新能源汽车车身轻量化结构参数自适应优化建模研究.pdf

第31卷第2 期2023 年6 月广州航海学院学报JOURNAL OF GUANGZHOU MARITIME UNIVERSITYVol.31No.2Jun.2023新能源汽车车身轻量化结构参数自适应优化建模研究史召峰（安徽工业经济职业技术学院机械与汽车工程学院，安徽合肥2 30 0 51）摘要：新能源汽车车身轻量化结构参数较多且复杂，导致参数优化效果下降，因此本文研究新能源汽车车身轻量化结构参数自适应优化建模方法.根据新能源汽车轻量化模态性能指标与车身材料弹性参数，以有限单元法对车身结构进行离散处理，通过插补函数建立离散点矩阵，在多项式插值下推导优化边界，构建车身轻量化结构参数优化模型.实验测试结果表明，本文模型能够模拟车身轻量化结构，实现新能源汽车车身轻量化结构参数优化，扭转了弯曲载荷和扭转载荷，参数优化效果好.关键词：新能源汽车；轻量化结构；自适应；优化模型；模态性能指标；弹性参数；优化边界中图分类号：TM359.4燃油汽车的大规模投人使用引发了环境和能源问题，而新能源汽车作为一种绿色交通工具，以噪声低和能效高以及污染量小的优势，快速占领了部分汽车市场.新能源汽车基本沿用原有车型车身，直接对动力系统进行改造，虽然在整车结构上完成了优化设计，但在车身设计过程中并没有进一步完成新能源汽车结构优化改造.为突破这一设计瓶颈,需要在保证汽车稳定性能的同时，减轻车身重量,以达到轻量化良性循环的目的.宝马公司率先提出了车身轻量化的概念，并将其用以表示车身轻量化的效果.其中，结构优化指的是在结构元件满足约束条件的情况下，通过改变结构的边界参数值，达到材料最省的一种优化方式.伴随着计算机技术的成熟发展，国外提出了自适应有限元方法，在优化过程中，将柔度最大化作为研究目标，将每个单元尺寸和转角作为优化的变量，对连续体结构进行优化设计.汽车的重量决定了燃油消耗，为更好地优化新能源汽车的综合性文献标志码：A1选取新能源汽车轻量化模态性能指标在定量车身尺寸后，从其结构质量和轻量化系数人手进行优化 .引人轻量化系数q这一概念作为新能源汽车进行车身结构优化的基础，表示为q=(1)e,.t式中,该系数单位为kg/（Nm/）m;w表示去除车门和玻璃重量后的车身质量；静态下，e,表示扭转刚度，t表示车轮宽距到轴距之间的距离.以应力可用范围为基础，设定不同工况情况下轻量化性能指标选择标准，具体如表1所示 2 .文章编号：10 0 9-8 52 6(2 0 2 3)0 2-0 0 47-0 6能，本文在前人研究的基础上，设计了新能源汽车车身轻量化结构参数自适应优化建模方法，对其车身结构进行优化，保证新能源汽车的安全性与稳定性.W收稿日期：2 0 2 2-12-12基金项目：安徽省教育厅省级质量工程项目（2 0 2 1jxtd046）；安徽省高等学校自然科学研究项目（KJ2021A1541）作者简介：史召峰（19 7 8 一），男，硕士，副教授，主要从事机械制造、CAD/CAM研究48工况转弯垂直颠簸障碍撞击路洞冲击向前最大加速度前制动倒车制动前进紧急制动倒车紧急制动单边上跳分析表1可知，车身的结构优化属于一个数学概念，无论是选择刚度最大化，还是模态频率最大化或者质量最小化，都需要对其进行数学问题求解转换.引入数学模型表达式，具体如下：u=(u1,uz2,u;)minf(u)s.t.o,(u)=0(p=1,2,i)La,(u)=0(p=1,2,.,i)式中,u=（u i,u，,u i)为车身设计参数变量,i为向量个数,f(u）为向量求解目标函数,o（u）和p(u)为等式和不等式约束.在此基础上，从新能源汽车整体设计概念人手，确定轻量化车身结构，同时对比现有车身的基础数据值 3,以寻找优化的空间.以整车质量作为为车身质量的约束条件，制定车身结构概念开发流工况转弯垂直颠簸障碍撞击路洞冲击向前最大加速度前制动倒车制动广州航海学院学报表1轻量化指标选择标准程,如图1 所示.