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1、 設 計 題 目 電動汽車車架及電池箱輕量化設計 學 生 姓 名 學 號 專 業(yè) 班 級 指 導 教 師 院 系 名 稱

2、 年 月 日 目 錄 中文摘要…………………………………………………………………………… 1 英文摘要………………………………………………………………………………… 2 1引言…………………………………………………………………………………3 1.1 課題背景及意義………………………………………………………………3 1.2 輕量化設計的研究現(xiàn)狀……………………………………………………3 1.3 課題內(nèi)容及要求……………………………………………………

3、…………4 2 車架及電池箱結構設計…………………………………………………………5 2.1車架及電池箱的設計背景…………………………………………………5 2.2車架及電池箱的初始設計及其三維圖……………………………………… 6 3 hyperworks 軟件介紹………………………………………………………………10 4 車架軟件分析………………………………………………………………… 10 4.1 車架有限元模型建立…………………………………………………………… 10 4.2 車架靜力分析……………………………………………………………………11 5 電池箱軟件分析 ………

4、…………………………………………………………13 5.1 電池定位殼 ……………………………………………………………………13 5.2 內(nèi)箱體 …………………………………………………………………………15 5.3 外箱體 …………………………………………………………………………21 6 車架及電池箱輕量化設計改進 ……………………………………………………26 6.1車架輕量化改進 ……………………………………………………………………26 6.2電池定位殼輕量化改進……………………………………………………………28 6.3內(nèi)箱體輕量化改進………………………………………

5、…………………………28 6.4外箱體輕量化改進…………………………………………………………………31 結論 ……………………………………………………………………………………33 致謝 …………………………………………………………………………………… 35 參考文獻………………………………………………………………………………36 I · 電動汽車車架及電池箱輕量化設計 摘要：由于環(huán)保和節(jié)能的需要，對電動汽車的車架以及電池箱進行改進已達到輕量化的目的已成為刻不容緩的事。但是輕量化設計不是簡單的沒有技術含量的降低電動汽車重量，這需要保持車架和電池箱需要的性能要求

6、下，確定目標函數(shù)，然后優(yōu)化零件結構，減輕零件重量，達到輕量化設計要求。本文會在使用替換材料，改進既有結構，使用制造技術三方面對電動汽車車架及電池箱進行輕量化設計。其中重點在于改進車架及電池箱的結構，分別使用尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化以及拓撲優(yōu)化。在初始使用SolidWorks進行三維設計后，利用hyperworks對車架以及電池箱進行靜力分析以及拓撲優(yōu)化。然后根據(jù)分析結果對初始設計進行改進。之后還需要對車架和電池箱進行強度分析。 關鍵字：輕量化設計，三維，hyperworks，拓撲優(yōu)化 全套圖紙加扣 3346389411或3012250582

7、 Lightweight design for electric vehicle frame and battery box Abstract：Because of the need of environmental protection and energy saving, the lightweight design of electric vehicle frame and battery box has become an urgent matter for the public. However lightweight design is not reducing

8、 the weight of electric car in a no technical way, which requires meet the demand of the frame and a battery box’s requirements.At first it needs determine the target function, and optimization structure parts, reduce the weight of the parts, then can we meet the requirements of lightweight design.

9、In this paper, electric vehicle frame and battery box lightweight design use three aspects: use of alternative materials, improve the existing structure and the use of manufacturing technology . The focus is to improve the structure of the frame and battery box, using size optimization, shape optimi

10、zation and topology optimization.After the initial use of SolidWorks for 3D design, the static analysis and topology optimization of the frame and battery box are carried out by using HyperWorks.. And then according to the results of the analysis of the initial,3D design needs some improvements. Aft

11、er that, the strength of the frame and battery box also acquire analyzing. Key words：Lightweight design, 3 d, hyperworks, topology optimization 1 引言 由于環(huán)保和節(jié)能的需要，對電動汽車的車架以及電池箱進行改進已達到輕量化的目的已成為刻不容緩的事。但是輕量化設計不是簡單的沒有技術含量的降低電動汽車重量，這需要保持車架和電池箱需要的性能要求下，確定目標函數(shù)，然后優(yōu)化零件結構， 減輕零件重量，達到輕量化設

12、計要求。而本次電動汽車車架及電池箱的輕量化設計主要包括三方面，一是使用新型材料，二是改進既有結構，三是在制造技術方面進行改進。重點在于改進車架及電池箱的結構。 1.1 課題背景及意義 如今，在重視環(huán)保和節(jié)能微排的大環(huán)境下，發(fā)展電動汽車已是熱點話題。汽車質(zhì)量的減少可以同時降低油耗和排放量。因此電動汽車輕量化設計的開發(fā)也得到了越來越多的重視。 對電動汽車的不同結構部位進行輕量化設計需要在保證其強度和安全性能的前提下，以降低電動汽車的整備質(zhì)量為目標函數(shù)，從而達到降低油耗和排放量，以及提高電動汽車的動力利用率的目的。首先汽車的輕量化對于降低油耗、減少排放起著至關重要的作用，在已有數(shù)據(jù)中知道每減輕

