劉月萍

摘 要：在現(xiàn)代車身設(shè)計(jì)中，通常是用結(jié)構(gòu)優(yōu)化和材料更替來實(shí)現(xiàn)輕量化的設(shè)計(jì)目標(biāo)。具體地說，基于有限元的設(shè)計(jì)方法，在整個(gè)概念設(shè)計(jì)的優(yōu)化階段，需要對整體拓?fù)溥M(jìn)行優(yōu)化，在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)階段需要對整體形狀進(jìn)行優(yōu)化，在詳細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段則需要對整體的尺寸進(jìn)行優(yōu)化。三種性能優(yōu)化設(shè)計(jì)工具的共同應(yīng)用特征保證產(chǎn)品設(shè)計(jì)軟件的結(jié)構(gòu)，不僅可以滿足基礎(chǔ)產(chǎn)品的性能設(shè)計(jì)需求，而且可以使所用材料的最低優(yōu)化程度達(dá)到有效地降低整體產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)車;車身輕量化;框架式結(jié)構(gòu);鋼塑一體結(jié)構(gòu)

1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的意義

在我國汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，通常是指根據(jù)特定的汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，結(jié)合設(shè)計(jì)人員的汽車設(shè)計(jì)工作和實(shí)踐相關(guān)設(shè)計(jì)的實(shí)際案例，進(jìn)行各種方案的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)完成后，再以結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性等參數(shù)為衡量標(biāo)準(zhǔn)，找出最合適的方案。由于該設(shè)計(jì)理念的方案受限，最優(yōu)方案一般不在此項(xiàng)中，采用該方案僅能獲得相對較合理的設(shè)計(jì)結(jié)果。這與最初的模型設(shè)計(jì)初衷有出入，而結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)則與上面提到的設(shè)計(jì)有本質(zhì)性的區(qū)別，它是以設(shè)計(jì)原則為基礎(chǔ)的，即約束條件，在所有可行域內(nèi)，利用某種數(shù)學(xué)法，尋找最優(yōu)的滿足設(shè)計(jì)需求的方案。

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化的具體內(nèi)容

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是一種宏觀的概念，涉及到多學(xué)科和多領(lǐng)域。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)值計(jì)算方法不同，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)也有不同的類型，因此對優(yōu)化設(shè)計(jì)有了不同的優(yōu)化方法。結(jié)合有關(guān)研究需要，在這里僅從工程設(shè)計(jì)角度介紹了優(yōu)化的設(shè)計(jì)方法。從工程設(shè)計(jì)角度來看，結(jié)構(gòu)優(yōu)化的設(shè)計(jì)方法根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)不同，可分為三種：拓?fù)鋬?yōu)化，形狀優(yōu)化，尺寸優(yōu)化。

（1）拓?fù)鋬?yōu)化。拓?fù)鋬?yōu)化法是一種以約束條件為基礎(chǔ)，對結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行最優(yōu)配置，目標(biāo)是尋找結(jié)構(gòu)材料的最優(yōu)化。拓?fù)鋬?yōu)化的基本理念是在某一邊界條件和設(shè)計(jì)目的下，找到在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)最優(yōu)的材料分布，從而得到結(jié)構(gòu)在相同邊界條件和設(shè)計(jì)目的下的拓?fù)湫螤?。拓?fù)鋬?yōu)化僅是初步設(shè)計(jì)概念的階段，以設(shè)計(jì)區(qū)域材料布局為變量，通過優(yōu)化計(jì)算給出了設(shè)計(jì)區(qū)域空間最優(yōu)的傳遞方徑，是一種經(jīng)濟(jì)優(yōu)化的方法。

（2）形狀優(yōu)化。與拓?fù)鋬?yōu)化不同，形狀優(yōu)化不會刪除結(jié)構(gòu)的材料，并且結(jié)構(gòu)的初始拓?fù)浔３植蛔儯窃O(shè)計(jì)區(qū)域中結(jié)構(gòu)的形狀會發(fā)生變化。以車門內(nèi)板為例。確定拓?fù)鋬?yōu)化之后的門的數(shù)量，開口位置以及門內(nèi)板的筋的布置位置和方向。當(dāng)優(yōu)化形狀時(shí)，僅改變開口的邊界形狀或筋的橫截面形狀。

（3）尺寸優(yōu)化。尺寸優(yōu)化是設(shè)計(jì)中的一種方法，它將結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)作為設(shè)計(jì)變量，用于減少整體結(jié)構(gòu)的重量，或改善整個(gè)結(jié)構(gòu)的使用性能，并獲得最好的整個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尺寸。用于優(yōu)化建筑尺寸的分層結(jié)構(gòu)厚度參數(shù)，通常被定義為鋼筋桿的全面截面積、慣性矩、板的分層厚度和各種復(fù)合材料的總體分層厚度。

如何設(shè)計(jì)一種輕量化的車身，適應(yīng)電動(dòng)車特征，既可間接地增加續(xù)航里程，又可提高動(dòng)力？通過有關(guān)的研究，使用框架結(jié)構(gòu)構(gòu)造一種電動(dòng)汽車的身體，在確保性能和減輕重量的同時(shí)，達(dá)到了降低重量的效果。同時(shí)，框架結(jié)構(gòu)無需開發(fā)高價(jià)格的金屬?zèng)_壓模具，也可降低目前小批量電動(dòng)汽車的制造費(fèi)用。