可用范围材料屈服点材料屈服点-抗拉强度之间材料屈服点一抗拉强度之间材料抗拉强度材料屈服点材料屈服点材料屈服点材料屈服点-抗拉强度之间材料屈服点-抗拉强度之间材料抗拉强度表2 整车工况下各参数情况描述加载点右轮心左轮心右轮心左轮心右轮心左轮心右轮心左轮心右轮心左轮心右轮心左轮心右轮心左轮心第31卷底盘布置总布置引人动力学模型结构空间定义分析整车工况拓扑结构传递导出载荷数据否质量达标K刚强度、模态是导出数据图1车身结构概念开发图1中车身设计的任务可以在特定空间内获取，以此满足不同的约束条件，并对其各单元内的结构参数特征值进行计算，促使新能源汽车车身的结构达到轻量化标准.(2)2计算单元结构参数自适应特征值为了分析不同工况下车身结构的应力大小情况、零部件材料的性能以及对其轻量化优化后的影响 4，需要对车身在不同工况情况下的加载位置以及载荷类型进行描述.整车工况下各参数情况如表2 所示.载荷类型以及方向Z方向的力；Y方向的力；X方向的力矩Z方向的力;Y方向的力；X方向的力矩Z方向的力乙方向的力乙方向的力乙方向的力X方向的力；Z方向的力X方向的力；乙方向的力X方向的力；乙方向的力X方向的力；Z方向的力X方向的力;Z方向的力；Y方向的力矩X方向的力；Z方向的力；Y方向的力矩X方向的力;Z方向的力；Y方向的力矩X方向的力；Z方向的力；Y方向的力矩概念造型参考截面数据设计截面导人二维概念审核行业标准车身质量目标香性能达标是第2 期(续表2)工况前进紧急制动倒车紧急制动单边上跳表2 中,X、Y表示水平方向,Z表示竖直方向，通过多体动力分析软件获取.在此基础上,对整车的单元结构进行尺度空间优化.由于轻量化的评价指标中含有质量要素,因此需要对车辆材料进行特征值计算，具体计算公式如下：d810as2g0式中,d为弹性模量，g为泊松比，,为车身材料的弹性张量，结合该值计算有效弹性张量 5-7 ,，具体计算公式如下：ah(8-8(x):a,(8-8(x)式中,h为结构单元面积，为结构域，为单元应变场,8(x)为基本材料的局部位移,h为有效弹性张量.处在工作状态下，车身模型载荷配置部件较多，以多种车型为假设前提，建立质心位置到安装点节点的集中质量方程 8 .设计单元结构变量为l，其取值范围如下：rlmin,ifLlmnlimin1=/l,iftimlimxll,ifLimaxl1式中，lmin、l ma x 为变量最小值和最大值，imin和imax为Imin、l ma x 的平均值.通过上述设定获取汽车车身特征计算最优解，如下：00XW00000T=0L00史召峰：新能源汽车车身轻量化结构参数自适应优化建模研究加载点载荷类型以及方向右轮心X方向的力；Z方向的力；Y方向的力矩左轮心X方向的力；Z方向的力；Y方向的力矩右轮心X方向的力；Z方向的力；Y方向的力矩左轮心X方向的力；Z方向的力；Y方向的力矩右轮心乙方向的力左轮心Z方向的力1k=mlC式中,骂为一阶导数,b。为权重因子。ml根据该结果设置变量取值准则 9-11：厂1g01-g2a2a21a22a23a31a32a33(4)(5)Q000000000 0ZW0wy049i(6)max(0,l-n),if lm*max(0,l-n)(3)I=lm,ifl max(0,l-n)lm*min(1,l+n)(7)Lmin(1,l+n),flmin(1,l+n)lmJ式中,K为阻尼系数,m为行车安全系数，n为迭代次数 12-13 通过上述过程获取整车的特征数值，以此为基础构建车身轻量化结构参数优化模型.3构建车身轻量化结构参数优化模型在多工况静态分析方法下，对新能源汽车的车身结构进行轻量化设计，以优化结构参数为目的，建立自适应优化模型 12-14.以有限元单元法对柔性单元进行离散，表达式为Q=xooZoxoyooW=xwwzw xwyw.w式中，Q和W为任意节点的位置矢量，xovyov2ow、Yww为不同位置的弹性位移，xo,oB:owByw.w为弹性角位移.柔性单元在离散后，借助插补函数T进行曲线连接,表达式如下：T=T,T。T p 式中,T,为轴向插值函数,T。和T,为横向与竖向插值函数.建立矩阵关系：0yW000wy(8)(9)(10)50根据边界条件 15,计算节点Q和W对应的位移，如下：o=1-PXw=Pyo=zo=1-3p?