13、100公斤，二氧化碳的排放就會相應減少近5克/公里。在提高電動汽車的動力性能方面具體體現(xiàn)在駕駛方面。輕量化后會顯著提高加速性能，同時也會減少制動距離。因此電動汽車的輕量化技術對降低油耗、減少排放以及提升安全性都有作用的。本文需要設計的電動汽車車架和電池箱體，將這兩者的優(yōu)化都會大程度的改善電動汽車的輕量化技術。 1.2 輕量化設計的研究現(xiàn)狀 目前汽車輕量化方法： 1、在不改變汽車大尺寸的前提下對汽車進行結構優(yōu)化。 2、使用金屬材料：鋁、鎂以及陶瓷等其他材料來替換原有材料； 　　 ? 3、使用分析軟件hyperworks，ansys等對汽車結構進行優(yōu)化。 　　 ? 大多是使用輕質(zhì)

14、材料和結構設計的改進。其中結構設計的優(yōu)化也是本次設計的重點。 而根據(jù)設計變量的類型將結構優(yōu)化設計又分為不同的層次：從簡到復雜有尺寸、形狀的優(yōu)化以及拓撲優(yōu)化。目前，尺寸優(yōu)化和形狀優(yōu)化技術都已較為成熟，拓撲優(yōu)化還在不斷研發(fā)中。 拓撲優(yōu)化以材料的分布為優(yōu)化對象，其基本思想是研究最優(yōu)材料的分布問題，使得結構的某些性能得到優(yōu)化或結構的重量得到減輕。結構拓撲優(yōu)化所研究的問題包括連續(xù)結構和離散結構，一般采用的方法是，前者一般把結構的最小柔順性當作優(yōu)化目標，后者把結構最小重量當作優(yōu)化目標以達到材料的最合理分布。拓撲優(yōu)化技術使設計人員在僅僅知道結構的邊界條件和在和載荷條件下確定較合理的結構形式。

15、 拓撲優(yōu)化技術已在工程領域得到廣泛的應用。即在使用相同材料以及任何剛度強度要求都要滿足的前提下實現(xiàn)車架以及電池箱的輕量化設計。本文就采用了hyperworks軟件對電池箱的電池定位殼；內(nèi)箱體和外箱體；車架結構分別進行尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化、拓撲優(yōu)化。 1.3 課題內(nèi)容及要求 目前的電動汽車主要是普通汽車演變而來，結構明顯過重，同時電動車車架承載許多重要部件等。電動汽車汽車由于需攜帶沉重的磷酸鐵鋰電池，對車架的承重能力有特殊要求。車架在根據(jù)縱梁不同結構特點, 有綜合式、脊梁式、周邊式、X形式、梯形幾種車架。在本次設計中就采用了邊梁式車架，就是梯形車架。 至于電動汽車的電池箱，由于

16、結構是用手裝載動力電池的，所以多數(shù)采用了箱式結構。由于燃油經(jīng)濟性，也要對電池箱體進行優(yōu)化。目前電動汽車基本上都選用鋰離子電池，鋰電池有很多優(yōu)點，但電池溫度不好控制。鋰離子電池在不同溫度下，工作狀態(tài)變化極大，數(shù)據(jù)表示只有在25時，單體電池的循環(huán)壽命可以接近2000次。同時裸露放置對電池壽命很有威脅。因此，防塵、防水、防振、絕緣以及拆卸方便的電池箱，是目前電池箱設計的目標。 在本次設計中，我就打算從輕質(zhì)替換材料方面以及結構優(yōu)化方面人手。首先分別就電動車車架進行應力分析有限元建模，針對不同工作情況，分析其結構的應力，以便優(yōu)化其結構。需要綜合考慮對材料的要求以及材料的優(yōu)勢劣勢性能，挑選出符合力學性能

17、的，有經(jīng)濟合理的輕質(zhì)材料。 本論文研究對象是電動汽車，選取了江淮iev4電動車。車架的電池箱的三維模型運用solidworks進行設計。之后計算車架電池箱各種工況進行整體分析，得到它的內(nèi)力分布，根據(jù)各部分的受力狀態(tài)進行優(yōu)化，修改各部分的設計變量，將優(yōu)化后的結構參數(shù)組成新的方案，爾后作一次結構分析，檢驗這個方案是否可行。 主要任務： （1）了解國內(nèi)外電動汽車研究發(fā)展概況； （2）用solidworks軟件建立電動汽車車架及電池箱三維模型； （3）用hyperworks軟件根據(jù)實際受力情況在幾種工況下對電池箱的電池定位殼，內(nèi)箱體，外箱體以及車架進行靜態(tài)分析。 （

18、4）根據(jù)受力狀態(tài)對零件進行優(yōu)化，在滿足靜態(tài)、動態(tài)的前提下，使其質(zhì)量變小。 （5）修改車架及電池箱三維圖； （6）對修改過車架及電池箱零件進行最后的靜力分析，是否滿足強度條件； （7）繪制車架及電池箱二維圖。 2 車架及電池箱結構設計 2.1 車架及電池箱的設計背景 本次車架和電池箱的輕量化設計是包括了電動汽車車架以及內(nèi)電池箱和外電池箱的輕量化設計，而車型則是針對江淮iEv4車型。江淮iEv4采用的電池也是磷酸鐵鋰電池（LiFePO4），其含量是19.2kwh。LiFePO4由于很好的安全性能和長的循環(huán)壽命，多被作為目前的電動汽車的電池。設計的電池箱是放

