新材料与工艺手册

[车身轻量化] 纯电动汽车车架有限元分析及轻量化设计

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发表于 2020-5-13 14:42:46 | 显示全部楼层 |阅读模式

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纯电动汽车车架有限元分析及轻量化设计
赵东伟,尹怀仙,赵清海(266071山东青岛 青岛大学 机电工程学院 动力集成及储能系统工程技术中心)
[摘要]以某纯电动汽车底盘车架为研究对象,运用HyperMesh软件建立纯电动汽车的有限元车架模型,并对车架模型进行模态分析以及在不同工况下刚、强度分析计算。然后根据分析结果,通过Isight软件构建车架的响应面近似模型,对车架的主要承载梁进行尺寸优化设计,并对优化后的车架进行模态校验和刚、强度分析。结果表明:在保证汽车各方面的性能要求下,优化后的车架总质量减轻了12.7%,同时第7阶模态避开了电动汽车共振区域,弯曲刚度提升6.4%,扭转刚度提升了9.4%。
[关键词]电动汽车;车架;有限元;轻量化
0 引言

为了应对石油资源枯竭和环境污染的双重压力,国内外各大车企的研发部门、高校以及汽车研究所等大力发展新能源汽车技术[1]。车架作为纯电动汽车的核心零部件之一,承载连接着汽车的各个零部件。由于车架的强、刚度以及动态特性直接影响汽车行驶的安全性、乘坐舒适性和平顺性等整车基本性能的优劣[2-3],因此,车架应具有足够的强度、刚度来承载和抵抗各种载荷的冲击,动态特性则应满足车架本身的低阶固有频率避开路面和传动轴的激振频率范围。

试验表明,汽车的车身质量每减少10%,能量消耗就随之减少6%~8%[4],而汽车的续航能力、转向灵活性等也会有所提高。因此,在满足汽车车架的强、刚度和动态性能的前提下,对纯电动汽车车架进行轻量化设计是十分必要的。以国内某款纯电动汽车车架为研究对象,利用HyperMesh对CATIA软件设计的车架模型进行有限元静动态分析。在保证汽车各方面的性能要求下,基于Isight软件建立响应面近似模型[5],以电动汽车车架的最小质量和低阶频率的最大值为优化目标,以汽车的弯曲刚度、扭转刚度和最大应力小于屈服极限为约束条件,主要承载梁的厚度为设计变量,引入粒子群优化算法对车架进行优化设计,从而达到减轻质量和提高乘坐舒适性的目的,对生产制造该汽车车架具有指导意义。

1 纯电动汽车车架有限元建模1.1 建模与简化

本文所研究的电动汽车的车架由3根纵梁、4根横向圆形壁管梁和7根横梁通过焊接而成。根据纯电动汽车的二维图纸,利用CATIA软件构建车架几何模型并以IGES文件储存,导入到HyperWork有限元分析软件中[6]。对原实体模型进行合理的优化和几何清理,去除红色自由边和黄色共享边,耦合连接各零部件。同时,只需保存车架的主要承载结构,即可保证相当的精准度并减少计算的时间。

1.2 有限元模型处理

利用HyperMesh有限元软件对车架简化模型进行网格划分,为得到较理想网格,需对模型中每根纵、横梁进行逐个提取中面,然后隐藏实体,对保留面进行网格划分。有限元网格采取二维单元,选取以四边形为主、三角形为辅的混合网格,基本单元尺寸为5 mm[7]。在网格划分中及时在2D →qualityindex中进行质量检测,进行调整,直至达到较好的网格质量。划分网格后的车架网格单元单元数为255 727,节点数为257 049,如图1所示。在属性中赋予车架每个零部件实际厚度,车架材料为Q345钢,泊松比μ=2.8,密度ρ=7.85 g/cm3,屈服极限σs=345 MPa,弹性模量E=2.06e+05 MPa。

图1 纯电动汽车车架有限元网格模型
Fig.1 Finite element mesh model of pure electric vehicle frame
1.4根横向圆形壁管梁 2.电池架 3.7根横梁 4.纵梁

2 车架有限元分析2.1 模态分析

车架的动态特性指的就是对其进行模态分析计算,其结果可找出不同模态下车架变形特性以及突变特性,通过合理的设计可以避开共振频率。将模型导入到HyperMesh中,选择Load Collectors →EIGRL,频率范围为0~2 000 Hz,提取20阶建立模态分析步 Loadsteps,将其提交至相对应求解器进行求解,在HyperView中分析其20阶的模态振型图。因为在结构振动中,1~6阶的振动频率不是很大接近于0 Hz,是属于汽车振动的刚性特征[8],对分析整个电动汽车车架结构的形式过程中的振动情况影响不大,因此过滤掉车架的刚性模态特征,仅分析7阶~12阶的模态振型即可,如图2(a)—如图2(f)。

