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摘 要：面对环境和资源的双重压力，具有清洁、能量转换高效等优点的电动汽车，已成为汽车发展和生产的重要组成部分。研究发现，降低电动汽车质量对增加续驶里程和降低耗能有明显的作用，质量减少100kg，行驶里程将增加1.2%，百公里耗能减少1.6%。车架是汽车的受力基体，因此，电动汽车车架轻量化很重要。
关键词：电动汽车；汽车车架；轻量化；优化设计
1 轻量化设计现状
现代的汽车设计研发具有4项明确要求，即安全、舒适、节能和环保。因此减轻结构重量，增加车辆安全性，节省燃料和减少尾气排放以及对环境的污染，是汽车开发设计的重要发展方向。同时，如今汽车的买家希望购买的车辆能够获得一定的利润，他们要求购买的汽车应该性能好，工作安全可靠，乘坐放心舒适等，并且要求款式新颖，符合时尚元素等，同时买家也越来越关注汽车的燃料效率，要求行驶过程中产生的附加费用低，以及产生的污染尽量少等，还要求车价平民化买得起。2003年，汽车工程师学年会在底特律召开，在对参加会议的专家学者的意见调查中显示，减轻汽车质量，使用可节约燃料，减少废气排放，降低汽车生产成本和装配成本，生产出对消费者有吸引力的功能性设计等这些因素成为汽车制造行业面临的重要挑战。据了解，汽车重量每减少10%，可减少燃油消耗7%，大大节省了寿命期内的使用成本。车体质量每减少20%-30%，一辆车的CO2排放量就减少0.5吨。因此，汽车车身的轻量化设计是节能减排、绿色制造不容忽视的开始关键点与最终落实处。汽车轻量化的方法主要有：（1）通过对车身车架等结构的优化设计，达到轻量化目的；（2）使用新材料、新工艺等达到轻量化的目的。这两种优化方法是目前汽车行业在轻量化方面应用最多两种方法。新材料、新工艺方法主要是应用质量更轻的合金、复合材料等代替传统钢材料车身，并找到更合适的加工成型方法。与采用新材料、新工艺方法相比，对传统材料车身结构优化设计仍然是现在汽车制造行业的主流方式，主要方法有尺寸优化，形状优化，拓扑优化以及多学科、多目标优化。
2 建立车架有限元模型
将在三维建模软件中建立好的模型进行适当简化可以提高有限元分析的效率，模型简化的原则及简化内容为：（1）分析车架三维模型，进行简化处理。客车车架或一些机械结构，一般会设计成对称、排列形式，在简化一个模型前首先要观察模型是否有直线对称、旋转对称或排列有序。对称的模型可以切割、简化为只处理一半模型，后者直接对称过去即可；有序排列的模型可以只处理其中一个，其余阵列获得。（2）非承载件的简化。简化一些不承受载荷的非承力件，或者将一些不直接作用于结构的载荷删除忽略，用质量点或直接加载的形式代替；（3）简化圆角、倒角、小孔等。将抽取完中间面并且简化完成的模型导入到HyperMesh
软件中，对模型进行有几何清理、划分网格等。在HyperMesh中，打开aotoclaenup命令，观察模型的Freeedges（自由边）、Sharededges（共享边）、Suppressededges（抑制边）以及T-junctions（T型边）等，对本应该是共享边或T型边的自由边进行延伸等编辑，使自由边耦合、连接到一起；缝合、修复自由边。对车架模型前处理完成后，接下来的工作是划分网格。HyperMesh具有强大的网格划分功能，在HyperMesh中对车架划分网格，选择网格尺寸为10mm，网格数量为600109，节点数为589727。网格划分时采用四边形网格为主，在一些边角的地方采用三角形和四边形混合单元类型为辅的方法。划分网格时，注意避免出现形状怪异、扭曲的单元，必要时可以对单元进行编辑，使网格单元质量达到最优，以免影响计算过程。划分单元网格时还应注意网格之间的连续耦合，以免影响计算结果。网格划分结束后，要对网格的质量、网格耦合连续性等进行检查。2D单元qualityindex检查质量为优的单元占99.9%，雅克比系数均大于0.6，三角形网格最大内角小于120°，最小内角大于20°，其余均在20°-120°范围内；四边形网格最大内角小于135°，最小内角大于45°，其余均在45°-135°范围内。无重合、叠加的网格，网格之间悉数缝合，如下图所示为该车架有限元模型。
