电动汽车车身结构轻量化研究

潘如顺 胡真远

摘要：纯电动汽车的动力性能和续航能力一直是新能源汽车领域的技术难点，而对这两方面性能起阻碍作用的一个重要因素就是整车的重量。因此，本文在综合分析近年来，国内外对于纯电动汽车技术和汽车轻量化研究成果的基础上，探讨车身轻量化技术的现状和前景，分析车身轻量化技术对于纯电动汽车发展的必要性，研究纯电动汽车车身轻量化的关键技术，提出通过对车身重要受力部件，例如汽车防护梁等方面的结构创新设计，来降低车身质量，提高车身的力学性能，是在现有的技术及工艺水平条件下，提高纯电动汽车性能最有效、成本最低的方法。

关键词：小型电动汽车;车身设计;轻量化

引言

随着经济社会的不断发展，人们对美好生活要求的不断提高，民众的环保意识也在不断增强。交通事业的不断发展，也带动了汽车制造业的蓬勃兴起，公众越来越重视对汽车环保与舒适度的需求。因此，发展新型电动汽车是汽车制造业，实现可持续性发展的必由之路，也是促进我国经济社会又好又快发展与科学发展的重要保障。

1轻量化设计内容与步骤

在轻量化设计过程中，由于电动汽车车身零部件数量众多且结构尺寸差别较大，不同零部件对前舱静态与动态性能存在着不同程度的影响。减薄有些零件的厚度虽然可以减轻重量，但同时也降低了车身整体的模态与刚度。并且，轻量化后的车身也不一定能够满足电动汽车整车的安全性能。因此对电动汽车车身部件进行灵敏度分析，根据分析结果，选出对模态、刚度和质量灵敏度值不同的部件进行减薄或增厚，可以达到车身轻量化和提高车身静动态性能的目的。同时，通过对车身轻量化后的电动汽车整车进行正面碰撞仿真分析，对比车身轻量化前后电动汽车的安全性能指标，验证该轻量化设计方法的可行性。最后，根据优化前后的对比分析结果确定车身轻量化设计的最优方案。

2车身结构设计

构建完车身主体架构走势后，就开始进行车身结构设计。三维数据的建立都要遵循点、线、面、体的过程，即由点生线、由线生面、由面生体的过程。所以在进行车身3D数据制作前首先会制作2D数据，即常说的典型断面。车身典型断面是车身设计过程中的一项重要工作，它能够定义零件与零件间的配合关系，指导接下来的3D数据制作，反映运动件的运动轨迹，评估初步的工艺可行性，反映截面的弯扭特性等。一般一个车身的典型断面会有几十个，本文主要展示了本车的几个主要典型断面。（1）门上铰链位置的典型断面，断面反映了车身此处内外板及加强板的搭接形式、型面尺寸及构成角度，体现了门的运动轨迹、密封形式、铰链的固定方式以及门与翼子板的配合关系等。（2）门限位器位置的典型断面，其主要体现了限位器的运动轨迹、安装形式，以及为了配合限位器车身钣金和门钣金所定义的相关结构及尺寸，同时也体现了翼子板为了避让门开启所定义的固定结构。（3）门槛位置的典型断面，此断面涉及车身、开闭件、外饰件、内饰件、电器等多专业，所以此断面主要体现了门与车身、外饰件之间的配合关系，外饰件、内饰件以及电器在车身钣金和门钣金上的安装形式，以及车身钣金自身的尺寸定义等。（4）顶盖后横梁位置典型断面，此断面是为了说明在断面设计时除了考虑结构外还要兼顾人机需求，以保证人机需求车身结构进行了相关避让，这种避让是满足性能要求和初步评估的前提。

3汽车车身结构轻量化研究方法

3.1尺寸优化方法

尺寸优化是指在给定结构的类型、材料、布局和几何外形的前提下，优化各个组成构件的截面尺寸，使结构最轻或最经济，例如对节点位置已定的桁架结构求各梁的最优截面尺寸;对几何形状已定的平面板结构求各部位的最佳厚度等。

3.2改进汽车的结构

人们要不断改进汽车结构，使得汽车内部的零件变得更加薄壁化、中空化、小型化以及复合化。在优化设计车身结构时，会使用拓扑和形貌优化、形状以及尺寸优化的方式。目前，我国应用比较多的是拓扑优化方法，而形貌优化主要用于优化加强筋的形式走向等，形状和尺寸优化主要用于钣金件的型面和板厚。

