分析纯电动客车车身骨架的拓扑优化设计

分析纯电动客车车身骨架的拓扑优化设计

童魁邬斌

珠海广通汽车有限公司

摘要：在环境问题日益突显的今天，国家对于新能源的开发和利用程度正在不断的加深，而随着清洁能源在社会中的作用加大，行业变革也开始在悄然进行。以汽车行业为例，燃油汽车是汽车行业的主流，但是在目前的大环境下，纯电动汽车的推进已经成为了不可逆转的趋势，可以说在未来的我国，纯电动汽车的大量使用会是必然的结果。针对这样的趋势进行电动汽车的设计和生产可以较好的抢占市场，为企业的发展打好基础。在全面推进电动汽车的未来社会中，纯电动客车车身的骨架拓扑优化设计会成为一个研究的重点，所以本文就此问题展开分析，旨在为具体的设计提供理论思路和指导。

关键词：电动客车；车身骨架；拓扑优化；设计

纯电动客车在目前的社会中已经得到了推广和应用，从具体的使用效果来看，其环保性比较强，所以国家在大力提倡电动车辆的生产和使用。电动客车必然会成为未来客车的发展主流，这是从现如今的趋势进行判断和确定的。从电动客车的具体分析来看，因为动力形式的转变，车身的骨架结构等也会发生明显的变化。这既是出于动力装置的要求，也是出于安全性的需求。本文就纯电动客车车身骨架的拓扑优化设计进行分析，旨在为其设计优化工作提供帮助，实现实际上的具体提升。

一、有限元分析

要进行纯电动客车车身骨架的拓扑优化设计，需要对骨架的结构受力等情况进行具体的掌握，而这些要素具有综合性和复杂性，需要有科学的方法才能获得较好的结果，所以利用有限元分析法进行具体的分析。从概念理解来看，所谓的有限元分析指的是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的（较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件（如结构的平衡条件），从而得到问题的解。因为实际问题被较简单的问题所代替，所以这个解不是准确解，而是近似解。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。

（一）有限元模型建立

有限元分析的应用需要进行有限元模型的建立。以某客车公司的某型号纯电动客车为例：该客车长10m，车身结构是半承载式；车架通过连接角钢和左右侧围骨架、前后围焊接。因为该车是纯电动客车，所以采用动力电池为驱动能量，布置采用分布式的方式，在顶部进行电动空调的安置。在进行建模的时候，可以将蒙皮的影响进行忽略。设计车身骨架的时候，需要对实际行驶过程中的最大荷载进行考虑。综合分析，最终得到的车身骨架有限元单元数八千多个，节点数将近三万个。单元尺寸采用软件默认的数值，保证其最小值达到5.781——003mm。

（二）行使工况

对纯电动客车的车身骨架拓扑结构进行设计优化目的是要提升安全性，所以对其的行驶工况进行分析十分的必要。就行驶工况的具体分析来看，主要有四方面的要素：第一是弯曲工况。客车在满载的情况下或用于车身结构的荷载需要处理成结构自重、装备重量和乘客以及座椅的质量，所以做好荷载的处理十分的必要。在弯曲工况的讨论中，还有一项重要的内容是约束处理。第二是扭转工况。从实践分析来看，车身发生的比较激烈的扭转都是在崎岖不平的道路上所发生的。发生这种情况的时候动载在时间上变化缓慢，所以将其视为静态荷载即可。在扭转工况条件下，为了安全，也需要做好荷载的处理。第三是紧急制动工况。第四是紧急转弯工况。无论是什么工况，车身骨架的荷载都会存在。做好其荷载受力的分析，可以将荷载处理得更加到位。

（三）结果分析

从目前的实践来看，结果分析主要包括两部分的内容：第一部分是强度分析。从实践研究来看，车身骨架尾部产生的应力相较于前段来说普遍比较大，所以在弯曲、制动以及转弯的工况条件下，车身骨架的最大应力值变化并不大。在扭转工况条件下，在扭力矩作用的情况下，虽大应力值会迅速的升高，此时在车架和左侧骨架的连接处，应力值达到最大。第二部分是刚度分析。车身骨架在发生弯曲、紧急制动以及紧急转弯的时候，最大变形量的差别并不大，而且最大的变形位置都处在顶盖骨架的电空调支撑横梁处。当车身骨架发生扭转的时候，整个车身的扭曲变形十分的恶劣，此时，各处的变形量都会发生比较明显的增大，最大的变形量也转移到了左侧的骨架，但是变形量不会超过3mm。由此可见车身骨架在各种条件下的刚度较强。

二、拓扑优化和结果分析

纯电动客车的安全性是其设计的时候需要考虑的重点问题。车身骨架无论是对于乘客还是驾驶人员都起着保障作用。因此在具体设计的时候，其拓扑结构必须要做到优化。这样骨架荷载的均衡性会更强，车身的安全性也会显著的增加。

（一）拓扑优化介绍

从目前的具体分析来看，拓扑优化主要是以材料分布为最基本对象的。通过拓扑的优化，可以在分布空间当中找到更加合理的均匀分布材料的方案。这样，车身骨架的结构优化目标便可以实现。从目前的具体优化来看，采用比较广泛的优化方法是渐进结构优化法。此种方法的优化参数是整个结构上的质量函数，通过优化，结构中无效或者是比较低效的材料会被一点点的去除，最终达到结构优化的目的。在优化的过程中，车身的总质量是优化所选择的指标，具体的优化目标是在满足给定条件的情况下使选择的优化指标达到最小。

（二）拓扑优化过程及结果

从优化实践来看，其主要分为三个基本的步骤。第一是重新建模。将车身进行重新的建模，这样，车身的信息会在模型当中有更加具体的表现，具体需要优化的点以及空间布置会更加的清楚。第二是进行顶盖骨架的优化。根据重新建立的模型以及确定的优化目标，对顶部骨架进行持续的优化，实现材料布置的科学。第三是进行前围和车架的优化。此部分的优化需要在结合顶部骨架优化的基础上进行，这样，此部分的优化针对会更有效果。简言之，通过整体模型建立和分部位优化，拓扑优化的目标可以有效的实现。

在拓扑优化完成后，对结果进行了分析，发现在取得成绩的同时，优化还需要实现研究的深入。下面是优化结论：其一是在强度和刚度允许的情况下，车身结构更加的合理，材料的利用率有了明显的提高，车身骨架的质量有了下降。第二是拓扑优化方法的减重效果有效，对空间离散构件的优化误差比较大，材料的去留难度也较大，因此需要实现研究的深入。第三是新型材料在优化中的利用需要做进一步探讨。

结束语

综合来讲，纯电动客车的车身骨架拓扑优化可以有效的实现材料的利用率提升，使得车身的结构更加的合理。从目前的分析来看，利用拓扑进行车身结构的优化虽然有效果，但是部分内容还需要进行深入的探讨和分析。这样，拓扑优化的效果会更加的突出。

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