摘要：車架結(jié)構(gòu)設(shè)計在新能源汽車節(jié)能環(huán)保設(shè)計中具有重要意義。文章基于拓撲優(yōu)化設(shè)計理論，應(yīng)用數(shù)值計算方法對新能源汽車車架結(jié)構(gòu)進行了三維拓撲優(yōu)化初步設(shè)計。通過新能源汽車正常運行過程中車架彎曲、扭轉(zhuǎn)工況下的優(yōu)化設(shè)計計算分析，得到車架結(jié)構(gòu)初步的最優(yōu)載荷傳遞路徑及各構(gòu)件空間連接方式?？蔀檐嚰芙Y(jié)構(gòu)的進一步詳細設(shè)計提供參考。

引言

發(fā)展新能源汽車工業(yè)，進行車輛能源動力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型，是汽車工業(yè)實現(xiàn)節(jié)能、環(huán)保及可持續(xù)發(fā)展的重要策略。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(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)構(gòu)的設(shè)計大多基于現(xiàn)有車架結(jié)構(gòu)的改型，研發(fā)全新新能源汽車車架結(jié)構(gòu)的實例較少?；谌加推囓嚰芙Y(jié)構(gòu)的改型設(shè)計，不僅其結(jié)構(gòu)優(yōu)化空間非常有限，而且在考慮質(zhì)量較大的電池組時，僅僅尺寸、形狀等優(yōu)化設(shè)計方法將可能導(dǎo)致新能源汽車車架結(jié)構(gòu)局部力學(xué)性能不足或部分結(jié)構(gòu)材料冗余。

結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化設(shè)計方法發(fā)展至今已有100多年，隨著計算機及軟件技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于土木、化工、航空等工程領(lǐng)域。結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化設(shè)計方法主要有離散結(jié)構(gòu)和連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化兩大類。其核心思想是在給定的設(shè)計區(qū)域內(nèi)，通過設(shè)計變量、約束條件及目標函數(shù)等設(shè)置，獲得結(jié)構(gòu)的最優(yōu)拓撲結(jié)構(gòu)型式，以實現(xiàn)最省材料、最佳力學(xué)性能的結(jié)構(gòu)設(shè)計。在新能源汽車車架結(jié)構(gòu)設(shè)計中，車架結(jié)構(gòu)拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計是在初步設(shè)計中首先要完成的工作，主要包括車架結(jié)構(gòu)中梁、柱等承載件的空間布置形式。本文根據(jù)設(shè)計目標、設(shè)計變量及約束條件，應(yīng)用有限元軟件提供的變密度拓撲優(yōu)化方法，建立了適用于新能源汽車車架結(jié)構(gòu)的拓撲優(yōu)化設(shè)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(zhuǎn)2個工況，進行單目標拓撲優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，分別得到了滿足設(shè)計目標的新能源汽車車架拓撲結(jié)構(gòu)。為新能源汽車車架結(jié)構(gòu)下一步詳細設(shè)計提供一定的參考基礎(chǔ)。

1 車輛拓撲優(yōu)化有限元模型

在有限元軟件提供的結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化設(shè)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(shè)計變量則為各個單元對應(yīng)的密度值。在有限元模型結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)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(jié)構(gòu)設(shè)計中就可以刪除該單元，成為孔洞。由此，變密度方法是將結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化設(shè)計轉(zhuǎn)化為材料在有限空間內(nèi)的分布問題，具有較強的實用性、求解效率高等優(yōu)點。

圖1  新能源汽車車架拓撲優(yōu)化初步設(shè)計有限元模型結(jié)構(gòu)

新能源汽車車架結(jié)構(gòu)應(yīng)用變密度法的初步設(shè)計中，其有限元模型包括整個車架的實體結(jié)構(gòu)（圖1）。根據(jù)車架各區(qū)域功能不同，整個有限元模型車架結(jié)構(gòu)分為3個部分。前部為發(fā)動機或電機安裝區(qū)域；中部為電池組安裝區(qū)域，同時也承受乘坐人員的質(zhì)量；后部為后備箱區(qū)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(wěn)定性，中部區(qū)域低于前部和后部。

2 車架結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化結(jié)構(gòu)分析 

新能源汽車在行駛過程中，車架結(jié)構(gòu)受到的載荷激勵主要來源于路面，路況的差異性會導(dǎo)致車架結(jié)構(gòu)常常處于多種不同的變形狀態(tài)。其中彎曲、扭轉(zhuǎn)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(zhuǎn)工況下新能源汽車車架結(jié)構(gòu)的拓撲優(yōu)化初步設(shè)計討論。

2.1 彎曲工況  

根據(jù)車架結(jié)構(gòu)彎曲剛度試驗標準，對該有限元模型進行彎曲工況下的滿負載加載。設(shè)計滿載600Kg（包括5名乘坐人員，座椅質(zhì)量，車架上部框架質(zhì)量），動力放大系數(shù)取2.0。在新能源汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計中，構(gòu)件儲存的應(yīng)變能大小是反映該構(gòu)件承載能力的重要指標。設(shè)定該車架有限元模型拓撲優(yōu)化設(shè)計目標函數(shù)是應(yīng)變能，約束條件是滿足車架結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)變形光滑過渡?；贏NSYS有限元軟件計算平臺，進行線性變密度拓撲優(yōu)化計算。圖2和圖3分別表示拓撲優(yōu)化計算過程中應(yīng)變能、車架位移隨迭代次數(shù)而變化的趨勢?？梢钥闯?，在30次循環(huán)迭代后目標值趨于穩(wěn)定。

圖2  彎曲工況下車架應(yīng)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(jié)構(gòu)兩側(cè)車門附近具有較多的材料，為電池組主要承載結(jié)構(gòu)；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(jié)構(gòu)。另外，在前、中、后部之間形成了斜桿連接型式，實現(xiàn)了整個車架結(jié)構(gòu)的受力連續(xù)性，符合彎曲工況下的承載要求。

2.2 扭轉(zhuǎn)工況 

根據(jù)車架結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)剛度試驗標準，對該有限元模型進行扭轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形。設(shè)計滿載600Kg，其質(zhì)量由4個車輪車軸平均分配，動力放大系數(shù)取2。則每個車軸所受載荷3KN?；贏NSYS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(yōu)化計算。

圖5  扭轉(zhuǎn)工況下車架單元密度云圖

從圖5扭轉(zhuǎn)工況下車架結(jié)構(gòu)單元密度計算結(jié)果可以看出，車架結(jié)構(gòu)形成了上、下兩層結(jié)構(gòu)，車架結(jié)構(gòu)內(nèi)部幾乎沒有材料分布。而且車架結(jié)構(gòu)為多個三角形組成的桁架型式，具有較強的穩(wěn)定性和抗扭特性。車架內(nèi)部形成的空腔結(jié)構(gòu)可用于電池組的合理設(shè)計與安裝。

3  總結(jié)