3 车架动载荷有限元分析
汽车在实际行驶过程中，车架承受的弯曲与扭转载荷主要由复杂的路面激励引起的，以及来自乘客、车载部件、悬架等激励产生的振动引起的。在行驶过程中，上述载荷属于动态载荷，复杂且不稳定，这些载荷在行驶中对车架的作用也是复杂且不稳定的。因此在车架静力分析的基础上，引入基于动态载荷的车架有限元分析。提取车辆在典型工况的行驶过程中，各载荷的动态载荷曲线谱，读取峰值载荷力，基于动态峰值力对车架进行有限元分析。在多体动力学仿真软件ADAMS/Car中搭建12m电动汽车的整车模型以及道路模型，通过对该车进
行运动仿真，提取车架在应力最大工况下的右前轮下沉工况的动态载荷峰值力。把通过仿真获得的动态载荷峰值力作用在车架上，对车架进行基于动态载荷峰值力应力位移分析。在多体动力学仿真软件ADAMS/Car中搭建的车辆模型，能够满足模拟仿真车辆在路上行驶的要求。通过利用多体动力学仿真软件搭建整车模型，可以缩短车辆的设计周期、尽可能避免车辆设计误差、节约车辆设计开发成本、提高车辆整体质量等。
3.1 弯曲工况
弯曲工况主要是模拟车辆在满载状态下，在水平的良好路面上行驶时应力分布和变形情况。由此，约束前悬架与车架接触位置的平动自由度X、Y、Z，释放转动自由度ROX、ROY、ROZ；约束后悬架与车架接触位置的平动自由度Y，释放平动自由度X、Z和转动自由度ROX、ROY、ROZ。加载求解得弯曲工况车架变形图；由图可知，在满载情况下，车架的变形主要出现在车架中部和后部，车架1最大值为0.42mm，车架2为0.61mm，远小于许用的变形量5.3mm，则目标车架弯曲刚度较好。2）车架的绝大部分应力较小，车架1最大应力96.90MPa，车架2为113.59MPa，由国标GB50316-2000可知在常溫下Q235材料的屈服极限为235MPa，即在弯曲工况下车架的应力满足要求。
3.2 扭转工况
扭转工况主要分析车架抵抗扭转变形的能力，多发生在崎岖不平的路面上，不平的路面会使得车架左右纵梁的受力不均。由此，约束右前悬架与车架接触位置的平动自由度X、Y，释放平动自由度Z和转动自由度ROX、ROY、ROZ；约束后悬架与车架接触位置的平动自由度Y，释放平动自由度X、Z和转动自由度ROX、ROY、ROZ；释放左前悬架与车架接触位置的平动自由度X、Y、Z和转动自由度ROX、ROY、ROZ，即模拟左前轮悬空的状态。加载求解后得弯扭工况车架变形图；结果分析：1）由图可知，在满载情况下，车架的变形主要发生在车架左前端，车架1其最大值为3.16mm，车架2为4.62mm，小于许用变形量。2）车架的绝大部分应力值较小，车架1最大应力为144.78MPa，车架2为196.85Mpa，低于许用应力值。
4 结束语
车架作为客车的主要承载件其结构强度、刚度以及动态特性等影响着车架的操纵稳定性、舒适性等，车架的质量占客车总重的很大一部分，因此对车架以质量最小为优化目的的优化设计具有满足目前节能环保要求、增加客车车载电池续驶里程、改善客车转向灵活性、改善客车行驶性能等的意义。
参考文献
[1]王青春，赵娟妮，杨芳，牟智.载货汽车车架轻量化评价方法及优化设计[J].锻压技术，2017，4209：174-181.