图2 车架第7~12阶振型图
Fig.2 Frame shape of the 7th to the 12th order
(a)车架第7阶振型图(31.48 Hz)(b)车架第8阶振型图(32.75 Hz)(c)车架第9阶振型图(48.51 Hz)(d)车架第10阶振型图(53.33 Hz)(e)车架第11阶振型图(64.06 Hz)(f)车架第12阶振型图(71.51 Hz)

汽车工作时传动轴的激励频率范围在30 Hz左右,路面激励在1~3 Hz之间[9]。而此车架的低阶频率31.48 Hz不在这个范围之内,但与传动轴激励频率较为接近,需进一步优化。

2.2 强度分析

满载弯曲工况是模拟电动汽车在平时最常遇见的状态(只承受垂直方向的载荷)下的应力分布情况,分析其强度是否能满足使用情况。纯电动汽车车架所受主要载荷有:(1)车身自重。(2)乘员及座椅和其他附属部件重力35 000 N,可简化为有限元模型主要承载面上的均布载荷。(3)纯电动汽车的电池包重力5 000 N,可简化为电池架两端根矩形管横梁上的均布载荷。另外,分析时还需将模型环境设置为存在9.8 m/s2 加速度的重力场。通过点击1D →RIGIDS对电动汽车4根钢制圆形壁管梁两侧的圆孔周围网格进行刚性连接,集成为一点,并约束其6个自由度。在Analysis单元中建立载荷分析步Loadsteps,并由此通过Optistruct建立相应的模态特征模型求解计算车架的强度,通过HyperView软件进而分析得到车架的应力云图,如图3所示。

图3 满载弯曲工况下车架应力云图
Fig.3 Stress map of frame under full load bending conditions

由图3的车架应力云图可知,车架最大受力点在A处,此处是电动汽车前钢板弹簧后吊耳的安装位置。最大应力为122.112 MPa,小于车架的许用应力值230 MPa,故车架的强度满足设计要求,但由于除最大应力外其他部分的应力值基本都在100 MPa以下,因此材料性能未能充分发挥,还有很大的提升空间。

2.3 刚度分析

刚度作为车架最基本的特性,其不足会直接影响车身的被动安全性能、NVH性能以及舒适性等,因此电动汽车车架结构设计必须满足刚度要求[10]。车架的刚度评价取决于车架的弯曲刚度和扭转刚度参数,其分析如下。

2.3.1 弯曲工况下刚度分析

电动汽车车架在左、右两侧钢板弹簧安装吊耳集合点处均施加6自由全约束,在两电池架中间横梁受到5 000 N的载荷作用下,此时车架所处的主要是弯曲工况。弯曲刚度k1计算公式[11]


式中:F——汽车骨架的变形处集中力;Xmax——加载点最大的位移值。

图4所示为有限元边界约束和满载弯曲工况时的位移云图。


图4 弯曲工况下车架刚度分析结果
Fig.4 Analysis results of frame stiffness under bending conditions
(a)边界约束图 (b)车架变形云图

由图4(b)可知,电动汽车车架产生最大变形量的位置为B处,位于电动汽车中部,距离圆形壁管梁支撑点较远,故导致此处变形最大。最大横梁变形位移Xmax=0.215 mm。由式(1)可得到弯曲刚度k1=23 255.8 N/mm。

2.3.2 扭转工况下刚度分析

电动汽车左前、右后钢板弹簧安装吊耳集合点处6自由度全约束,在电动汽车左后、右前钢板弹簧安装吊耳集合点处施加各5 000 N相反力,此时车架主要处于扭曲工况。扭转刚度可判断扭转变形程度,扭转刚度k2计算公式[12]


式中:θ——扭转角度;M——扭转力矩;F——所承受的相反力;L——两受力点之间的距离。

如图5所示为有限元边界约束图和扭转工况车架位移云图。

图5 扭转工况下车架刚度分析结果
Fig.5 Analysis of frame stiffness analysis under torsion conditions
(a)边界约束图 (b)车架变形云图

由扭转工况的位移云图可知,电动汽车车架产生最大变形量的位置位于前梁,最大横梁变形位移最大位移Xmax=57.543 mm,反力F=5 000 N之间的距离为L=2 793.887 mm,由式(2)可求得扭转刚度为k2=2 958.75 (N·m/)°。

通过对电动汽车车架在弯曲工况和扭转工况的刚度分析结果可知,此电动汽车车架能抵御来自路面的冲击载荷和自身重量的载荷引起的车架变形,符合实际使用的需要。

3 响应面模型与优化

由于车架的强、刚度性能未能完全发挥车架材料Q345的性能,因此在保证满足强度与刚度等性能上的要求下,通过软件Isight软件引入粒子群寻优算法[13],增强全局寻优能力,确定最完善的车架模型。目标是最大程度地最优化及轻量化降低骨架质量,以节省原材料的消耗降低产品开发成本和增强汽车的行驶动力性、经济性,以提高市场的竞争力。