19、置在后備箱下的包含6個單體6-QW-45的VARTA電池，其尺寸為250×140×250mm。車架的設計需要考慮電池箱的安置以及整車載荷，包括乘客質(zhì)量。 2.2車架及電池箱的初始設計及其三維圖 圖1.1 車架及電池箱總裝配初圖（隱藏內(nèi)箱蓋） 2.2.1車架三維圖 該車架為邊梁式車架，就是梯形車架。主要結構是兩根縱梁和若干根橫梁，其結構如圖所示。 圖1.2 車架初圖 2.2.2電池箱三維圖 圖1.3 電池箱裝配圖（隱藏內(nèi)箱蓋） 2.2.2.1 內(nèi)箱體三維圖 圖1.4 內(nèi)箱體圖 2.2.2.2 內(nèi)箱蓋，銷三維圖 圖1.5 內(nèi)箱

20、蓋圖 圖1.5 銷圖 2.2.2.3 外箱體三維圖 圖1.6 外箱體圖 2.2.2.4 外箱欄三維圖 圖1.7 外箱欄圖 2.2.2.5 電池定位殼及定位板裝配體 圖1.8 定位板裝配體圖 其中電池定位殼： 圖1.8 電池定位殼圖 定位板A、B： 圖1.9 電池定位板A、B圖 3 hyperworks軟件介紹 目前，在產(chǎn)品設計中計算機輔助工程（CAE）已是必不可少。其中HyperWorks發(fā)揮重大作用。這是美國Altair軟件公司開發(fā)的成套工程軟件。 hyperworks主要包括Hype

21、rMesh、HyperView、HyperGraph，OptiStruct，HyperForm等。以上軟件的功能涵蓋了結構分析所需要的所有CAE功能。本文利用HyperWorks和solidworks軟件的接口將車架和電池箱的三維模型導入HyperWorks中，在HyperMesh下幾何清理、定義材料屬性、劃分網(wǎng)格、進行靜力分析、然后在OptiStruet中對有限元模型拓撲優(yōu)化，進而求解。 4 車架軟件分析 4.1 車架有限元模型建立 車架是負載很大的一個零件。分析手段主要是通過以hyperworks軟件為分析工具對該車架進行了網(wǎng)格劃分，建立正確的有限元分析模型，對車架進行典型工況的靜態(tài)

22、分析 、有限元分析，了解該車架的優(yōu)缺點，為后續(xù)設計提供數(shù)據(jù)支持。 該車架為邊梁式，由兩根縱梁和若干根橫梁組成的剛性結構，該車架長3m，寬0.95 m。 4.1.1 文件的保存 由于車架模型是在三維軟件solidworks中建立的，一定要先存為igs格式，同時注意保存路徑要全英文。然后再講igs。文件導人到Hypermesh軟件，等待前置處理。 4.1.2 幾何清理 有限元模型的簡化是為了減少建立有限元模型，以及后續(xù)靜力分析還有拓撲優(yōu)化的工作量。結構的簡化是要以力學特性為前提的，這樣既能使幾何類型一致，而單元傳遞的運動力學特性也能相同。結構簡化的原則是：不影響目前結構的

23、力學性能的前提下進行小結構的簡化，如圓角、小孔等，這些小結構對整個車架而言，結構特性影響可以不計在分析中。 4.1.3 網(wǎng)格劃分 網(wǎng)格劃分注意模型規(guī)?？刂?。網(wǎng)格數(shù)量的多少會影響后續(xù)靜力分析還有拓撲優(yōu)化的工作量以及計算結果的精度。通常，網(wǎng)格數(shù)量增加時計算精度會有所提高，但時工作量也變大了，所以在確定網(wǎng)格數(shù)量時應綜合考慮。模型規(guī)模控制的原則是：在獲取準確計算結果的同時，確保適當工作量。對電動汽車的車架的結構分析中有限元模型的質(zhì)量也大大影響準確性。因此，在網(wǎng)格劃分中對網(wǎng)格模型的設定也需要仔細考慮。 4.1.4 網(wǎng)格質(zhì)量檢查及單元清理 網(wǎng)格的高水準設定對于保證計算精度是很必要的。

24、HyperMesh中的qualityindex面板可以對生成網(wǎng)格起到檢查的作用，具體是指網(wǎng)格形狀。智能生成的網(wǎng)格一般很少存在質(zhì)量問題。但是，如果模型形狀不規(guī)則就可能會產(chǎn)生質(zhì)量問題。而在劃質(zhì)量問題出現(xiàn)的時候，通常會將單元合并或者分割，此外就是可以調(diào)整單元節(jié)點來改善網(wǎng)格質(zhì)量。 4.1.5定義材料及屬性 網(wǎng)格劃分完在分析之前，在HyperWorks中的材料面板還需要設定網(wǎng)格材料參數(shù),包括材料彈性模量、泊松比等，而殼單元還需要設定厚度參數(shù)。 4.1.6 有限元模型的生成 在HyperMesh中，要選取所有面才能進行網(wǎng)格的智能劃分，定義網(wǎng)格類型和尺寸，注意細節(jié)處比如螺紋孔以及尖銳部分，這

