电动赛车轻量化材料车身设计及分析*

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电动赛车轻量化材料车身设计及分析*

杨嘉豪，赵海军*，许非易，段然，段泽义

（天津职业技术师范大学汽车与交通学院，天津 300222）

摘 要：为某电动赛车设计轻量化材料车身，通过对车身的三维建模，以及综合运用有限元模态分析技术，选用不同材料，优化车身结构，对整车车身的轻量化进行了较为深入的研究。通过文章的研究，对电动赛车车身在材料运用上提供了理论基础与技术支撑，与传统电动赛车的车身重量相比，车身重量大幅降低。

关键词：电动赛车；车身设计；模态分析；碳纤维复合材料

前言

随着化石能源的快速消耗和碳排放的增加，如何实现替换机动车现有的化石燃料，寻找更清洁的能源成为了汽车工业长期的课题[1]。近年来随着电池技术的进步，电动汽车的普及率进入了快速增长的时期，以纯电动汽车为代表的新能源汽车已成为汽车行业发展的一大趋势，各大厂家也纷纷投入到电动汽车的研发当中，在民用电动汽车快速兴起的同时，赛用电动车也逐渐进入了大众的视野，国际电动赛车比赛也火热开展，各大汽车制造商积极投身电动赛车的研发，试验许多领先的电动赛车技术，在此背景之下，高校学生参与的电动赛车赛事也多有举办，受到诸多关注。在当前的电池技术背景下，提升电动汽车续航里程除增大电池容量外，主要依赖车辆结构的轻量化[2]。

在比赛当中，车身的重量大小是赛车能否取得优势的关键因素之一，轻量化的车身有利于发挥赛车的动力性，同时更轻的车身将对操控的敏捷和灵活产生重大的积极影响。赛车车身轻量化除了在结构上优化这一途径之外，也可以通过选择适当的材料达到轻量化的目的[3][4]。应用轻量化材料对车身进行优化设计，不仅可以直接降低汽车能耗、提高动力性能，还可提升汽车的操纵性等整车动力学性能[5]。在以往比赛中，电动赛车多采用结构钢作为车身材料，本文将尝试采用铝合金、镁合金、钛合金等材料，与传统结构钢车身进行对比，分析得出达到轻量化的最佳材料。

本文对某电动赛车车身进行轻量化设计，对整车进行三维车身建模，运用优化技术，通过对三维模型的仿真分析，得到多种优化方案，对比不同材质下车身的重量以及受力情况，选出最佳的车身材料。

1 电动赛车车身建模及人机工程1.1 Catia车身建模

电动赛车在比赛过程中，车身往往会受到来自路面的冲击，因此一个结构合理且具有足够强度和弯曲刚度的车身尤为重要。只有达到足够要求，才能应对比赛过程中复杂情况下的冲击。

此外，电动赛车的车身轻量化也是一个不容忽视的关键点，只有尽可能的去降低车身的重量，才能进一步发挥电动赛车的加速性能，同时获得良好的操控性能，为电动赛车改善在高速情况下的驾驶性能提供良好基础。

电动赛车比赛中所采用的车架类型有以下几种：单体式车架、一体式车架、桁架式车架。本文选用桁架式车架，利用Catia进行整车车身的结构设计和建模，车身的整体尺寸为2500mm×575mm×1100mm，在车身结构中采用布置三角形结构杆件，以增加车架的空间结构强度，如图1所示。

图1 桁架结构车身

1.2 车身人机工程学分析

在车身结构设计中，除结构造型方面外，还应充分考虑人机工程学，使车身的设计适应于人在驾驶时的身体姿态，以保证驾驶员的操作简便省力、安全舒适，充分发挥人、机效能，使整个系统获得最佳效益，并在比赛过程中充分发挥。

车架前部设计较窄，中部略宽，结构充分复合人机工程学。利用Catia中的human builder模块建立人体模型仿真，如图2所示。

图2 human builder人体模型仿真

2 车架模态分析2.1 模态分析的意义

（1）使整车中各部件模态分离，防止各部件之间共振引起的振动噪声问题。

（2）使整车中各部件与电动机的怠速频率分离，防止车中部件在怠速时因电动机激励而共振。

（3）研究各部件模态频率与发动机阶次激励中的重合点，防止在重合点处振动噪声放大。

（4）研究各部件模态频率与路面激励频率的重合，防止路面激励带来振动噪声和平顺性问题。

（5）研究人体敏感频率和车身、座椅等系统的频率重合，增加驾驶员和乘客的舒适度感觉。

2.2 不同材料车架的模态分析

模态分析是车身结构优化的重要环节，可通过所得数据对车身的结构设计进行评价。在分析过程中，将选用结构钢、铝合金、镁合金、钛合金作为车身材料，对不同材料的车身分析出13阶振频，对比优化[3]。

