摘 要

近十几年来,中国的汽车工业迎来了快速发展的阶段，但与此同时,空气污染、能源危机等问题逐渐凸显出来，制约着我国汽车工业的进一步发展。因此新能源汽车正逐渐成为我国甚至世界各汽车厂商研究的方向，其中电动汽车以其无污染、能源利用率较高的优点成为新能源汽车研究的重点。

目前，由于电动汽车动力电池技术的瓶颈使电动汽车很难满足商业用车续航里程数的要求，这就使得电动汽车难以大规模地替代传统汽车。在动力电池技术难以在短时间内取得突破性进展的情况下，从减轻电动汽车车架的总质量入手，间接提高电动汽车的整车性能和续航里程数是当前推动电动汽车发展的一个重要方向。

本文通过建立车架的有限元模型，对车架进行静力强度分析，根据分析结果判断车架是否满足正常的使用要求，并进一步通过车架的结构优化设计、材料优化设计以及拓扑优化设计，以达到电动汽车车架轻量化设计的目标。车架完成结构优化设计和材料优化设计之后，同样需要对车架进行强度和刚度的分析，根据结果来评定车架是否可以满足正常的使用要求，只有车架通过了强度和刚度的校核才代表着车架轻量化设计的完成。

在本文的研究当中，使用CATIA软件完成电动汽车车架三维模型的建立，之后，采用Abaqus软件完成电动汽车车架有限元模型的建立。在车架网格划分阶段，选择网格类型为修正的二次型四面体单元，并严格地控制网格的疏密程度为18，同时严格控制网格质量以此保证分析的准确性。在Abaqus CAE中，根据车架的实际工作情况施加载荷和设定边界条件，对车架进行有限元分析，确定了车架的总质量为261.3kg，最大位移量为0.7mm，最大应变值为7.2×10^-4，最大应力为95.1MPa。完成车架的轻量化设计之后，车架在最大变形量仅仅增加2.1mm的情况下，整个车架的重量下降了58.9%，实现了设计初衷，优化效果明显。

关键词：电动汽车；轻量化；车架

Abstract

In the past decade or so, China's automobile industry has ushered in a stage of rapid development；Meanwhile, problems such as air pollution and energy crisis have gradually emerged, restricting the further development of China's automobile industry. Therefore, new energy vehicles are gradually becoming the research area of automobile manufacturers in China and even the world. Among them, electric vehicles have become the focus of research on new energy vehicles because of their advantages of no pollution and high energy utilization.

At present, due to the bottleneck of electric vehicle power battery technology, it is difficult for electric vehicles to meet the requirements of commercial vehicle mileage, which makes it difficult for electric vehicles to replace traditional vehicles on a large scale. In the case that it is difficult for power battery technology to make breakthrough progress in a short period of time, starting from reducing the total mass of electric vehicle frames, indirectly improving the overall vehicle performance and cruising mileage of electric vehicles is an important direction to promote the development of electric vehicles.

In this paper, the finite element model of the frame is established, and then the static strength of the frame is analyzed, to make sure that the frame satisfies the normal use condition according to the analysis result; Further the goal of lightweight design of the frame of the electric vehicle is realized the through the structural optimization design, material optimization design and topology optimization. After the structural optimization design and material optimization design of the frame, the strength and rigidity of the frame are also analyzed to make sure that the frame meets the requirement of strength and stiffness. The lightweight design of the frame is completed.

In this paper, the CATIA software is used to complete the establishment of the three-dimensional model of the electric vehicle frame, and then the finite element model of the electric vehicle frame is completed in the Abaqus software. In the frame meshing stage, the quadratic tetrahedral mesh with the modified mesh type is selected and the density of the mesh is strictly controlled to be 18, and the mesh quality is strictly controlled to ensure the accuracy of the analysis. In Abaqus CAE, the load and boundary conditions are applied according to the actual working condition of the frame. The finite element analysis of the frame is carried out to determine that the total mass of the frame is 261.3kg, the maximum displacement is 0.7mm, and the maximum strain value is 7.6×10-4. The maximum stress is 95.1 MPa. After the lightweight design of the frame is completed, the weight of the entire frame decreases by 58.9% when the maximum displacement is only increased by 2.1 mm, which achieves the original design and the optimization effect is obvious.