25、些地方需要細化網(wǎng)格。 4.2 車架靜力分析 4.2.1定義材料及屬性 梯形車架的材料大多是鋼板，制造過程是沖壓。 考慮車架性能要求選擇如下表1.1材料。 材料名稱 彈性模量E（mpa） 泊松比Nu 16mn鋼板Q345B 0.28 抗拉強度 屈服強度 密度() 470~620mpa 345mpa 7800 表1.1 車架材料屬性 4.2.2載荷的簡化及加載 ??如何對有限元模型的載荷進行簡化與施加聯(lián)系到計算結果的真實性以及分析優(yōu)化的實用性。在進行彎曲工況和普通工況計算時，車架所受載荷都是車的整備質(zhì)量以及乘客的質(zhì)量。該車的總重15288N，電池箱總重3

26、144N，作用在車架的電池箱支座上，乘客總重為2940N，作用在中后部兩個橫梁形成的支架上，電動車余下總重為9204N，作用在前4根橫梁及邊梁上。 4.2.3車架工況 車架形成一簡支梁結構后要考慮彎曲扭轉(zhuǎn)工況進行靜力分析。在彎曲扭轉(zhuǎn)工況中，車架靜止?jié)M載時，可以將一個前輪或后輪抬高200mm，也可以將給支架兩端一個方向不同的5000N的力形成扭轉(zhuǎn)。 4.2.4分析詳圖 位移云圖 應力云圖 最大位移：0.019mm 最大應力：12.0mpa 結果分析：車架處于滿載時，在受到5000N的扭轉(zhuǎn)力后最大的應力（紅色）是38.9mpa，在車架的許用應力范圍內(nèi)。就這個數(shù)據(jù)而言，初

27、始設計過于保守。 5 電池箱軟件分析 5.1 電池定位殼 5.1.1 電池定位殼有限元模型建立 由于電池箱的電池定位殼、內(nèi)箱體和外箱體的結構特點，在劃分網(wǎng)格時，首先在有限元軟件hyperworks中對車架幾何模型進行中面抽取，獲得殼體模型。而Hyperworks軟件提供了中面抽取工具，得到空間殼體。 在使用殼單元劃分網(wǎng)格之后進行定義材料及材料屬性。由于特殊設計要求，電池箱的全部材料選擇了鍍鋅鋼板。就是在鋼板表面涂以一層金屬鋅，這樣可以使鋼板表面減少腐蝕，延長壽命。 材料屬性如下表1.2。 材料名稱 彈性模量E（mpa） 泊松比Nu 鍍鋅鋼板S280GD+Z 0.

28、28 抗拉強度 屈服強度 密度() 270~370mpa 180~250mpa 7800 表1.2電池箱材料屬性 之后的步驟是約束設定，電池定位殼就約束殼體的突出部分。電池定位殼沒有底板，所以在正常行駛中不受載荷。在初始設計中電池定位殼的壁厚為5mm，在考慮具體載荷，定義鋼板厚度為1mm，網(wǎng)格大小為5mm，根據(jù)靜力分析結果確定該種輕量化是否符合。 有兩種特殊工況： 1、滿載制動，受到力為211N，作用在長側(cè)板上，壓強為0.0038mpa。 2、滿載轉(zhuǎn)彎，受到力為84.4N，作用在短側(cè)版上，壓強為0.00274mpa。 5.1.2 電池定位殼靜力分析 滿載制動

29、 位移云圖 應力云圖 最大位移：1.011mm 最大應力：38.9mpa 結果分析：在滿載制動時最大的應力（紅色）是38.9mpa，在許用應力范圍內(nèi)。 滿載轉(zhuǎn)彎 位移云圖 應力云圖 最大位移：1.001mm 最大應力：10.6mpa 結果分析：在滿載轉(zhuǎn)彎時最大的應力（紅色）是10.6mpa，在許用應力范圍內(nèi)。 電池定位殼分析綜述：電池塊殼體使用1mm鋼板完全滿足要求。 5.2 內(nèi)箱體 5.2.1 內(nèi)箱體有限元模型建立 內(nèi)箱體也選取空間板殼單元。在使用殼單元劃分網(wǎng)格之前，先進行幾何清理，簡化小尺寸結構比如圓角還有小孔等等。 由于在初始設計時，處于通風

30、散熱考慮，設計了很多通風孔和柵欄，所以電池內(nèi)箱體的輕量化設計重點放在優(yōu)化壁厚上，選擇符合許用應力范圍的壁厚，以及適當優(yōu)化內(nèi)箱體結構，以減小集中應力。 載荷以分布力施加于箱體的底面和側(cè)圍上，約束內(nèi)箱體與外箱體接觸的四角。內(nèi)箱體承受著電池的重量以及內(nèi)箱體自重。在初始設計中內(nèi)箱體的壁厚為10mm，在考慮具體載荷，定義鋼板厚度為分別為10mm、5mm、3mm，網(wǎng)格大小為5mm，根據(jù)靜力分析結果確定該種壁厚是否符合。 受到載荷： 重力有三種特殊工況： 1、顛簸工況，受到力為4817.68N，作用在底板上； 1、滿載制動，受到力為2408.84N，作用在長側(cè)板上； 2、滿載轉(zhuǎn)彎，受到力為963

