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小型电动汽车轻量化车身骨架概念设计
摘要：为实现轻量化结构，采用拓扑优化和尺寸优化相结合的方法，对微型电动汽车的车身骨架进行了概念设计。采用拓扑优化方法对加载路径进行搜索，并采用尺寸优化方法对简化后的结构进行建模。两个优化阶段同时考虑了静刚度、碰撞安全性和自由振动条件。由于概念设计的特点，将耐撞性案例视为静态刚度案例，并进行了线性等效的惯性消除分析。在Optistruct中，采用折中规划方法定义了多目标拓扑优化中的目标函数。由于外形的几何特征和制造约束，将尺寸优化设计变量定义为连续变量和离散变量。结果表明，该方法在许多结构响应上都优于原方法，且最大程度地减轻了36%的重量，证明了该方法的有效性。
关键词：汽车车架，轻量化，拓扑优化，尺寸优化，小型电动汽车设计
引言
除了开发更强大、更高效的动力系统外，轻量化也是提高电动汽车续航里程和动力性能的有效途径。与其他部件相比，轻量化车身成本相对较低，实施更容易，并更容易实现轻量化效果的显著提升。
在微型电动汽车的研制过程中，根据工程经验建立了车身骨架结构的初始版本，并通过计算机辅助工程（CAE）分析对其进行了手动升级。CAE分析结果表明，该系统扭转刚度稍弱，部分碰撞体在正面碰撞模拟过程中体积过大，总质量明显超过设计目标。其次介绍了一种基于CAE分析的设计过程，同时考虑了性能、耐撞性和轻量化等各项性能指标。
车身结构的概念设计过程可分为两个阶段：通过载荷工况搜索载荷路径和通过载荷路径建模简化结构。连续介质结构的拓扑优化用于有规律地搜索负载路径，它决定了负载路径在拓扑优化中的有效性，并综合说明了车辆的使用情况，本研究将对其进行详细讨论。该车的车身框架由型钢构成，外形规格是一系列离散参数，因此应判断合适的尺寸优化方法，以获得最佳的结果，这项研究在本文中也将提到。
设计要求
车体应具有足够的刚度、强度和合适的固有频率，能可靠地承受各种载荷，并具有良好的NVH性能。电动汽车的续航能力和动力性能要求车身重量轻。乘用车的研制应考虑其耐撞性。对于结构强度依赖于详细的CAD模型，通常在结构设计的概念阶段研究静刚度、低阶模态频率和总质量。
静刚度.它包括弯曲和扭转两种情况
（1）弯曲情况。在这种情况下，假定汽车为满载。载客量为4名乘客，每名乘客重量为65kg。行李的质量是30kg。动力电池重312kg。所有载荷均施加在其实际安装点上。
X、Y、Z方向的平移自由度约束在左前弹簧支座处。其他弹簧支座受Z向平移自由度约束。
观察蓄电池安装梁中点的Z向位移，以表明蓄电池安装梁的弯曲刚度。
（2）扭转情况。在两个前弹簧支架上施加两个大小相等且方向相反的Z方向载荷。
在左后弹簧支架上沿X、Y、Z方向施加平移自由度约束，在右后弹簧支架上沿Z方向施加平移自由度约束。地板梁中点的平移自由度在Z方向强制为0。
观测加载点的Z向位移，并将其转换为反映扭转刚度的扭角。
耐撞性.汽车碰撞是一种严重的非线性情况。适用于碰撞案例的非线性有限元分析方法计算量大，依赖于有限元模型的细节，在拓扑优化中应用不多。
本研究引入等效静载荷的思想来解决这一问题。假设碰撞过程中的动载荷近似为静载荷，即将非线性条件转化为线性条件，它对应于加载段周围局部区域发生的塑性变形，其他区域仍处于弹性变形阶段的情况。本研究密切关注乘员舱的载荷路径。根据耐撞性设计要求，乘员舱在正面碰撞试验时基本应为弹性变形，侧面碰撞试验后局部范围应发生塑性变形，符合上述假设。因此，耐撞性案例可归类为静态刚度案例，并可采用相同的方法进行优化。
（1）100%正面碰撞。按国标GB 11551-2003中的中华人民共和国国家标准，在前轨前端施加 X方向的载荷。并进行了惯性释放分析，无需约束。位移基准点设在前排座椅安装梁的中点。
这种情况下的刚度是加载段 X方向的位移除以载荷的结果。
（2）侧面碰撞。载荷按中华人民共和国国家标准GB 20071-2006执行。约束和参考点如上所述。
这种情况下的刚度是B柱在 Y方向上的最大位移分担载荷的结果。
模态. 由于振动情况自由，无需施加载荷和约束，对车身的振动激励主要来自于道路和动力总成。纯电动汽车不存在动力传动系统的空转振动。电机的振动水平弱于内燃机，因此一阶模型频率应明显高于非簧载质量的固有频率，必须避免频率耦合。
轻量化. 由于初始版本和设计目标的结果，车身框架的质量不应超过100kg。
拓扑优化.