Keywords: Electric car; lightweight; frame

目录

第一章绪论 1

1.1电动汽车以及其使用优势 1

1.2国内外电动汽车车架研究情况 2

1.3课题研究的内容和意义 2

1.3.1课题研究的技术路线 2

1.3.2课题研究的目的和意义 3

1.3.3课题研究的主要内容 4

1.4本章小结 4

第二章电动汽车车架的优化策略 5

2.1有限元分析法的理论基础 5

2.1.1有限元分析法的理论基础及其应用范围 5

2.1.2有限元分析的四个阶段 5

2.2有限元的力学基础 6

2.3基于Abaqus对电动汽车车架优化的步骤 7

2.4本章小结 8

第三章电动汽车车架的应力和应变分析 9

3.1电动汽车车架有限元模型的建立 9

3.1.1焊接车架与铆接车架的对比分析 9

3.1.2电动汽车车架CAD三维模型的建立 9

3.1.3电动汽车车架有限元模型的建立 10

3.2电动汽车车架的静力结构分析 10

3.2.1电动汽车车架静力结构分析 11

3.3本章总结 14

第四章电动汽车车架的优化分析 15

4.1结构优化分析 15

4.2材料优化分析 18

4.3拓扑优化 20

4.3.1拓扑优化技术 20

4.3.2车架横梁的拓扑优化 20

4.4本章小结 22

第五章总结与展望 24

5.1总结 24

5.2展望 24

参考文献 25

致谢 27

第一章绪论

1.1电动汽车以及其使用优势

电动汽车（EV）是指用车载电源作为动力，以电动机驱动车轮行驶，符合道路交通规则、安全法规等各项要求的车辆。在这个追求低碳发展和可持续发展的时代，除了节约能源，人们也应该注意对排放的控制，争取实现绿色环保的排放，从而更好地保护我们的环境。由于石油资源的不可再生特性和日益紧缺的现状,以及当前我国的大气污染主要来自尾气排放,因此，电动汽车将成为我国未来发展的必然趋势。电动汽车无污染、高能源效率的特性十分契合时代发展的要求，促使其成为实现绿色环保，减少大气污染的最佳交通工具。

电动汽车产业其实早在100年前就已经获得了快速的发展，之后却逐步衰落，直到今天才重新回到大众的视野。第一辆电动汽车于1834年诞生在美国，当时它是以直流电机驱动的。早期的汽车消费市场上，电动汽车以其无气味、振动及噪音小的优点占据了相较内燃机而言更大的市场份额。在20世纪10年代的美国，燃油车的保有量只有22%，而电动汽车则有38%。之后随着内燃机技术的不断发展和石油的不断开采，电动车市场逐渐萎缩，内燃机驱动的汽车主导了汽车消费市场。在今天，环境污染问题的日益严重和石油资源的紧缺，使电动汽车引起了各个国家的关注，推动了电动汽车工业的进一步发展。截止到目前，电动汽车技术已经获得了较大的提升，类型和款式也丰富了起来^[1]。

中国电动汽车重大科技项目的研发开始于2001年，经过十几年的发展，中国电动汽车产业一步步地发展壮大，目前正处于持续的进步状态，成功地建立了以自主知识产权为主要基础的电动汽车全产业链技术体系。经过十年磨一剑的艰苦奋斗，中国的电动汽车产业已经从研究开发的阶段进入到了产业化的阶段，朝气蓬勃的中国电动汽车产业必将会在接下来的时间里收获更大的成功。

但是目前我国电动汽车产业的发展与欧美及日本仍然存在着一定的差距，制约电动汽车发展的瓶颈主要是动力电池。动力电池主要有两个性能指标，一是比能量，动力电池比能量的不足严重制约着纯电动汽车的发展，如果动力电池的比能量能够在现有基础上提升一倍，我国电动汽车取代传统燃油车的时代就会到来。二是续航公里数，在这方面国外的电动汽车做的比较好，我国的能力就稍显不足^[2]。