31、.54N，作用在短側(cè)版上。 5.2.2 內(nèi)箱體靜力分析 （1） 壁厚為10mm時滿載制動： 位移云圖 應力云圖 最大位移：1.64mm 最大應力：26.2mpa 結果分析：在滿載制動時最大的應力（紅色）是26.2mpa，在許用應力范圍內(nèi)。 滿載轉(zhuǎn)彎 位移云圖 應力云圖 最大位移：1.15mm 最大應力：17mpa 結果分析：在滿載轉(zhuǎn)彎時最大的應力（紅色）是17mpa，在許用應力范圍內(nèi)。 顛簸工況 位移云圖 應力云圖 最大位移：1.2mpa 最大應力：24.5mpa 結果分析：在顛簸工況時最大的應力（紅色）是24.5mpa，在許用應力

32、范圍內(nèi)。 壁厚為10mm的內(nèi)箱體分析綜述：最大應力都遠小于許用應力，因此可以減小壁厚。 （2）壁厚為5mm時滿載制動 位移云圖 應力云圖 最大位移：5.8mm 最大應力：98.3mpa 結果分析：在滿載制動時最大的應力（紅色）是98.3mpa，在許用應力范圍內(nèi)。 滿載轉(zhuǎn)彎 位移云圖 應力云圖 最大位移：2.15mm 最大應力：65.8mpa 結果分析：在滿載轉(zhuǎn)彎時最大的應力（紅色）是65.8mpa，在許用應力范圍內(nèi)，且最大應力只發(fā)生在幾個點，這也可能是由于約束不當造成。 顛簸工況 位移云圖 應力云圖

33、 最大位移：3.14mm 最大應力：109.7mpa 結果分析：在顛簸工況時最大的應力（紅色）是109.7mpa，在許用應力范圍內(nèi)，且最大應力只發(fā)生在幾個點，這也可能是由于約束不當造成。 壁厚為5mm的內(nèi)箱體分析綜述：最大應力都遠小于許用應力，可以減小壁厚。 （3）壁厚為3mm 滿載制動 位移云圖 應力云圖 最大位移：23.1mm 最大應力：271.2mpa 結果分析：在滿載制動時最大的應力（紅色）是271.2mpa，逼近許用應力范圍極限。 滿載轉(zhuǎn)彎 位移云圖 應力云圖 最大位移：6.23 最大應力：180.1mpa 結果分析：在滿載轉(zhuǎn)

34、彎時最大的應力（紅色）是180.1mpa，在許用應力范圍內(nèi)。 顛簸工況 位移云圖 應力云圖 最大位移：10.7mm 最大應力：320.7mpa 結果分析：在顛簸工況時最大的應力（紅色）是320.7mpa，超出許用應力范圍，但最大應力只發(fā)生在幾個點，這也可能是由于約束不當造成。 壁厚為3mm的內(nèi)箱體分析綜述：最大應力有超出許用應力，不能繼續(xù)減小壁厚。但超出不多，可以嘗試減小孔以及使用圓角，減小集中應力。 以下是對3mm無空的內(nèi)箱體進行分析。 滿載制動 位移云圖 應力云圖 最大位移：21.1mm 最大應力：247.1mpa 結果分析：在滿載制

35、動時最大的應力（紅色）是247.1mpa，逼近許用應力范圍極限。 滿載轉(zhuǎn)彎 位移云圖 應力云圖 最大位移：6.07mm 最大應力：114mpa 結果分析：在滿載轉(zhuǎn)彎時最大的應力（紅色）是114mpa，在許用應力范圍內(nèi)。 顛簸工況 位移云圖 應力云圖 最大位移：9.8mm 最大應力：190.5mpa 結果分析：在顛簸工況時最大的應力（紅色）是190.5mpa，在許用應力范圍內(nèi)。 壁厚為3mm的無孔內(nèi)箱體分析綜述：最大應力在許用應力范圍內(nèi)，但電池箱需要通風散熱，無孔內(nèi)箱不符合設計要求，所以內(nèi)箱體減小通風孔尺寸以及各邊需要較大圓

36、角以避免應力集中。 5.3 外箱體 5.3.1 外箱體有限元模型建立 外箱體建模時選擇也是空間板殼單元，在網(wǎng)格劃分前先幾何清理。外箱體的輕量化設計重點放在優(yōu)化壁厚上，選擇符合許用應力范圍的壁厚，以及適當優(yōu)化外箱體結構，以減小集中應力。 載荷以分布力施加于箱體的底面和側(cè)圍上，約束箱體底板螺紋孔。電池內(nèi)箱體承受電池重量以及自重。在初始設計中內(nèi)箱體的壁厚為10mm，在考慮具體載荷，定義鋼板厚度為分別為10mm、5mm、3mm，網(wǎng)格大小為5mm，根據(jù)靜力分析結果確定該種壁厚是否符合。 受到載荷： 重力有三種特殊工況： 1、顛簸工況，受到力為6288.033N，作用在三角形