3 材料優(yōu)化的新方法

輕量化車身設(shè)計(jì)主要通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化和高強(qiáng)度材料選擇來實(shí)現(xiàn)，將兩種成果的結(jié)合應(yīng)用于工業(yè)輕量化軟件設(shè)計(jì)當(dāng)中，從而實(shí)現(xiàn)工業(yè)輕量化軟件設(shè)計(jì)的巨大發(fā)展。而隨著新復(fù)合材料應(yīng)用技術(shù)的迅速發(fā)展，車身各種輕量造型的設(shè)計(jì)也可以通過迅速更換復(fù)合材料來實(shí)現(xiàn)，即用高強(qiáng)度、低密度復(fù)合材料直接取代普通不銹鋼，以快速實(shí)現(xiàn)輕量化車身。代表性車輛為奧迪全鋼鑄鋁板，高強(qiáng)度不銹鋼全鋁板的首次出現(xiàn)，即對一些汽車結(jié)構(gòu)件進(jìn)行加固，用高強(qiáng)度的不銹鋼車身取代普通的不銹鋼板。由此，提出了一種鋼塑復(fù)合集成一體結(jié)構(gòu)的基本概念。

塑鋼一體結(jié)構(gòu)：所謂的鋼塑整體結(jié)構(gòu)，是在傳統(tǒng)的金屬結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，低密度塑料材料可以通過特定的注射成型方法，在金屬部件上覆蓋一定厚度的強(qiáng)塑料，從而減小金屬部件的厚度，提高了結(jié)構(gòu)部件的性能。對于白色車身的內(nèi)板及加強(qiáng)板，面板的內(nèi)側(cè)覆蓋著一層塑料。減輕重量，增強(qiáng)強(qiáng)度。面板的外側(cè)是塑料的。它還可以用來裝飾，防腐。

4 電動(dòng)車質(zhì)量控制研究

第一，就目前改變車身結(jié)構(gòu)等解決此問題的水平有待提高，各大汽車廠在國家的大力支持下，已經(jīng)不斷地引進(jìn)新技術(shù)手段，研究出各種新型的解決振動(dòng)問題的新方法。第二，電動(dòng)車在追求輕量化的前提下，電池與內(nèi)部的元器件安排與組排上，都需要與傳統(tǒng)汽車產(chǎn)業(yè)的傳統(tǒng)架構(gòu)區(qū)別開來，因此需要重視專業(yè)人才的培養(yǎng)，注重理論聯(lián)系實(shí)踐的工作作風(fēng)。以下針對上述兩個(gè)方面提出目前的解決方法。

首先，解決車身的結(jié)構(gòu)振動(dòng)問題是非常迫切的。這需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)的模態(tài)分析，并通過對其各種模式的振動(dòng)特征進(jìn)行研究，以確定它的模態(tài)頻率、形狀和模式剛度等。狀態(tài)參數(shù)能夠預(yù)測各種外部或內(nèi)部刺激下結(jié)構(gòu)的振動(dòng)效應(yīng)，以及易引起共振的頻率范圍。在已知的激勵(lì)頻率前提下，研究系統(tǒng)在這種激勵(lì)的作用下是否會諧振，以避免系統(tǒng)的諧振。研究系統(tǒng)振動(dòng)所引起的故障和誤差，可以使車身振動(dòng)最小化，從而降低整車的NVH噪聲。其次，純動(dòng)力電動(dòng)汽車項(xiàng)目取消了以往傳統(tǒng)的動(dòng)力機(jī)械傳動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布置，增加了新型動(dòng)力離子電池組和動(dòng)力電子制動(dòng)控制器等設(shè)備，電池組平均重量可高達(dá)數(shù)百公斤。一般正常情況下，動(dòng)力電池的合理質(zhì)量應(yīng)占所有汽車電池質(zhì)量的20-30%，因此動(dòng)力電池的合理布置也非常重要。動(dòng)力電池的結(jié)構(gòu)布局也對電動(dòng)車身的整體承重能力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和整個(gè)電動(dòng)車輛的整體結(jié)構(gòu)使用性能都會產(chǎn)生更大的直接影響。對于電池布局，應(yīng)選擇T形布局和矩形布局。對于乘客艙的設(shè)計(jì)，建議采用類似的圓形設(shè)計(jì)。在彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度的工作狀態(tài)下，該形狀可以將工作狀態(tài)下的力傳遞給相應(yīng)的連接件，有利于車身在碰撞過程中碰撞力的分散，從而提高電動(dòng)車的使用性能。

5 結(jié)束語

本文提出了鋼塑一體化結(jié)構(gòu)的概念，并論證了鋼塑一體化結(jié)構(gòu)的可行性。構(gòu)建了鋼塑一體的車身結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建了基于穩(wěn)健可靠的優(yōu)化設(shè)計(jì)的車身輕量化軟件平臺，為實(shí)際工程應(yīng)用提供了可操作性設(shè)計(jì)工具。

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