关键词：电动汽车；汽车车架；轻量化；优化设计
1 轻量化设计现状
现代的汽车设计研发具有4项明确要求，即安全、舒适、节能和环保。因此减轻结构重量，增加车辆安全性，节省燃料和减少尾气排放以及对环境的污染，是汽车开发设计的重要发展方向。同时，如今汽车的买家希望购买的车辆能够获得一定的利润，他们要求购买的汽车应该性能好，工作安全可靠，乘坐放心舒适等，并且要求款式新颖，符合时尚元素等，同时买家也越来越关注汽车的燃料效率，要求行驶过程中产生的附加费用低，以及产生的污染尽量少等，还要求车价平民化买得起。2003年，汽车工程师学年会在底特律召开，在对参加会议的专家学者的意见调查中显示，减轻汽车质量，使用可节约燃料，减少废气排放，降低汽车生产成本和装配成本，生产出对消费者有吸引力的功能性设计等这些因素成为汽车制造行业面临的重要挑战。据了解，汽车重量每减少10%，可减少燃油消耗7%，大大节省了寿命期内的使用成本。车体质量每减少20%-30%，一辆车的CO2排放量就减少0.5吨。因此，汽车车身的轻量化设计是节能减排、绿色制造不容忽视的开始关键点与最终落实处。汽车轻量化的方法主要有：（1）通过对车身车架等结构的优化设计，达到轻量化目的；（2）使用新材料、新工艺等达到轻量化的目的。这两种优化方法是目前汽车行业在轻量化方面应用最多两种方法。新材料、新工艺方法主要是应用质量更轻的合金、复合材料等代替传统钢材料车身，并找到更合适的加工成型方法。与采用新材料、新工艺方法相比，对传统材料车身结构优化设计仍然是现在汽车制造行业的主流方式，主要方法有尺寸优化，形状优化，拓扑优化以及多学科、多目标优化。
2 建立车架有限元模型
将在三维建模软件中建立好的模型进行适当简化可以提高有限元分析的效率，模型简化的原则及简化内容为：（1）分析车架三维模型，进行简化处理。客车车架或一些机械结构，一般会设计成对称、排列形式，在简化一个模型前首先要观察模型是否有直线对称、旋转对称或排列有序。对称的模型可以切割、简化为只处理一半模型，后者直接对称过去即可；有序排列的模型可以只处理其中一个，其余阵列获得。（2）非承载件的简化。简化一些不承受载荷的非承力件，或者将一些不直接作用于结构的载荷删除忽略，用质量点或直接加载的形式代替；（3）简化圆角、倒角、小孔等。将抽取完中间面并且简化完成的模型导入到HyperMesh
软件中，对模型进行有几何清理、划分网格等。在HyperMesh中，打开aotoclaenup命令，观察模型的Freeedges（自由边）、Sharededges（共享边）、Suppressededges（抑制边）以及T-junctions（T型边）等，对本应该是共享边或T型边的自由边进行延伸等编辑，使自由边耦合、连接到一起；缝合、修复自由边。对车架模型前处理完成后，接下来的工作是划分网格。HyperMesh具有强大的网格划分功能，在HyperMesh中对车架划分网格，选择网格尺寸为10mm，网格数量为600109，节点数为589727。网格划分时采用四边形网格为主，在一些边角的地方采用三角形和四边形混合单元类型为辅的方法。划分网格时，注意避免出现形状怪异、扭曲的单元，必要时可以对单元进行编辑，使网格单元质量达到最优，以免影响计算过程。划分单元网格时还应注意网格之间的连续耦合，以免影响计算结果。网格划分结束后，要对网格的质量、网格耦合连续性等进行检查。2D单元qualityindex检查质量为优的单元占99.9%，雅克比系数均大于0.6，三角形网格最大内角小于120°，最小内角大于20°，其余均在20°-120°范围内；四边形网格最大内角小于135°，最小内角大于45°，其余均在45°-135°范围内。无重合、叠加的网格，网格之间悉数缝合，如下图所示为该车架有限元模型。