37、底板上； 1、滿載制動，受到力為3144N，作用在長側(cè)板上； 2、滿載轉(zhuǎn)彎，受到力為1257.607N，作用在短側(cè)版上。 5.3.2 外箱體靜力分析 （1）壁厚為10mm 滿載制動 位移云圖 應力云圖 最大位移：1mm 最大應力：31.3mpa 結果分析：在滿載制動時最大的應力（紅色）是31.3mpa，在許用應力范圍內(nèi)。但也是出現(xiàn)在幾個點。 滿載轉(zhuǎn)彎 位移云圖 應力云圖 最大位移：1.22mm 最大應力：44.6mpa 結果分析：在滿載轉(zhuǎn)彎時最大的應力（紅色）是44.6mpa，在許用應力范圍內(nèi)。 顛簸工況 位移云圖 應力云圖

38、 最大位移：1.11mm 最大應力：20.4mpa 結果分析：在顛簸工況時最大的應力（紅色）是31.3mpa，在許用應力范圍內(nèi)。 壁厚為10mm的外箱體分析綜述：最大應力在許用應力范圍內(nèi)，可以繼續(xù)減小壁厚。 （2）壁厚為5mm 滿載制動 位移云圖 應力云圖 最大位移：2.28mm 最大應力：96.1mpa 結果分析：在滿載制動時最大的應力（紅色）是96.1mpa，在許用應力范圍內(nèi)。 滿載轉(zhuǎn)彎 位移云圖 應力云圖 最大位移：2.71mm 最大應力：171.2mpa 結果分析：在滿載轉(zhuǎn)彎時最大的應力（紅色）是171.2mpa，在許用

39、應力范圍內(nèi)。 顛簸工況 位移云圖 應力云圖 最大位移：1.84mm 最大應力：76.6mpa 結果分析：在顛簸工況時最大的應力（紅色）是76.6mpa，在許用應力范圍內(nèi)。 壁厚為5mm的外箱體分析綜述：最大應力在許用應力范圍內(nèi)，可以繼續(xù)減小壁厚。 （3）壁厚為3mm 滿載制動 位移云圖 應力云圖 最大位移：12.4mm 最大應力：236.7mpa 結果分析：在滿載制動時最大的應力（紅色）是236.7mpa，接近許用應力范圍極限，最大應力主要產(chǎn)生于柵欄的應力集中。 滿載轉(zhuǎn)彎 位移云圖 應力云圖 最大位移：8.77mm

40、 最大應力：470.7mpa 結果分析：在滿載轉(zhuǎn)彎時最大的應力（紅色）是470.7mpa，超出許用應力范圍極限，但最大應力只發(fā)生在幾個點，這也可能是由于約束不當造成。 顛簸工況 位移云圖 應力云圖 最大位移：4.84mm 最大應力：216.3mpa 結果分析：在顛簸時最大的應力（紅色）是216.3mpa，接近許用應力范圍極限，但最大應力只發(fā)生在幾個點，這也可能是由于約束不當造成。 壁厚為3mm的外箱體分析綜述：最大應力超出許用應力范圍內(nèi)，不能繼續(xù)減小壁厚。建議使用3mm鋼板，保留空心槽。將底部的三角形面積加大并把側(cè)圍和底面的直角改為圓角。 6 車

41、架及電池箱輕量化設計改進 6.1車架輕量化改進 車架的重量對電動汽車的總體重量有很重要的影響，而有限元分析的結果密度分布函數(shù)也表明車架還存在優(yōu)化空間，輕量化設計主要目標是減少車架重量，但是不要忽略車架的強度要求以及剛度要求。 6.1.1車架拓撲優(yōu)化 對車架在靜態(tài)扭轉(zhuǎn)工況下的位移云圖和應力云圖看出，設計可以被優(yōu)化。拓撲優(yōu)化中將車架分為設計空間和非設計空間，四根橫桿為非設計空間，不會對其進行優(yōu)化。優(yōu)化空間的目標函數(shù)為體積最小，加上整體的應力約束以及點的位移約束。根據(jù)拓撲分析得到的圖來改進結構，用在密度函數(shù)值低的位置打孔等方法來優(yōu)化車架結構，圖2.1密度函數(shù)分布圖以及圖2.2閥值為0

42、.04的密度函數(shù)圖如下。 圖2.1 密度函數(shù)分布圖 圖2.2 閥值為0.04的密度函數(shù)圖 6.1.2車架輕量化設計及對比 優(yōu)化后圖見圖3.3。修改后的車架體積為77507182.13 ，比修改前的 79744560.31減少了2237378.18 ，根據(jù)車架的密度得到車架優(yōu)化后減輕了17.45 kg。下面還需要驗證優(yōu)化后的車架是否符合強度、剛度要求。 優(yōu)化后靜力分析結構 優(yōu)化后位移云圖 優(yōu)化后應力云圖 最大位移：48.5mm 最大應力：111.6mpa 結果分析，車架的最大應力仍在許用應力范圍內(nèi)，因此優(yōu)化的結構符合要求。 6.2電

