新能源汽車車架結構拓撲優化初步設計

王勝永，周美娟，李育文，張向峰，張文首

（1.鄭州輕工業學院機電工程學院，河南 鄭州 450002；

2.大連理工大學工業裝備結構分析國家重點實驗室，遼寧 大連 116024）

前言

發展新能源汽車工業，進行車輛能源動力系統轉型，是汽車工業實現節能、環保及可持續發展的重要策略[1]。新能源汽車多以混合動力或純電動為主，相比于燃油汽車，其車架結構設計必然考慮動力電池的安裝、保護及重量等問題。然而，目前我國大部分新能源汽車車架結構的設計大多基于現有車架結構的改型，研發全新新能源汽車車架結構的實例較少。基于燃油汽車車架結構的改型設計，不僅其結構優化空間非常有限，而且在考慮質量較大的電池組時，僅僅尺寸、形狀等優化設計方法將可能導致新能源汽車車架結構局部力學性能不足或部分結構材料冗余[2]。

結構拓撲優化設計方法發展至今已有100多年，隨著計算機及軟件技術的發展，已經廣泛應用于土木、化工、航空等工程領域。結構拓撲優化設計方法主要有離散結構和連續體結構拓撲優化兩大類。其核心思想是在給定的設計區域內，通過設計變量、約束條件及目標函數等設置，獲得結構的最優拓撲結構型式，以實現最省材料、最佳力學性能的結構設計[3]。在新能源汽車車架結構設計中，車架結構拓撲結構設計是在初步設計中首先要完成的工作，主要包括車架結構中梁、柱等承載件的空間布置形式。本文根據設計目標、設計變量及約束條件，應用有限元軟件提供的變密度拓撲優化方法，建立了適用于新能源汽車車架結構的拓撲優化設計空間；并針對新能源汽車正常運行過程中存在的彎曲、扭轉2個工況，進行單目標拓撲優化結構設計，分別得到了滿足設計目標的新能源汽車車架拓撲結構。為新能源汽車車架結構下一步詳細設計提供一定的參考基礎。

1 車架拓撲優化有限元模型

在有限元軟件提供的結構拓撲優化設計方法中，變密度法是最為常用的一種方法。其基本思路是引入一種假想的密度可變材料，有限元模型中可以存在多種單元，而設計變量則為各個單元對應的密度值。在有限元模型結構拓撲優化計算中，如果某一單元的相對密度值為“1”，則代表該單元充滿材料。相反，如果某一單元的相對密度值為“0”，則代表該單元沒有材料，在結構設計中就可以刪除該單元，成為孔洞。由此，變密度方法是將結構拓撲優化設計轉化為材料在有限空間內的分布問題，具有較強的實用性、求解效率高等優點[4]。

圖1 新能源汽車車架拓撲優化初步設計有限元模型結構

新能源汽車車架結構應用變密度法的初步設計中，其有限元模型包括整個車架的實體結構（圖1）。根據車架各區域功能不同，整個有限元模型車架結構分為3個部分。前部為發動機或電機安裝區域；中部為電池組安裝區域，同時也承受乘坐人員的質量；后部為后備箱區域。車軸4個車輪位置承載整個車架重量。考慮到電池組的厚度和車輛行駛過程中的穩定性，中部區域低于前部和后部。

2 車架結構拓撲優化結果分析

新能源汽車在行駛過程中，車架結構受到的載荷激勵主要來源于路面，路況的差異性會導致車架結構常常處于多種不同的變形狀態。其中彎曲、扭轉工況是車輛行駛過程中主要存在的兩種變形型式。因此，在本文中將進行彎曲、扭轉工況下新能源汽車車架結構的拓撲優化初步設計討論。

2.1 彎曲工況

根據車架結構彎曲剛度試驗標準[5]，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(11 k N/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。圖2和圖3分別表示拓撲優化計算過程中應變能、車架位移隨迭代次數而變化的趨勢。可以看出，在30次循環迭代后目標值趨于穩定。

圖2 彎曲工況下車架應變能

圖3 彎曲工況下車架撓度

圖4 彎曲工況下車架單元密度云圖

圖4表明，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。

2.2 扭轉工況

根據車架結構扭轉剛度試驗標準[5]，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。

圖5 扭轉工況下車架單元密度云圖

從圖 5扭轉工況下車架結構單元密度計算結果可以看出，車架結構形成了上、下兩層結構，車架結構內部幾乎沒有材料分布。而且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。

3 結論

新能源汽車車架由于承載質量較大電池組，其結構與傳統燃油汽車車架結構相比，具有自身特殊的結構特點。本文基于ANSYS有限元軟件計算平臺，應用變密度法進行了新能源汽車車架結構在彎曲、扭轉工況下的拓撲優化初步設計，得到了車架結構的最優載荷傳遞路徑及車架空間結構型式。然而，全新的新能源汽車車架結構設計尚處于初步階段，尚需要進一步開展研究工作。