3 车架动载荷有限元分析
汽车在实际行驶过程中，车架承受的弯曲与扭转载荷主要由复杂的路面激励引起的，以及来自乘客、车载部件、悬架等激励产生的振动引起的。在行驶过程中，上述载荷属于动态载荷，复杂且不稳定，这些载荷在行驶中对车架的作用也是复杂且不稳定的。因此在车架静力分析的基础上，引入基于动态载荷的车架有限元分析。提取车辆在典型工况的行驶过程中，各载荷的动态载荷曲线谱，读取峰值载荷力，基于动态峰值力对车架进行有限元分析。在多体动力学仿真软件ADAMS/Car中搭建12m电动汽车的整车模型以及道路模型，通过对该车进
行运动仿真，提取车架在应力最大工况下的右前轮下沉工况的动态载荷峰值力。把通过仿真获得的动态载荷峰值力作用在车架上，对车架进行基于动态载荷峰值力应力位移分析。在多体动力学仿真软件ADAMS/Car中搭建的车辆模型，能够满足模拟仿真车辆在路上行驶的要求。通过利用多体动力学仿真软件搭建整车模型，可以缩短车辆的设计周期、尽可能避免车辆设计误差、节约车辆设计开发成本、提高车辆整体质量等。
3.1 弯曲工况
弯曲工况主要是模拟车辆在满载状态下，在水平的良好路面上行驶时应力分布和变形情况。由此，约束前悬架与车架接触位置的平动自由度X、Y、Z，释放转动自由度ROX、ROY、ROZ；约束后悬架与车架接触位置的平动自由度Y，释放平动自由度X、Z和转动自由度ROX、ROY、ROZ。加载求解得弯曲工况车架变形图；由图可知，在满载情况下，车架的变形主要出现在车架中部和后部，车架1最大值为0.42mm，车架2为0.61mm，远小于许用的变形量5.3mm，则目标车架弯曲刚度较好。2）车架的绝大部分应力较小，车架1最大应力96.90MPa，车架2为113.59MPa，由国标GB50316-2000可知在常溫下Q235材料的屈服极限为235MPa，即在弯曲工况下车架的应力满足要求。
3.2 扭转工况
扭转工况主要分析车架抵抗扭转变形的能力，多发生在崎岖不平的路面上，不平的路面会使得车架左右纵梁的受力不均。由此，约束右前悬架与车架接触位置的平动自由度X、Y，释放平动自由度Z和转动自由度ROX、ROY、ROZ；约束后悬架与车架接触位置的平动自由度Y，释放平动自由度X、Z和转动自由度ROX、ROY、ROZ；释放左前悬架与车架接触位置的平动自由度X、Y、Z和转动自由度ROX、ROY、ROZ，即模拟左前轮悬空的状态。加载求解后得弯扭工况车架变形图；结果分析：1）由图可知，在满载情况下，车架的变形主要发生在车架左前端，车架1其最大值为3.16mm，车架2为4.62mm，小于许用变形量。2）车架的绝大部分应力值较小，车架1最大应力为144.78MPa，车架2为196.85Mpa，低于许用应力值。
4 结束语
车架作为客车的主要承载件其结构强度、刚度以及动态特性等影响着车架的操纵稳定性、舒适性等，车架的质量占客车总重的很大一部分，因此对车架以质量最小为优化目的的优化设计具有满足目前节能环保要求、增加客车车载电池续驶里程、改善客车转向灵活性、改善客车行驶性能等的意义。
参考文献
[1]王青春，赵娟妮，杨芳，牟智.载货汽车车架轻量化评价方法及优化设计[J].锻压技术，2017，4209：174-181.