43、池定位殼輕量化改進 6.2.1電池定位殼優(yōu)化思路 在初始設計中電池定位殼的壁厚為5mm，在考慮具體載荷后，5mm足以承載不同工況，且這種壁厚有較大浪費。因此定義鋼板厚度為1mm，網(wǎng)格大小為5mm，根據(jù)靜力分析結果確定該種輕量化是否符合。 6.2.2電池定位殼輕量化設計及對比 在電池定位殼壁厚為1mm，電池定位庫不受載荷，在滿載轉(zhuǎn)彎時最大的應力（紅色）是10.6mpa，在許用應力范圍內(nèi)。因此1mm鋼板完全滿足要求。修改后的電池定位殼體積為225036.55 ，比修改前的 1157982.75 減少了932946.2 ，根據(jù)其材料的密度得到電池定位殼優(yōu)化后減輕了7.28 kg

44、。 6.3內(nèi)箱體輕量化改進 6.3.1內(nèi)箱體優(yōu)化思路 在電池內(nèi)箱體的初始設計時，出于通風、散熱的考慮，設計了一些通風孔和柵欄，所以我將電池內(nèi)箱體的輕量化設計重點放在優(yōu)化壁厚上，選擇符合許用應力范圍的壁厚，以及適當優(yōu)化內(nèi)箱體結構，以減小集中應力。初始壁厚為10mm，在考慮具體載荷，定義鋼板厚度為分別為10mm、5mm、3mm，根據(jù)靜力分析結果確定該種壁厚是否符合。 6.3.2內(nèi)箱體輕量化設計及對比 當壁厚為10mm以及5mm時，最大應力均在許用應力范圍內(nèi)。而當壁厚為3mm時，有些最大應力超出了許用應力。我加分析了壁厚為3mm的無孔內(nèi)箱體，得到了最大應力在許用應力范

45、圍內(nèi)的結果。但電池箱需要通風散熱，無孔內(nèi)箱不符合設計要求，所以內(nèi)箱體減小通風孔尺寸以及各邊需要較大圓角以避免應力集中。在優(yōu)化后，重新對內(nèi)箱體的結構進行靜力分析，了解其是否符合強度要求。 優(yōu)化后滿載制動 位移云圖 應力云圖 最大位移：1.71mm 最大應力：238mpa 結果分析：在滿載制動時最大的應力（紅色）是238mpa，接近許用應力范圍極限，但最大應力只發(fā)生在幾個點，這也可能是由于約束不當造成。由圖可知最大應力淺藍色在106.3mpa以下，所以符合要求。 優(yōu)化后滿載轉(zhuǎn)彎 位移云圖 應力云圖 最大位移：17.7mm 最大應力：378m

46、pa 結果分析：在滿載轉(zhuǎn)彎時最大的應力（紅色）是378mpa，超過許用應力范圍極限，但最大應力只發(fā)生在幾個點，這也可能是由于約束不當造成。由圖可知最大應力淺綠色在204mpa以下，所以符合要求。 優(yōu)化后顛簸工況 位移云圖 應力云圖 最大位移：1.69mm 最大應力：260mpa 結果分析：在顛簸時最大的應力（紅色）是260mpa，接近許用應力范圍極限，但最大應力只發(fā)生在幾個點，這也可能是由于約束不當造成。由圖可知最大應力淺綠色在145mpa以下，所以符合要求。 因此內(nèi)箱體在壁厚使用3mm鋼板適當優(yōu)化結構后完全滿足要求見圖3.2。修改后的電池內(nèi)箱體體積為 338

47、5836.35 ，比修改前的 12067686.21 減少了 8681849.86，根據(jù)其材料的密度得到電池內(nèi)箱體優(yōu)化后減輕了 67.7 kg。 6.4外箱體輕量化改進 6.4.1外箱體優(yōu)化思路 由于初始設計已經(jīng)對外箱體設計了柵欄以及三角形底板，因此外箱體輕量化設計重點放在優(yōu)化壁厚上，選擇符合許用應力范圍的壁厚，以及適當優(yōu)化外箱體結構，以減小集中應力。在初始設計中外箱體的壁厚為10mm，在考慮具體載荷，定義鋼板厚度為分別為10mm、5mm、3mm，網(wǎng)格大小為5mm，根據(jù)靜力分析結果確定該種壁厚是否符合。 6.4.2外箱體輕量化設計及對比 當外箱體的壁厚為10m

48、m以及5mm時，最大應力均在許用應力范圍內(nèi)。而當壁厚為3mm時，有些最大應力超出了許用應力，因此不能繼續(xù)減小壁厚。建議使用3mm鋼板，保留偷輕槽。將底部的三角形面積加大并把側(cè)圍和底面的直角改為圓角。在優(yōu)化后，重新對內(nèi)箱體的結構進行靜力分析，了解其是否符合強度要求。 優(yōu)化后滿載制動 位移云圖 應力云圖 最大位移：4.9mm 最大應力：474mpa 結果分析：在滿載制動時最大的應力（紅色）是474mpa，超過許用應力范圍極限，但最大應力只發(fā)生在幾個點，這也可能是由于約束不當造成。由圖可知最大應力淺綠色在210mpa以下，所以符合要求。 優(yōu)化后滿載轉(zhuǎn)彎 位移云圖