3.1 响应面模型

对电动汽车有限元模型利用Isight的DOE采样功能采集20组样本数据如表1所示。

以车架各主要承载梁x1~x4作为优化输入变量,输入变量包括:大梁、横梁、电池架和圆管壁梁的厚度。以车架使用性能相关的参数作为优化输出变量,输出变量包括:质量m、低阶频率f、弯曲刚度 k1、扭转刚度k2、应力σ。

采用径向基神经网络(RBF)近似模型[14]作为优化分析的响应面模型,要求质量、低阶频率、弯曲刚度、扭转刚度、应力等输出变量近似模型的确定性系数R2 需大于0.9。响应的拟合效果图如图6所示。

图6中对角线代表真实适应度,残差为0。采集样本点落在对角线或其附近越多,证明响应的预测精度就越好,图6中水平线代表输入变量的平均响应值[15]。近似模型中质量(m)确定性系数R2=0.985 86;第7阶频率(f)确定性系数R2=0.971 57;弯曲刚度(k1)确定性系数R2=0.971 57;扭转刚度(k2)确定性系数R2=0.996 77;应力(σ)确定性系数R2=0.931 88。由上述可知,每一个近似模型的确定性系数R2值均大于0.9,即建立的电动汽车近似模型预测精度较好,因此电动汽车车架的有限元模型可由该响应面近似模型所代替。

表1 DOE数据
Tab.1 DOE data

图6 响应的拟合效果图
Fig.6 Response fit diagram
(a)质量m (b)低阶频率f (c)弯曲刚度(d)应力σ(e)扭转刚度

3.2 车架的优化过程

基于径向基神经网络(RBF)建立的电动汽车车架近似模型,优化模型的目标为电动汽车车架的最小质量(m)和低阶频率(f)的最大值;以厚度为5 mm的大梁、3 mm的横梁、3 mm的电池架和5 mm的圆管壁梁为优化设计变量,车架初始设计变量及取值范围


以汽车在抵御车架变形的弯曲刚度、扭转刚度,以及满载弯曲工况下的汽车所受最大应力满足许用屈服极限为约束条件,建立优化模型约束条件


经Isight建立RBF近似模型框图使用粒子寻优算法,经过500次迭代后,车架各零件厚度最优解如表2所示。优化后车架的总质量为136.82 kg,比优化前的总质量156.8 kg减轻了12.7%。

表2 优化前后各设计变量数值比较
Tab.2 Comparison of numerical values of design variables before and after optimization

4 车架优化后的有限元分析

确定优化方案后,将各梁的厚度再次带入有限元模型中,Q345材料属性不变,对其进行模态分析计算和强度校核,得到的第7阶模态为34.49 Hz,比优化前的第7阶频率31.48 Hz提高了9.5%,避开了电动汽车共振区域,如图7所示。最大弯曲应力为105.164 MPa,远小于安全系数为1.5时的Q345的许用应力值230 MPa,满足强度要求,如图8所示。

图7 优化后第7阶振型图(34.49 Hz)
Fig.7 The 7th-order modal pattern after optimization (34.49 Hz)

图8 优化后满载工况下应力云图
Fig.8 Stress cloud diagram under optimized full load conditions

利用HyperMesh对优化后的车架进行弯曲工况下和扭转工况下刚度分析,边界约束条件不变,在HyperView中查看计算结果,如图9所示。

根据车架弯曲和扭转工况下的变形,计算出车架的弯曲刚度k1=24 745.2 N/mm,扭转刚度k2=3 239.1 (N/mm)/°,比优化前的车架刚度分别提高了6.4%、9.4%。该优化方案下,电动汽车车架有足够的刚度来抵御汽车实际行驶中受到的载荷冲击造成的车架大变形。

图9 优化后车架变形云图
Fig 9 Optimized frame deformation cloud map
(a)车架弯曲工况变形云图 (b)车架扭转工况变形云图

5 结束语

(1)构建纯电动汽车车架的有限元模型,运用HyperMesh对车架模型进行模态分析以及在典型工况下的强度和刚度分析,对纯电动汽车车架有限元分析有一定的参考意义。

(2)通过Isight软件建立车架优化设计响应面近似模型,精度符合要求后,对此近似模型主要承载梁(包括大梁、横梁、电池架和圆管壁梁)的厚度进行合理的优化设计,优化后的车架质量减少了12.7%,第7阶模态提高了9.5%,避开了电动汽车共振区域。

(3)改进后的车架与原车架相比,强度与刚度得到了提高,弯曲刚度提升了6.4%,扭转刚度提升了9.4%,更好地满足汽车日常使用中的要求。这对设计及生产制造纯电动汽车具有指导意义。



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