对于以上存在着的制约电动汽车发展的问题，我们除了提高电池的整体性能还可以对电动汽车进行轻量化设计，通过降低电动汽车的整车重量，从而减少电能的消耗。在本文中，作者主要通过对电动汽车的车架进行轻量化设计，在满足电动汽车的承载要求和正常行驶工况的基础上，降低电动汽车车架的重量，从而间接地提高电动汽车的性能^[3]。

1.2国内外电动汽车车架研究情况

在当前的时代，由于能源的日益短缺和环境污染的日趋严重，电动汽车凭借着其无污染、节约能源的优点得到了各大汽车厂商的高度重视和世界各国政府的政策支持。电动汽车的车架作为电动汽车的主要承载以及受力结构，必须拥有足够的强度和刚度，因此电动汽车车架的设计对于电动汽车而言具有十分重要的意义。有限元分析方法作为常见的汽车设计及分析工具，在缩短汽车设计周期、降低汽车生产成本、提高汽车产品质量等方面具有重要的作用。

在“纯电动汽车车架设计及有限元分析”一文中广东工贸职业技术学院的邵超城在构建电动汽车车架时使用铝合金材料，并且使用HyperMesh软件对车架进行了前处理，用Ansys软件对电动汽车车架进行了强度和模态分析并借此来寻找电动车车架的薄弱部位及验证车架的安全性要求^[4]。

此外Dafeng Jin则通过对微型电动汽车车架的拓扑优化实现了车架的轻量化设计^{[5] [6]}。Sung-Cheol Yoon针对车架的结构强度进行了有限元分析和负载测试^[7]。湖南大学的吴兵则将原本车架的半承载式结构改为全承载式结构，应用轻质材料，实现车架总成的轻量化设计目标^[8]。Makhrojan研究了负荷和厚度变化对城市电动车辆的应力影响^[9]。针对汽车碰撞中车架的安全问题，大连理工大学的孙宏图和河北工业大学的周家伟应用有限元的分析方法对车架碰撞进行了研究^{[10] [11]}。Abrahamsson则对汽车车架的有限元模型进行了频率响应分析^[12]。

在轻量化材料应用方面，Lyu R以及同济大学的余海燕则尝试采用新型材料镁合金实现车架的轻量化目标^{[13] [14]}。湖南大学的刘保公采用新型碳纤维复合材料（CFRP）对非承载式纯电动汽车车身结构进行优化设计，为纯电动汽车车身的开发创新探讨了新的设计思路^[15]。

综上所述，电动汽车的轻量化设计是提高电动汽车整体性能，增加电动汽车续航里程的重要措施。有限元分析方法是实现电动汽车的轻量化这一目标的十分关键且行之有效的设计方法。

1.3课题研究的内容和意义

本文从减轻整车质量，从而提高电动汽车整体性能，增加续航里程的角度出发，对电动汽车的车架进行优化设计，在确保车架的强度和刚度的基础上，尽可能地减少电动汽车车架的重量，以实现电动汽车车架轻量化设计的目的。

1.3.1课题研究的技术路线

本文对电动汽车车架研究的技术路线如下图1-1所示。

校核

结构优化设计

最终方案

静力结构分析

不合格

合格

校核

不合格

合格

图1-1 研究技术路线图

第一章主要介绍了当前电动汽车车架的研究现状以及本课题的研究内容和意义。

第二章主要介绍了电动汽车车架的优化策略。阐述有限元分析的基础理论和应用范围并提出了利用Abaqus软件对电动汽车车架优化的步骤。

第三章对焊接车架和铆接车架进行了对比分析，构建了车架的CAD三维模型和有限元模型，利用Abaqus软件对电动车车架进行了静力结构分析，得出了电动汽车车架的总变形量、应力及应变云图。

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