软件平台采用带有SIMP（含缺陷的固体各向同性材料）的OptiStruct内插结构。
数学模型. 为了获得有效的载荷路径，进行了最大刚度拓扑优化。设计变量是元素的相对密度。限制条件是无线量和低阶模态频率。每种情况下的响应都是应变能。
在正常情况下，拓扑优化会将最大刚度转换为最小柔度，这一点由应变能表示。由于多目标优化的各种载荷情况，常用线性加权法。然而，它不能保证实现整个帕累托边界。因此，本研究以下列方程式中的应变能响应为设计目标，引入折中规划法。
在公式当中，是部件的相对密度，是i的应变能响应，和是上限和下限，是重量，q是惩罚因子并且qge;2,n是案例的数目。
设计空间. 根据外部和内部建模，将功能部件、乘客和行李的空间移除，使剩余空间作为设计变量。由于工程约束和耐撞性，前后经梁空间设置为非设计空间。如图1。
图1. 拓扑优化设计空间
优化程序. 空间网格类型为TETRA4，具有钢的性能。案例重量（弯曲：扭转：正面碰撞：侧面碰撞）根据工程经验设定为1:5:3:3。惩罚因子设为3。
当体积比设置为0.2时，拓扑结果清晰，当元素的相对密度超过0.18时，拓扑结果保持不变。（图2）顶棚有X形扭转结构，经度梁、Bamp;C柱和门槛梁之间有多条载荷路径。（图3）
图2.拓扑优化结果 图3. 多个加载路径
尺寸优化. 拓扑分析结果表明材料分布是有效的，但它不是一种实用的结构。根据构成结构的型钢的特点，通过拓扑结果建立了简化的线框几何模型（图4），为尺寸优化提供了设计依据。
优化程序. 线框模型被网格化为BAR2单元。这个优化阶段的目标是在不违反约束的情况下最小化权重。剖面的几何参数只能从一系列离散值中选择，并限于总平面布置。在这种情况下，梁的壁厚被定义为设计变量。约束条件是每种情况下的位移和一阶模态频率。设计目标为总质量。
首先将壁厚设置为连续变量，判断其数值范围，然后将其转换为离散变量，得到优化的结构。（图5）
图4.线框模型 图5.优化结构
优化结果
表1显示了有限元分析的结果。在满足所有设计要求的条件下，总质量降低了36%，扭转刚度略有提高，耐撞性箱的刚度急剧上升且不发生频率耦合。优化后的结构具有更有效的加载路径和更合理的材料分配。
表1.有限元分析结果
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情形 初始情形 设计要求 优化结果 提高比例 |
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扭转工况[Nm/rad] 6023.70 6600 6610.52 9.74% 弯曲工况[N/mm] 834.38 9600 11010.80 11.96% 正面碰撞刚度[N/mm]38872.69 47804 48338.37 24.35% 侧面碰撞刚度[N/mm]10358.96 24433 35492.93 242.63% 一阶频率[Hz] 39.10 44.2 46.81 19.72% |
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总质量[kg] 139.70 100 89.42 -35.99% |
总结
本研究以小型电动汽车为研究对象，在考虑各种情况的条件下，采用拓扑结构优化及尺寸优化的方法，进行了车身结构的概念设计。最终结果满足设计要求，减重率达到36%，证明了该方法的有效性，为电动汽车车身骨架设计提供了参考。
耐撞性案例的线性等效仅适用于概念设计阶段。它的目的是为详细设计阶段提供一个良好的起点，这并不意味着可以替代传统的碰撞试验CAE分析。
参考文献
[1] Torstenfelt, Bo, and Anders Klarbring. 'Conceptual optimal design of modular car product families using simultaneous size, shape and topology optimization.' Finite elements in analysis and design 43.14 (2007): 1050-1061.
