度；約束右前支撐點的x及z向自由度；約束左后支撐點的y及z向自由度；釋放左后支撐點的x，y，z向自由度；釋放模型中4個支撐點的全部轉動自由度。

分別針對原車架和電動改裝后的車架受力情況進行扭轉工況計算模擬，得到車架的應力云圖和位移云圖如圖7～10所示。

圖7 原車架扭轉工況應力云圖

圖8 電動改裝后車架扭轉工況應力云圖

圖9 原車架扭轉工況位移云圖

圖10 電動改裝后車架扭轉工況位移云圖

由圖7、圖8可以得到車架扭轉工況下最大應力位置和數據。通過對比發現，此車架在承受傳統動力總成和純電動載荷條件下，扭轉應力大小和范圍變化很小。最大應力由597.8MPa增加為604.2MPa。由圖9和10可以得到最大位移由42.1mm增加至42.3mm。因此，在對此款商用車進行純電動改裝后，車架在扭轉工況條件下滿足強度和剛度要求。

3 結構優化

通過分析發現，車架性能過剩，存在較大的輕量化空間，本文利用HyperWorks軟件中OptiStruct模塊進行拓撲優化，對車架進行優化分析。將車架的所有部件設為優化部分，建立體積分數響應，以500MPa為最大應力約束，以體積分數最小值作為優化目標，單元密度作為設計變量，進行拓撲優化計算分析，可以清晰看出不同區域的密度特點，在保證強度前提下，針對不同部位采取減少材料進行輕量化結構優化。通過調整密度閾值來顯示或隱藏某一范圍內的材料，可更清晰地看到密度的分布情況，如圖11所示。

以圖11所選的密度閾值，進行材料厚度趨勢判讀。由圖可以看出，由于發動機質量的減少，前部橫梁可以進行較大的減重處理，車架部分可以進行部分減重處理，車架后部由于載貨等需求，輕量化范圍較小。利用圖11，結合工藝設計，可以在現有車架的橫梁基礎上進行減重處理，以達到輕量化效果。

4 結束語

本文通過運用計算機輔助工程分析方法，針對某企業商用車車架進行性能分析，為其純電動化改裝提供理論依據，為企業降低開發成本。本文成功應用Hyperworks軟件對某車架進行了不同工況下的性能分析，并對車架進行了拓撲優化設計。通過對原車型和純電動車型的對比，設置不同的載荷條件，在彎曲、扭轉兩個典型工況下進行強度、剛度分析。通過分析對比驗證了在此車架上進行純電動改裝方案的可行性，為后續改裝分析提供理論依據，同時為進一步優化設計奠定基礎，也為其他同類車型改裝優化提供參考。通過對拓撲優化結果的分析，為后續輕量化設計改進提供方向和依據，為電動車整車輕量化設計提供基礎。

參考文獻：

[1] 盛建,戴作強,張鐵柱.純電動客車車架結構模態分析與優化設計[J].制造業自動化,2015,37(8):44-47.

[2] 邵超城,劉強,龍飛永.純電動汽車車架設計及有限元分析[J].機械設計與制造,2011(8):39-41.

[3] 尹安東,龔來智,王歡，等.基于HyperWorks的電動汽車車架有限元分析[J].合肥工業大學學報,2014,37(1):6-9.

[4] 李紅,張海峰,王憶望，等.基于HyperMesh的電動汽車車架結構優化設計[J].揚州大學學報(自然科學版),2012,15(1):38-41.