+2p3yo=:0=A(P-2P+P3)Yw=Zw=3P?+2P3Lw,=w,=A(-p?+P)式中,x为新能源汽车柔性空间中任意节点坐标,P为节点位移.在此基础上，以平动动能和转动动能两种类型为基础，构建一个柔性单元内部结构的质量矩阵，如下 16 ;Ms-11Ms-12Ms-13Ms-14Ms-15Ms-22Ms-23Ms-24Ms-25Mcipi-s=Ms-33Ms-34Ms-35Ms-44Ms-45Ms-55J(12)MD-11MD-12MD-13M-14MD-15MD-22MD-23MD-24MD-25Mcipi-D=MD-33MD-34MD-35MD-44MD-45MD-55 J(13)式中,M为质量矩阵,Mcipi为质量动能,D为绝对位移矢量,S为构件单元密度 17 .将多个组成单元的动能相加，在局部坐标系下求解汽车车体质量总势能：010M,KMHiji=020LO式中,Miji为质量总势能,K为新能源汽车的柔性单元剪切模量，为弹性角度 18-2 0 .通过局部坐标系内广义的分布状态，对柔性单元下任意节点坐标进行质量势能描述，以此构建结构参数自适应优化模型，该模型的具体描述广州航海学院学报如下：Kp=Mmi(k-ma,)+(cw)?至此完成新能源汽车车身轻量化结构参数自适应优化建模方法设计。(11)4实验测试分析为验证设计方法的应用效果，选择纯电动汽车和混合动力汽车两种新能源汽车作为测试对象.以现有上市车型的车身为数据基础，通过本文模型进行轻量化结构优化测试.第一部分展示静载工况下车身结构，第二部分测试自适应优化模型的抗弯和抗扭刚度.引人载荷大小计算公式为V=1.8 VB=0.5 V2式中,V为弯矩载荷,大小为450 0 N;B为扭转载荷，大小为2 2 5N；V i为乘客室静负荷；Vz为前轴最大负荷.通过设置条件，应用本文模型进行车身轻量化自适应优化，测试本文模型的有效性.4.1丝纯电动汽车车身轻量化测试以某款已上市的纯电动汽车车身为数据基础，通过本文模型，确定其结构拓扑优化设计域，使其在4.5m2.0m1.8m的长方体内.同时预留乘客空间和动力空间，在设计域表面，以静载工况下承受的载荷为基础，描述车身受力情况，如图2所示.4500000M,K,K2cos002M,K,K22cOsB00第31卷(15)(16)(17)单位mm25920003M,K003001800电动机乘员000(14)12001800?位移约束变速器锂电池组?保险杠载荷材料组图2 纯电汽车车身静载受力情况根据图2 可知，静载条件下纯电汽车的受力情况包含6 个项目，车身结构为三厢式.保险杠载荷位置分离较为明显，成员所在空间与动力系统所在空间较为规整.锂电池组的位置存在材料聚类形式，能够提高承载能力.650第2 期在此基础上,加人弯矩载荷V和扭转载荷B.此时，V包括的成员载荷和锂电池组载荷会被平均分配.前轴负荷包括乘员10 0 N（2 组）、变速器50 0 N、前保险杠载荷30 0 N、电动机550 N、锂电池组250 N.应用本文模型配置V和B的约束位置以及载荷参数，如图3所示.450050025022250250-229电动机乘员变速器锂电池组材料组弯矩位移约束弯矩载荷(a)弯曲工况下45009550N1800电动机乘员变速器锂电池组材料组扭转位移约束扭转载荷(b)扭转工况下图3优化结果图3中,在弯曲工况下,弯矩载荷被平均分配在5个位置中,锂电池组的位置发生了改变,有两组新增弯曲位移约束，代替原有约束位置；在扭转工况下，扭转荷载完成了最大前轴负荷标记，并利用一组新增扭转位移约束，代替原有约束位置，即在最大前轴负荷的附近位置.这说明本文模型具备自适应优化能力.4.2混合动力汽车车身轻量化测试同样以某款已上市的混合动力汽车车身数据为参考基础，通过本文模型确定基本轮廓尺寸，给定拓扑优化设计域大小.设计域被定义在4.0 m1.5m1.5m长方体内,对乘客空间和动力空间划分具体位置.混合动力汽车车身静载受力情况如图4所示.史召峰：新能源汽车车身轻量化结构参数自适应优化建模研究450020500200动力控制单元变速器发电机?