3.3形貌优化方法

形貌优化是一种形状最佳化的方法，即在板形结构中寻找最优的加强筋分布的概念设计方法，用于设计薄壁结构的强化压痕，在减轻结构质量的同时能满足强度、频率等要求。形貌优化不删除材料，而是在可设计区域中根据节点的扰动生成加强筋。形貌优化是形状优化的高级形式，采用的变量为形状变量。形貌优化的设计区域首先被划分成大量独立的变量，然后进行一系列迭代优化，并计算这些变量对结构的影响。通过指定板壳单元节点在其法向的移动量，不断调整有限元网格模型的结构形状，直至获得满足设计目标的最优移动节点区域的最佳组合，它与基于钣金面上的加强筋布置设计过程类似。形貌优化的目标函数可以是车身零件的频率、刚度、强度等，设计变量是决定优化过程中节点位移变化的向量，加强筋方向一般与冲压方向一致，还需要定义最大起筋高度、最小起筋宽度或加强筋角度等;设计变量区间选择也可以作为约束条件处理。

3.4拓扑优化

（1）弯曲工况。根据车架结构弯曲刚度试验标准，对该有限元模型进行弯曲工况下的满负载加载。设计满载600Kg（包括5名乘坐人员，座椅质量，车架上部框架质量），动力放大系数取2.0。在新能源汽车结构设计中，构件储存的应变能大小是反映该构件承载能力的重要指标。设定该车架有限元模型拓扑优化设计目标函数是应变能，约束条件是满足车架结构弯曲刚度（11kN/mm）时，最大竖向位移小于1.2mm，挠度位移小于0.3mm，车架结构变形光滑过渡。基于ANSYS有限元软件计算平台，进行线性变密度拓扑优化计算。在30次循环迭代后目标值趋于稳定。弯曲工况下车架结构两侧车门附近具有较多的材料，为电池组主要承载结构;前部和后部也保留了较多的材料，为电机和行李主要承载结构。另外，在前、中、后部之间形成了斜杆连接型式，实现了整个车架结构的受力连续性，符合弯曲工况下的承载要求。（2）扭转工况。根据车架结构扭转刚度试验标准，对该有限元模型进行扭转工况下加载。左、右前车轮车轴处施加竖直方向的大小相等、方向相反的力，使车架结构产生扭转变形。设计满载600Kg，其质量由4个车轮车轴平均分配，动力放大系数取2。则每个车轴所受载荷3KN。基于ANSYS有限元软件计算平台，在左右前车轮车轴位置施加大小相等方向相反的载荷3KN，左右后车轮车轴位置施加全约束载荷，进行线性变密度拓扑优化计算。车架结构为多个三角形组成的桁架型式，具有较强的稳定性和抗扭特性。车架内部形成的空腔结构可用于电池组的合理设计与安装。

4 新能源汽车輕量化的必要性

在能源紧缺的当代，新能源汽车的轻量化显得尤为得重要。对新能源汽车进行轻量化设计制造，可以减少能源的浪费，提高能源利用率。目前国内外汽车轻量化的研究方法有3个：一是对新能源汽车进行轻量化的设计和分析，二是通过材料替代或者采用新材料来使新能源汽车轻量化，三是采用先进的制造工艺，使用新材料加工而成的轻量化结构用材。

5 结语

实现新能源汽车的轻量化是一个系统的工程，要全面考虑材料、设计及制造技术各个方面的要求，即统筹兼顾轻量化的三个途径。设计初期在设计上利用CAD/CAE技术实现设计轻量化，应用新型材料替代传统的材料，新材料的应用离不开新加工制造成形技术的发展，轻量化材料的广泛应用必定促进新技术、新工艺及新设计思路的诞生。新的加工制造技术激光拼焊技术、热冲压成形技术的发展又会促进轻量化材料的应用，实现更高层次的新能源汽车的轻量化。

参考文献：

[1]韩光辉，郑维，杨泗鹏.一种高压配电装置及使用该装置的纯电动汽车，CN204623170U[P].2015.

[2]孙建新，李小鹏，王旭龙.电动车线束检测系统设计[J].信息系统工程，2015（6）：39-40.

[3]杨国亮，齐同启，柳熹.纯电动汽车高压电气系统安全设计[J].汽车工程师，2015（11）：41-44.