[2] National Standard of P.R.C.: GB 11551-2003, “The protection of the occupant in the event of a frontal collision for passenger car”.
[3] National Standard of P.R.C: GB 20071-2006, “The protection of the occupants in the event of a lateral collision for passenger car”.
[4] Bendsoe, Martin Philip, and Ole Sigmund. Topology optimization: theory, methods and
applications. Springer, 2003.
[5] Min, Seungjae, Shinji Nishiwaki, and Noboru Kikuchi. 'Unified topology design of static and vibrating structures using multiobjective optimization.' Computers amp; Structures 75.1 (2000):93-116.
[6] Wenjie Fan, et al. 'Multi stiffness topology optimization of bus frame with multiple loading conditions.' Automotive Engineering 30.6 (2008).
基于镁合金的汽车车架轻量化设计
摘要：汽车基础车架设计的结构性能和轻量化是一个必须满足所有绩效目标的设计，所以任务具有挑战性。本文提出一种轻型汽车车架的策略，通过三种材料（铁、铝和镁合金）的更换与截面设计优化实现减轻车架重量的同时满足拉伸性能和安全性的目标。两种横截面被视为设计变量，使用ANSYS静态结构解决了设计优化问题，比较了每一步的结果，结构底座经过优化，重量减轻。
- 引言
近年来，减少二氧化碳排放和发展电动汽车的措施得到了迅速发展。为了应对老龄化社会的问题，保护老人和儿童的安全，超小型汽车和轻型纯电动汽车得到了迅速发展。
研究表明，汽车重量降低10%，汽车油耗降低6%-8%，排放量可降低5%-6%。因此，车辆轻量化是节约能源、减少污染的重要措施。镁合金具有比强度高、吸能强、成形性好、回收率高等优点，在汽车领域有着广泛的应用。
为了减轻汽车的重量，本研究采用了一种新型镁合金材料应用于汽车底盘结构，在不改变原有结构的前提下，通过改变车架梁截面和材料，达到减轻车架重量，同时满足镁合金应力强度的目的。
- 分析方法与理论
测试轻质材料的选择必须在满足设计要求和施加在结构上的载荷谱的背景下进行。必须在材料本身，可用设计空间和实际零件的可制造性给出的约束条件下显示轻量级潜力。总体成本估算不应该减少到材料本身，还应该考虑生产，装配，加工，维护和其他成本。因此，它应该反映其对客户的总拥有成本的适当份额。
在该研究中，目标是设计比商用框架更轻的汽车底座框架。减轻重量的设计变量是材料常数，例如材料密度和板厚。因此，这次的最佳设计是使其更安全和轻便。在优化设计中，在调整材料的参数和厚度的同时进行静态结构分析，并且通过使用较轻的材料和厚度，与我们预测的基础框架的重量相比，使得参数变得更好并且执行以下静态结构分析。
在该研究中，为了保证汽车底架弹性范围内的安全性，通过两个判别标准确定并进行优化设计。
材料强度通过使用经常用于材料动力学的Tresca假设（最大剪切应力理论）来确定。 也就是说，如果最大主应力和最小主应力之间的差小于材料的抗拉强度，则是安全的。
这里，是主剪切应力，是最大剪切应力，是最大主应力，是最小主应力。
根据发生塑性变形时的Mises屈服条件，可以通过以下等式表示同源应力（Mises应力）。
为了在弹性变形范围内使用静态结构分析进行安全辨别，结构的Mises应力应小于
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