49、 應力云圖 最大位移：14.7mm 最大應力：329mpa 結果分析：在滿載轉(zhuǎn)彎時最大的應力（紅色）是329mpa，超過許用應力范圍極限，但最大應力只發(fā)生在幾個點，這也可能是由于約束不當造成。由圖可知最大應力淺綠色在219.3mpa以下，所以符合要求。 優(yōu)化后顛簸工況 位移云圖 應力云圖 最大位移：2.86mm 最大應力：295mpa 結果分析：在顛簸時最大的應力（紅色）是295mpa，接近許用應力范圍極限，但最大應力只發(fā)生在幾個點，這也可能是由于約束不當造成。由圖可知最大應力淺綠色在131.2mpa以下，所以符合要求。 因此外箱體在壁厚使用3mm鋼

50、板適當優(yōu)化結構后完全滿足要求見圖3.3。修改后的電池外箱體體積為 2285926.85 ，比修改前的9395709.55 減少了 7109782.7，根據(jù)其材料的密度得到電池外箱體優(yōu)化后減輕了55.46 kg。 結論 首先按照已有的電池的尺寸建立電池箱的三維模型，為固定電池箱，配合其尺寸建立車架的三維模型。然后在有限元軟件hyperworks中建立了有限元模型，對車架、電池箱的電池定位殼、內(nèi)箱體、外箱體進行靜力分析，了解應力分布和位移狀況，針對不同的零件設計不同的適合的輕量化設計方法。對電池定位殼由于無承載，只有兩個工況，因此主要是優(yōu)化其壁厚。對電池內(nèi)箱體和外箱體，由于在初始設計

51、已經(jīng)考慮到減輕重量，設計了柵欄、圓孔以及三角底板，所以對電池內(nèi)箱體的輕量化設計重點在于優(yōu)化壁厚的同時對箱體結構進行優(yōu)化，以減小集中應力。最后仍舊需要在有限元軟件hyperworks中對改進模型的性能進行分析這樣的步驟。而車架，在初始設計時參考了邊梁式車架，這種結構有一些浪費材料。對車架進行改進主要是在有限元分析的基礎上進行拓撲優(yōu)化，并在修改車架后再次在有限元軟件hyperworks中再次對車架進行強度校核。 因此四個零件在優(yōu)化后的總裝配的體積為 86094751.02 ，比修改前的 111259720.78 減少了25164969.76 ，質(zhì)量約為196.29kg，減重22.6%。

52、 圖3.1 優(yōu)化后車架 圖3.2 優(yōu)化后內(nèi)箱體 圖3.3 優(yōu)化后外箱體 致謝 回想這次機械設計專業(yè)設計的過程，從最初接到課題的束手無策，到在老師的幫助下慢慢有了思路的摸索，以及學習新的分析軟件的茫然，到現(xiàn)在，出現(xiàn)了完整的三維模型圖，磕磕絆絆的完成了對車架和電池箱的靜力分析以及拓撲優(yōu)化，完成了全部二維圖的繪制，以及現(xiàn)在在寫著設計論文最后的致謝。 電池箱以及車架的設計，在之前我是沒有多接觸過的。而且輕量化設計也認為是基于已有設計后面進行的分析和改進。當我了解到初設設計也要自己完成的時候真的覺得任務重重。在初始設計中，因為缺乏汽車結構的基礎知識，很多都在寒

53、假文獻整理的過程中了解的，但這不免有考慮不周全的地方，車架的設計我選擇了邊梁式車架也是有這樣的原因，如果沒有導師和學長的督促指導，我都沒有信心做完設計。 早在設計課題公布之后，黃老師立即召開會議，對我的課題的大致方向予以指導，這在當下是不亞于海上燈塔的作用。無論是輕量化設計還是車架電池箱方面，我都是新手，但是老師仍非常細心，指導我搜集文獻資料，在中期答辯之后對我的不足予以指出，對三維圖的結構提出意見，以及在我懈怠時敦促我學習hyperworks軟件等等。在這里我真的要對老師表示感謝。 和我一起進行設計的學長和同學，我亦是萬分感謝，共同打氣，共同努力

54、，相互學習。我想這也設計想教會我們的，沒有什么課題都是自己百分百準備好的，需要不斷吸收新的知識，無論是理論還是軟件操作。我想學習機械設計的大家都不陌生，即使是相同軟件，也會更新，我們也需要更新。 在設計的進行過程中，我逐漸了解到大學四年所學習機械設計專業(yè)知識，軟件運用的基礎，那些才是我設計的奠基石，也是我獲得的最為寶貴的東西，機械設計萬變不離其宗，唯有打好基礎，我才能在機械設計的未來越走越遠。謝謝所有老師同學。 參考文獻 [1]濮良貴.紀名剛.機械設計[M].高等教育出版社，2006. [2]鄭文緯.吳克堅.機械原理[M].高等教育出版社，1982. [3]吳序堂

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