电动车车身结构设计轻量化与质量控制研究

刘月萍

摘 要：在现代车身设计中，通常是用结构优化和材料更替来实现轻量化的设计目标。具体地说，基于有限元的设计方法，在整个概念设计的优化阶段，需要对整体拓扑进行优化，在基础结构的设计阶段需要对整体形状进行优化，在详细的结构设计阶段则需要对整体的尺寸进行优化。三种性能优化设计工具的共同应用特征保证产品设计软件的结构，不仅可以满足基础产品的性能设计需求，而且可以使所用材料的最低优化程度达到有效地降低整体产品的设计质量。

关键词：电动车;车身轻量化;框架式结构;钢塑一体结构

1 结构优化设计的意义

在我国汽车结构设计中，通常是指根据特定的汽车结构设计方案，结合设计人员的汽车设计工作和实践相关设计的实际案例，进行各种方案的设计。设计完成后，再以结构强度、刚度和稳定性等参数为衡量标准，找出最合适的方案。由于该设计理念的方案受限，最优方案一般不在此项中，采用该方案仅能获得相对较合理的设计结果。这与最初的模型设计初衷有出入，而结构优化设计则与上面提到的设计有本质性的区别，它是以设计原则为基础的，即约束条件，在所有可行域内，利用某种数学法，寻找最优的满足设计需求的方案。

2 结构优化的具体内容

结构优化设计是一种宏观的概念，涉及到多学科和多领域。结构优化设计的数值计算方法不同，结构优化设计也有不同的类型，因此对优化设计有了不同的优化方法。结合有关研究需要，在这里仅从工程设计角度介绍了优化的设计方法。从工程设计角度来看，结构优化的设计方法根据设计目标不同，可分为三种：拓扑优化，形状优化，尺寸优化。

（1）拓扑优化。拓扑优化法是一种以约束条件为基础，对结构材料进行最优配置，目标是寻找结构材料的最优化。拓扑优化的基本理念是在某一边界条件和设计目的下，找到在设计范围内最优的材料分布，从而得到结构在相同边界条件和设计目的下的拓扑形状。拓扑优化仅是初步设计概念的阶段，以设计区域材料布局为变量，通过优化计算给出了设计区域空间最优的传递方径，是一种经济优化的方法。

（2）形状优化。与拓扑优化不同，形状优化不会删除结构的材料，并且结构的初始拓扑保持不变，但是设计区域中结构的形状会发生变化。以车门内板为例。确定拓扑优化之后的门的数量，开口位置以及门内板的筋的布置位置和方向。当优化形状时，仅改变开口的边界形状或筋的横截面形状。

（3）尺寸优化。尺寸优化是设计中的一种方法，它将结构尺寸参数作为设计变量，用于减少整体结构的重量，或改善整个结构的使用性能，并获得最好的整个结构设计尺寸。用于优化建筑尺寸的分层结构厚度参数，通常被定义为钢筋杆的全面截面积、惯性矩、板的分层厚度和各种复合材料的总体分层厚度。

如何设计一种轻量化的车身，适应电动车特征，既可间接地增加续航里程，又可提高动力？通过有关的研究，使用框架结构构造一种电动汽车的身体，在确保性能和减轻重量的同时，达到了降低重量的效果。同时，框架结构无需开发高价格的金属冲压模具，也可降低目前小批量电动汽车的制造费用。

3 材料优化的新方法

轻量化车身设计主要通过结构优化和高强度材料选择来实现，将两种成果的结合应用于工业轻量化软件设计当中，从而实现工业轻量化软件设计的巨大发展。而随着新复合材料应用技术的迅速发展，车身各种轻量造型的设计也可以通过迅速更换复合材料来实现，即用高强度、低密度复合材料直接取代普通不锈钢，以快速实现轻量化车身。代表性车辆为奥迪全钢铸铝板，高强度不锈钢全铝板的首次出现，即对一些汽车结构件进行加固，用高强度的不锈钢车身取代普通的不锈钢板。由此，提出了一种钢塑复合集成一体结构的基本概念。

塑钢一体结构：所谓的钢塑整体结构，是在传统的金属结构基础上发展而来的，低密度塑料材料可以通过特定的注射成型方法，在金属部件上覆盖一定厚度的强塑料，从而减小金属部件的厚度，提高了结构部件的性能。对于白色车身的内板及加强板，面板的内侧覆盖着一层塑料。减轻重量，增强强度。面板的外侧是塑料的。它还可以用来装饰，防腐。

4 电动车质量控制研究

第一，就目前改变车身结构等解决此问题的水平有待提高，各大汽车厂在国家的大力支持下，已经不断地引进新技术手段，研究出各种新型的解决振动问题的新方法。第二，电动车在追求轻量化的前提下，电池与内部的元器件安排与组排上，都需要与传统汽车产业的传统架构区别开来，因此需要重视专业人才的培养，注重理论联系实践的工作作风。以下针对上述两个方面提出目前的解决方法。

首先，解决车身的结构振动问题是非常迫切的。这需要进行结构或系统的模态分析，并通过对其各种模式的振动特征进行研究，以确定它的模态频率、形状和模式刚度等。状态参数能够预测各种外部或内部刺激下结构的振动效应，以及易引起共振的频率范围。在已知的激励频率前提下，研究系统在这种激励的作用下是否会谐振，以避免系统的谐振。研究系统振动所引起的故障和误差，可以使车身振动最小化，从而降低整车的NVH噪声。其次，纯动力电动汽车项目取消了以往传统的动力机械传动动力系统结构布置，增加了新型动力离子电池组和动力电子制动控制器等设备，电池组平均重量可高达数百公斤。一般正常情况下，动力电池的合理质量应占所有汽车电池质量的20-30%，因此动力电池的合理布置也非常重要。动力电池的结构布局也对电动车身的整体承重能力结构设计和整个电动车辆的整体结构使用性能都会产生更大的直接影响。对于电池布局，应选择T形布局和矩形布局。对于乘客舱的设计，建议采用类似的圆形设计。在弯曲和扭转刚度的工作状态下，该形状可以将工作状态下的力传递给相应的连接件，有利于车身在碰撞过程中碰撞力的分散，从而提高电动车的使用性能。

5 结束语

本文提出了钢塑一体化结构的概念，并论证了钢塑一体化结构的可行性。構建了钢塑一体的车身结构，在此基础上，构建了基于稳健可靠的优化设计的车身轻量化软件平台，为实际工程应用提供了可操作性设计工具。

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