（1）结构钢车身模态分析

在Ansys workbench中选择model模块进入模态分析，选择所需材料为结构钢，将已绘制好的车架以模型文件导入，再对其进行网格的划分，网格划分如图3所示，所得模态分析如图4所示。

图3 网格划分

图4 结构钢车身模态振型

由于在分析过程中，没有对车身进行约束，所以在该过程中所得到的模态频率中，前六阶模态频率接近于零，因而在数据采集时用从第七阶开始的数据，所得频率数据如表1所示。

表1 结构钢车身前六阶振频

图5 第一阶振型

图6 第二阶振型

图7 第三阶振型

图8 第二阶振型

（2）铝合金车身模态分析

在已经设置好的材料库中选择铝合金材料，在进行如上操作，即可得到如图9所示的模态振型。

图9 铝合金车身模态振型

通过模态分析得出，铝合金材料车身前六阶频率，如表2所示。

表2 铝合金车身前六阶振频

（3）镁合金车身模态分析

图10 镁合金车身模态分析

选用镁合金材料进行操作，得到如图10所示的模态振型。

通过模态分析得出，镁合金材料车身前六阶频率，如表3所示。

表3 镁合金车身前六阶振频

（4）钛合金车身模态分析

选用钛合金材料进行操作，得到如图10所示的模态振型。

图11 钛合金车身模态分析

通过模态分析得出，钛合金材料车身前六阶频率，如表4所示。

表4 钛合金车身前六阶振频

3 车架有限元模型及结构的优化

通过对车架的有限元模态分析后发现，在以结构钢作为材料的车架中，车架前部出现较大变形的情况，所以针对此结构做出改善优化[5]。

3.1 优化方案的布置

通过分析，车架前端部分尺寸较长，且为了给悬挂和转向系统预留位置，没有加装支撑杆件，在两侧形成了大块的平行四边形结构，故在出现共振时更加容易出现变形，且结构上没有较好的加强部分，我们决定对其加装加强支撑以达到更好的优化效果。

对优化后的车架进行模态分析，得到第一阶云图，如图12所示。

图12 优化后第一阶车身振频

通过对比得出，在最开始的车身中一阶振频的最大位移为9.192mm，而通过优化结构后，车身的最大位移为7.032 mm，所以优化后的车身结构更加稳定。

4 车架有限元模型的静应力分析

在设计过程中，除了结构模态等问题外，还需要考虑受力方面的因素。在实际中，我们选用的驾驶员体重为60kg，电池箱重量则设置为500kg，在Ansys中选择静应力模块进行静应力分析[1]。

选择车架中承重的两根横轴，如图12、13所示。分别设置两根承重轴的受力分别为800N，对其进行分析。

图13 第一根承重轴

图14 第二根承重轴

分析结果。等效应变图如图14所示，等效应力如图15所示。根据分析结果，可以看出最大的最大应变为7.882mm，最大的应力为201.32MPa，而我们选用的材料为结构钢，结构钢的屈服应力355MPa，故该车架的设计符合要求。

图15 车架等效应变

图16 车架等效应变

5 各材料车架的重量对比

通过对车身的模态分析，直观地看出了车架的各部分的情况，同时也能够通过Ansys的模态分析模块得到不同材料下，车架的重量。根据这些所得重量，对比分析出重量较轻的最佳材料，为车架材料的选用提供一定的参考。

所得重量结果如表所示。可以看出在结构钢、铝合金、镁合金、钛合金材料中，重量最轻的就是钛合金材料。

表5 各种材料重量对比结果

使用结构钢的车身质量为88.708kg，而采用镁合金作为替代后，车身质量为20.341kg，其整体质量降低了68.367kg。

根据车身轻量化贡献率计算如式（1）。

（1）

式中：η为车身轻量化贡献率；m1为替代部分的原始质量；m2为替代后质量；m总为替代后白车身的总质量。

因此车身轻量化贡献率为77.1%。

根据此公式可计算出其他材料的轻量化贡献率。

6 结论

（1）在车架的设计过程中应当满足人机工程学。利用Catia中的human builder模块，直观的得出了该车架充分复合人机工程学。

（2）应用ANSYS Workbench19.0的Model模块对车架进行了模态分析，得到了前六阶的固有频率。通过模态分析发现，在车身的前部更容易发生共振以及应变，对此对改车架进行了结构优化，在前端的车身中加装加强杆，优化后的车架其性能有明显改善。

（3）应用ANSYS Workbench19.0的Static Structural模块，模拟电池箱重量和驾驶员重量，将力施加在两根承重轴上，进行静态分析得出车架的受力云图，通过云图发现该车架满足材料的力学性能。

（4）通过选用结构钢、铝合金、镁合金、钛合金的车身对比分析，得出了轻量化贡献率最佳的材料为钛合金，为车架材料的选用提供了参考，但由于还应考虑材料刚度，成本等问题，最终的材料选定在实际设计中还需根据情况而定。