动力电池位移约束单位mm电动机图4混合动力汽车车身静载受力情况图4中，在本文模型应用下，汽车的结构为传统2000汽车的三厢式.与纯电汽车相比，混合动力汽车的500N优势在于其动力系统由内燃机和电动机组成，因此T180051单位mm150014001000燃油系统保险杠1200在车身的优化设计中，将承载动力电池和燃油系统18001650?位移约束保险杠载荷单位mm200011200700乘员放置在车身后部，可以提高车身的承载能力.同时，本次模型优化过程中还加人了保险杠的载荷，使得车身的前后结构得到了进一步的细化.在此基础上,加入弯矩载荷V和扭转载荷B.此时，V仅为成员载荷，被平均分配.前轴负荷包含前轴动力控制单元50 0 N、发动机40 0 N、电动机50 0 N、变速器550 N、2 个乘员10 0 0 N、前保险杠30 0 N.800650?位移约束保险杠载荷6004500单位mm625N625N200500200动力控制单元变速器发电机动力电池位移约束电动机?燃油系统?保险杠弯矩载荷弯矩位移约束(a)弯曲工况下4500200500200l动力控制单元变速器发电机动力电池位移约束电动机?燃油系统保险杠扭转载荷扭转位移约束(b)扭转工况下图5优化结果15006256P5N1400T1000T700乘员单位mm1500530N140060010007001乘员60052如图5所示,在弯曲工况下,弯矩载荷处于同一水平线中,将乘员空间进行了分离，载荷被平均分配,同时有两组新增弯曲位移约束，代替原有约束位置；在扭转工况下，乘员空间被分离，且存在一组扭转位移约束，代替原有约束位置,为最大前轴负荷附近位置.这说明本文模型具备自适应优化能力.5结语根据新能源汽车的特点，对车身结构进行设计，最大限度地改善车身载荷情况，取得了良好的应用效果.但实际设计过程中，车身结构轻量化需要面对多种问题，包括强度和耐久性等因素，此次设计过程中没有重点考虑这些因素,具有一定的不足.后续研究中会针对问题所在，更深层次地分析新能源汽车的车身特性，使其具有更加稳定和安全的操作性能.参考文献：1向可友，肖革，蓝玉良，等.表面处理技术在汽车轻量化方面的应用 J.腐蚀与防护,2 0 2 1（0 7）：48-52.2邓剑锋.基于HyperWorks的新能源车架有限元分析 J.内燃机与配件,2 0 2 2(0 4):7 1-7 3.3严立云.试析新能源材料在新能源汽车上的应用 J.新型工业化,2 0 2 1(12)：131-132,135.4刘明岩，丁芳.新能源汽车车身维修流程优化仿真研究 J.太原学院学报（自然科学版），2 0 2 1（0 4）：48-52.5李福贵，顾成波.压铸及多材料连接工艺在新能源汽车车身中Research on Adaptive Optimization Modeling of lightweight StructureAbstract:Because there are many and complex parameters in the lightweight structure of new energy vehicle body,the effect of parameter optimization is reduced,so the adaptive optimization modeling method for the lightweightstructure parameters of new energy vehicle body is studied.According to the lightweight modal performance index ofnew energy vehicles and the elastic parameters of body materials,the body structure is discretized by finite elementmethod,the discrete point matrix is established by interpolation function,the optimization boundary