電動車車身結構設計輕量化與質量控制研究

劉月萍

摘 要：在現代車身設計中，通常是用結構優化和材料更替來實現輕量化的設計目標。具體地說，基于有限元的設計方法，在整個概念設計的優化階段，需要對整體拓撲進行優化，在基礎結構的設計階段需要對整體形狀進行優化，在詳細的結構設計階段則需要對整體的尺寸進行優化。三種性能優化設計工具的共同應用特征保證產品設計軟件的結構，不僅可以滿足基礎產品的性能設計需求，而且可以使所用材料的最低優化程度達到有效地降低整體產品的設計質量。

關鍵詞：電動車;車身輕量化;框架式結構;鋼塑一體結構

1 結構優化設計的意義

在我國汽車結構設計中，通常是指根據特定的汽車結構設計方案，結合設計人員的汽車設計工作和實踐相關設計的實際案例，進行各種方案的設計。設計完成后，再以結構強度、剛度和穩定性等參數為衡量標準，找出最合適的方案。由于該設計理念的方案受限，最優方案一般不在此項中，采用該方案僅能獲得相對較合理的設計結果。這與最初的模型設計初衷有出入，而結構優化設計則與上面提到的設計有本質性的區別，它是以設計原則為基礎的，即約束條件，在所有可行域內，利用某種數學法，尋找最優的滿足設計需求的方案。

2 結構優化的具體內容

結構優化設計是一種宏觀的概念，涉及到多學科和多領域。結構優化設計的數值計算方法不同，結構優化設計也有不同的類型，因此對優化設計有了不同的優化方法。結合有關研究需要，在這里僅從工程設計角度介紹了優化的設計方法。從工程設計角度來看，結構優化的設計方法根據設計目標不同，可分為三種：拓撲優化，形狀優化，尺寸優化。

（1）拓撲優化。拓撲優化法是一種以約束條件為基礎，對結構材料進行最優配置，目標是尋找結構材料的最優化。拓撲優化的基本理念是在某一邊界條件和設計目的下，找到在設計范圍內最優的材料分布，從而得到結構在相同邊界條件和設計目的下的拓撲形狀。拓撲優化僅是初步設計概念的階段，以設計區域材料布局為變量，通過優化計算給出了設計區域空間最優的傳遞方徑，是一種經濟優化的方法。

（2）形狀優化。與拓撲優化不同，形狀優化不會刪除結構的材料，并且結構的初始拓撲保持不變，但是設計區域中結構的形狀會發生變化。以車門內板為例。確定拓撲優化之后的門的數量，開口位置以及門內板的筋的布置位置和方向。當優化形狀時，僅改變開口的邊界形狀或筋的橫截面形狀。

（3）尺寸優化。尺寸優化是設計中的一種方法，它將結構尺寸參數作為設計變量，用于減少整體結構的重量，或改善整個結構的使用性能，并獲得最好的整個結構設計尺寸。用于優化建筑尺寸的分層結構厚度參數，通常被定義為鋼筋桿的全面截面積、慣性矩、板的分層厚度和各種復合材料的總體分層厚度。

如何設計一種輕量化的車身，適應電動車特征，既可間接地增加續航里程，又可提高動力？通過有關的研究，使用框架結構構造一種電動汽車的身體，在確保性能和減輕重量的同時，達到了降低重量的效果。同時，框架結構無需開發高價格的金屬沖壓模具，也可降低目前小批量電動汽車的制造費用。

3 材料優化的新方法

輕量化車身設計主要通過結構優化和高強度材料選擇來實現，將兩種成果的結合應用于工業輕量化軟件設計當中，從而實現工業輕量化軟件設計的巨大發展。而隨著新復合材料應用技術的迅速發展，車身各種輕量造型的設計也可以通過迅速更換復合材料來實現，即用高強度、低密度復合材料直接取代普通不銹鋼，以快速實現輕量化車身。代表性車輛為奧迪全鋼鑄鋁板，高強度不銹鋼全鋁板的首次出現，即對一些汽車結構件進行加固，用高強度的不銹鋼車身取代普通的不銹鋼板。由此，提出了一種鋼塑復合集成一體結構的基本概念。

塑鋼一體結構：所謂的鋼塑整體結構，是在傳統的金屬結構基礎上發展而來的，低密度塑料材料可以通過特定的注射成型方法，在金屬部件上覆蓋一定厚度的強塑料，從而減小金屬部件的厚度，提高了結構部件的性能。對于白色車身的內板及加強板，面板的內側覆蓋著一層塑料。減輕重量，增強強度。面板的外側是塑料的。它還可以用來裝飾，防腐。

4 電動車質量控制研究

第一，就目前改變車身結構等解決此問題的水平有待提高，各大汽車廠在國家的大力支持下，已經不斷地引進新技術手段，研究出各種新型的解決振動問題的新方法。第二，電動車在追求輕量化的前提下，電池與內部的元器件安排與組排上，都需要與傳統汽車產業的傳統架構區別開來，因此需要重視專業人才的培養，注重理論聯系實踐的工作作風。以下針對上述兩個方面提出目前的解決方法。

首先，解決車身的結構振動問題是非常迫切的。這需要進行結構或系統的模態分析，并通過對其各種模式的振動特征進行研究，以確定它的模態頻率、形狀和模式剛度等。狀態參數能夠預測各種外部或內部刺激下結構的振動效應，以及易引起共振的頻率范圍。在已知的激勵頻率前提下，研究系統在這種激勵的作用下是否會諧振，以避免系統的諧振。研究系統振動所引起的故障和誤差，可以使車身振動最小化，從而降低整車的NVH噪聲。其次，純動力電動汽車項目取消了以往傳統的動力機械傳動動力系統結構布置，增加了新型動力離子電池組和動力電子制動控制器等設備，電池組平均重量可高達數百公斤。一般正常情況下，動力電池的合理質量應占所有汽車電池質量的20-30%，因此動力電池的合理布置也非常重要。動力電池的結構布局也對電動車身的整體承重能力結構設計和整個電動車輛的整體結構使用性能都會產生更大的直接影響。對于電池布局，應選擇T形布局和矩形布局。對于乘客艙的設計，建議采用類似的圓形設計。在彎曲和扭轉剛度的工作狀態下，該形狀可以將工作狀態下的力傳遞給相應的連接件，有利于車身在碰撞過程中碰撞力的分散，從而提高電動車的使用性能。

5 結束語

本文提出了鋼塑一體化結構的概念，并論證了鋼塑一體化結構的可行性。構建了鋼塑一體的車身結構，在此基礎上，構建了基于穩健可靠的優化設計的車身輕量化軟件平臺，為實際工程應用提供了可操作性設計工具。

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