新能源汽车车架结构拓扑优化初步设计

谢政权

（娄底职业技术学院，湖南 娄底 417000）

近年来，随着科技发展和经济进步，人们对汽车的需求量越来越高，汽车制造的规模也越来越大，虽然在一定程度上促进了社会的快速发展，但是由于大多数厂商生产的汽车都是依靠石油作为燃料进行驱动的，这就导致很多有毒气体的产生和排放，对空气环境以及人体健康等都造成严重的危害。因此，相关部门必须要进行积极重视，加强汽车能源动力的转型发展，将一些清洁能源引入到汽车动力研究和发展中。在新能源汽车研究中，汽车车架结构便是一项重要内容，尤其是车架结构的拓扑优化设计，更是保证新能源汽车有效应用的重要前提。

1 新能源汽车车架结构拓扑优化基本简介

针对新能源汽车架结构的拓扑优化方案来讲，一般都采用有限元软件来进行支持，但其中也包含众多设计方法，在目前的研究中，变密度法具有较好的效果，在车架结构的设计中得到研究者广泛的喜爱和使用。其基本设计原理如下，首先，在假设的条件下，引入一种密度可变的车架材料，然后利用有限元模型进行相应的控制，通常情况下，在有限元模型中需要接入多个单元，用于对应引入变密度材料中的相关参数，而这些不同单元中对应的变密度材料的密度值，就是方案设计中所用到的相关变量。另外，对于拓扑优化结构所用的算法来讲，其中用于表示单元材料是否填充的结果，采用的是二进制。如相对密度值为1，则对应该单元内的材料已填充满的情况，相反，如果相对密度值为0，则表示无材料进行填充，对于这种情况的单元，在实际设计和应用时，就需要对它进行删除处理。由此可见，对于拓扑结构中变密度法的应用来说，主要指的是特殊材料在相应空间内的分布和应用的设计，如果布局设计的合理，这会具有较强的实用性，对于新能源车辆的架构建设来说，在使用效率和质量方面都具有积极的作用。另一方面，对于新能源车架的整体结构分析，我们发现他主要根据各部分的功能差异，相应的划分为三个部分。第一部分便是位于前头区域的发动机区域，该区域的特点是具有较大的重量；第二部分便是车辆中间的电池安装区域，该区域具有一定的承重作用，不仅要保证车辆上方乘客的重量承重，还要保证车辆前头和后头之间的连接支撑；第三部分便是车辆后头的后备箱位置，该区域具有较轻的重量，因此在设计过程注意与前头区域进行重量方面的协调。最后，这三个部分都由下方四个车轮进行总体承接。其中需要注意的是，为保证车辆中部位置对乘客的承重以及保持车辆行驶的稳定性问题，在设计过程中，一般将中部区域设置的较低，以满足车辆实际运行要求。

2 新能源汽车车架结构拓扑优化结果分析

众所周知，车辆在行驶过程中，会受到多种外力的作用，比如重力、压力、惯性力等，这些都会对车架造成压力，因此，车架的承重能力直接决定着新能源车辆的整体质量，特别是在路况不好的情况下，受力力度会加大，而且外力的变化幅度也会加大，使得车架结构产生一定的歪曲或扭转的情况，如果在合理的范围内，则表示架构正常。相反，如果变化角度过大，则产生质量问题，以下便是对这两方面受力变化情况的分析。

2.1 车架弯曲情况分析

对于车辆架构的弯曲高度进行测试时，一般采用满载情况的最大压力来进行，然后对其车架的弯曲情况进行检查，确定其是否在合理的变化幅度内。对于普通情况下的新能源汽车使用来说，其承载量一般为5名乘客，因此车辆中部上方的承载力值设定为600千克，其中动力系数一般设置为2。另外，对于整个新能源车架的结构承重情况来讲，其中构件的承重能力是最重要的，尤其是其承重中的应变能大小，是检测该架构整体承重能力的重要参照。因此，在对有限元模型拓扑结构下的车架承重能力进行检测时，其首先设计的函数便是对应变能大小的反映，其设计的标准为以车辆架构能弯曲的最大刚度为基础，其垂直方向位移量最大不能超过1.2毫米，其水平方向位移量最大不超过0.3毫米，其中还需要注意的是，当车架结构受力变形时，一定要保证光滑过度，避免受外力影响而产生破坏。另外，在利用有限元软件进行监测和计算时，一般是基于ANSYS平台来进行的，具有较高的数据保障性，其数据变化主要是围绕应变能情况和车架受力变化位移情况来进行分析和测试的。经多次试验研究分析发现，经过30次迭代运算后，起变化趋于稳定。另外，对于车辆中部电池组位置的承重情况来讲，主要在车门两侧布置较多的应变材料，一旦车架受力产生相应的弯曲时，两侧的应变材料为其承重能力提供支撑力。再者，加强车辆前中后各区域之间的连接性，以增强车架在整体受力方面的均衡性，从而更好地满足车架受力弯曲的标准，保证车架结构的质量。

2.2 结构扭转情况分析

对车架进行扭转试验测量时，要根据车辆扭转情况下的实际变化情况进行相应分析。首先，对车架下方前车轮处进行施力，通常情况下，一般在左右前轮处施加同等大小，但方向相反的力道，使车架结构产生一定的扭转角度，同时要保证车辆的总体承载力度仍然在600kg左右，注意检查车体是否平衡，保证总体重量由四个车轮进行均衡承担，此时，每个车轮轴承处受力大小为3KN。同样，在基于ANSYS平台上进行相关测试和计算，其测试过程为：首先，在车辆前轮两个车轴位置施加同等大小且方向相反的力，其次，在车辆后轮两个车轴处设置全约束荷载力，最后，利用变密度拓扑算法进行优化计算，以确定出相应的变化情况是否满足标注，进而判断车架的质量。经过多次实验测试发现，在扭转过程中，车架结构一般会形成上下结构分布，由于车架内部设置了一些三角形的构件，具有较强的稳定性，在面对扭转受力挤压时，不会产生较大车架变化情况，具有较高的质量。

3 结束语

总之，车架结构的设计合理性对新能源汽车的有效应用有着积极作用，而对于车架结构质量的检测，一般都是采用拓扑算法进行优化设计的。因此，只要有效把握这两方面的设计，对新能源汽车的普及和应用有着重要意义，相关部门一定要对其进行重视，采取措施加大力度进行车架结构的拓扑优化设计，以更好地保证新能源汽车的使用质量。