is derived underpolynomial interpolation,and the optimization model of the lightweight structure parameters of the body isconstructed to realize the adaptive optimization of the lightweight structure parameters of new energy vehicles.Theexperimental results show that the model can simulate the lightweight structure of car body,and the adaptiveoptimization of structural parameters is completed based on displacement constraints.The bending load andtorsional load are reversed,and the parameter optimization effect is good.Key words:New energy vehicles;Lightweight structure;Adaptive;Optimization model;Modal performance index;Elastic parameters;Optimize boundaries广州航海学院学报的运用研究 J.机械工程师,2 0 2 1（0 8）：6 0-6 2.6王智文，冯昌川.新能源汽车轻量化技术路径及开发策略 J.汽车工艺与材料,2 0 2 1(0 6):1-12.7白有俊，刘世豪,郑艳.海南纯电动汽车轻量化增容增程效果的对比分析 J.中国工程机械学报,2 0 2 1（0 3）2 7 8-2 8 2.8袁林，赵清海，张洪信，等.基于拓扑和形貌优化的电动汽车动力电池箱轻量化分析 J.制造业自动化,2 0 2 0(0 6)：112-117.9 刘锋.台议新能源汽车轻量化的关键技术 J.时代汽车，2021(08):93-94.10崔厚学,刘昌雄,孙志强，等.轻量化铝合金车身连接技术及其评价 J.金属加工（热加工），2 0 2 1（0 4）：13-16.11张超，江鹏飞.新能源汽车轻量化途径及其评价 J.汽车实用技术,2 0 2 1(0 1):14-15,2 8.12 贾朝贝.汽车结构的轻量化设计措施分析 J.时代汽车，2 0 2 1(02):133 134.13朱昊.车身轻量化技术对新能源汽车性能的提升研究 J.南方农机,2 0 2 0(18):116-117.14陈磊.CAE技术在新能源汽车轻量化方面的研究与应用J.时代汽车,2 0 2 0(18)：8 5-8 6.【15顾成波，赵炳婕.新能源汽车钢铝车身与典型连接 J.汽车零部件,2 0 2 0(0 8):9 2-9 5.16熊自柳,齐建军，刘宏强，等.新能源汽车及其轻量化技术发展现状与趋势 J.河北冶金,2 0 2 0（0 7）：1-9.17】陈波.新能源汽车轻量化的关键技术分析 J.湖北农机化，2020(09):4748.18】赵治，郝志莉.纯电动汽车车身材料轻量化应用现状浅谈J.汽车实用技术,2 0 2 0（0 7：2 2-2 4.19胡玮,耿绥燕,赵雄文.基于自适应粒子群优化的RBF毫米波信道建模研究 J.电波科学学报，2 0 2 1（0 3）：40 5-412.2 0】蔚亚，康帆.碳纤维复合材料在新能源汽车中的应用形式与进展 J粘接,2 0 2 0(0 4):8 6-8 9,110.Parameters of New energy Vehicle BodySHI Zhao-feng(School of Mechanical and Automotive Engineering,Anhui TechnicalCollege of Industry and Economy,Hefei Anhui 230051,China)第31卷