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电动车车身正向概念轻量化设计

2018/6/14    来源:机械设计与制造    作者:武敬伟  胡朝辉  丁晓明  张光亚      
关键字:电动车  正向概念设计  轻量化  拓扑优化  
对某铝合金电动车车身进行了正向概念轻量化设计,建立了静动态工况下的车身拓扑模型,进行了基于动静态性能驱动的整车拓扑优化,确定了车身框架结构,并对拓扑优化结果并进行了工程修正,建立了几何结构初始模型。

1 引言

    车身结构设计主要分为概念设计和详细设计两个阶段。概念设计阶段是车身结构的核心阶段,车身的主要性能参数和关键截面等结构参数基本都已确定,而这个阶段的性能缺陷往往很难在后续的设计中弥补。

    在车身概念设计开发方面,国内外学者进行了大量的研究。研究了概念车身框架结构建模并对其多变量截面参数进行了优化。

    根据线面结合的方式建立了概念设计阶段车身简化几何模型及有限元模型,进行了车身刚度模态性能分析,并将仿真结果与详细设计结果进行对比,验证了该设计的可行性。福特汽车公司通过构建概念车身框架结构,在概念设计阶段品质及可靠性进行了评估。文献基于变密度结构拓扑优化方法,对PEV白车身的概念设计,得到了纯电动汽车白车身最优结构。

    基于参数化技术构建白车身和覆盖件的全参模型,通过模态和刚度仿真评估车辆的NVH性能。

    电动汽车目前存在的主要问题是电池能量质量比低,导致整车质量过大,因此,在概念阶段对对电动车车身进行轻量化设计显得尤为重要。文献利用SIMP插值函数的变密度拓扑优化方法,对电动汽车动力电池仓进行了拓扑优化设计。利用拓扑优化方法对电动车的镁合金车架进行了开发,得到了较轻的车架结构。建立了某款纯电动铝合金汽车车身骨架基于真实接头的简化力学模型,利用灵敏度分析方法优化了车身结构,降低了车身质量,同时改善了车身的模态和刚度。铝合金等轻质材料的应用能够满足车身轻量化设计需求。以某电动车铝合金车身开发为例,以设计出轻质量的车身结构为目标,进行了车身正向概念开发设计,最终开发出了性能良好、质量较轻的铝合金框架车身。

2 电动车车身正向概念轻量化设计流程

    在车身开发初期,将轻量化设计理念融入到概念车身开发设计中,并贯穿整个开发流程,实现车身结构轻量化设计。首先建立静动态工况下的车身拓扑优化模型,进行基于动静态性能驱动的整车拓扑优化,得到整车最优框架结构。根据拓扑优化结果并进行工程修正,确定梁和接头位置,建立初始车身框架几何结构。根据车身结构和截面特点,建立车身的梁单元参数化简化力学模型并进行梁截面参数优化。基于优化后的参数构建车身框架有限元模型,对接头区域进行区域灵敏度计算,识别关键接头并进行针对性加强,进行结构优化直至满足车身设计目标。

3 基于动静态性能驱动的整车拓扑优化

    在不明显提高汽车制造成本的情况下,通过采用拓扑优化技术对整体车身结构进行优化设计,可以得到最优的汽车承载骨架和汽车内部传力路径,对汽车白车身的详细设计提供指导,在概念设计阶段达到轻量化效果。在不考虑行李舱、前舱、电池支架等结构的前提下,确定电动车拓扑优化空间。

    依据电动车的使用和实际载荷工况,选择以下4种典型工况作为模型分析载荷工况:

    (1)扭转工况:左右前悬点分别施加Z、-Z向2500N的力,防撞梁底部中心位置约束Z向平动自由度,左右后悬约束全部的平动自由度。

    (2)弯曲工况:分别在座椅中心对应位置加载-Z向1500N的力,左右前悬点约束全部平动自由度,左右后悬约束Z向平动自由度。

    (3)正碰工况:车前部施加X向0.3MPa的均布载荷。对于一般的正面100%碰撞工况,车辆与刚性墙平均碰撞力约为300kN,接触面积约为600mm*1600mm=960000mm2,采用等效静载荷进行加载,其平均载荷约为0.3MPa。

    (4)侧碰工况:车侧面门槛梁位置施加Y向0.3MPa的均布载荷,其取值计算与正碰工况同理。以设计空间内单元相对密度为设计变量,以体积分数为约束,采用折衷规划法定义多工况目标函数:

多工况目标函数

    考虑到安装电池后承受弯曲载荷,取弯曲工况权重为0.4,其他工况为0.2,得到的拓扑优化结果,如图1所示。

拓扑优化结果

图1 拓扑优化结果

    根据实际情况和经验对优化结果进行适当的是修正和处理,增加了行李舱、前舱等结构,完成电动车车身框架初始结构设计,初始模型,如图2所示。

电动车框架初始模型

图2 电动车框架初始模型

责任编辑:程玥
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