电动非承载式汽车车架作为电动汽车的重要部件，由于其在工作时承受了大部分整车部件的质量，因此车架将产生一定程度的弯曲与扭转变形。并且，来自不平路面的激励也将通过轮胎、减振器、钢板弹簧等部件传递到车架上。在车辆实际行驶过程中，车架所需的性能包括模态性能、刚度性能、强度性能和疲劳性能，这些性能对整车的安全性、操纵稳定性、舒适性和可靠性具有重要影响。因此，车架必须拥有良好的结构性能，其性能的好坏直接影响整车综合品质的优劣。本章将基于第 2章建立的有限元模型和多体动力学模型，完成对电动汽车车架各个性能的有限元分析。分析结论将为后续的电动汽车车架结构优化工作打下基础，电动汽车车架的各性能仿真值将为优化分析提供参考。注：本文节选自《新能源汽车车架设计 结构性能与多目标协同优化研究》，由机械工业出版社出版本书适用于对新能源汽车结构设计及优化技术感兴趣的读者，包括开发人员、设计人员、科研工作者等。本书还适用于有相关知识背景的从业人员。点击下方链接直播购买此书。
《新能源汽车车架设计 结构性能与多目标协同优化研究》目录
前言
第1章 绪论1
1.1 新能源汽车行业发展概述1
1.2 国内外相关研究现状4
1.2.1 车架优化研究5
1.2.2 车架性能研究6
1.2.3 多目标优化研究8
1.3 研究价值分析11
1.4 主要内容概述11
1.4.1 主要研究内容11
1.4.2 主要分析内容12
第2章 多体动力学模型的建立与验证13
2.1 整车多体动力学模型建立的理论基础13
2.2 基础车前悬架多体动力学模型建立与验证15
2.2.1 基础车前悬架多体动力学模型的建立15
2.2.2 基础车前悬架多体动力学模型的验证17
2.3 基础车后悬架多体动力学模型建立与验证20
2.3.1 基础车后悬架多体动力学模型的建立20
2.3.2 基础车后悬架多体动力学模型的验证21
2.4 基础车多体动力学模型建立与验证22
2.4.1 基础车车架柔性体的建立22
2.4.2 基础车多体动力学模型的建立28
2.4.3 基础车多体动力学模型的验证29
2.5 电动汽车多体动力学模型的建立32
2.5.1 电动汽车动力学模型的建立32
2.5.2 电动汽车强度载荷分解多体动力学模型的建立33
2.5.3 电动汽车疲劳载荷分解多体动力学模型的建立34
2.6 本章小结34
第3章 电动汽车车架结构性能的研究35
3.1 电动汽车车架模态性能分析35
3.2 电动汽车车架刚度性能分析与对比36
3.2.1 基础车车架弯曲刚度分析37
3.2.2 基础车车架扭转刚度分析38
3.2.3 电动汽车车架刚度性能分析40
3.3 电动汽车车架强度性能分析40
3.3.1 电动汽车车架强度载荷的获取40
3.3.2 电动汽车车架强度分析方法44
3.3.3 电动汽车车架静态工况强度分析48
3.3.4 电动汽车车架制动工况强度分析50
3.3.5 电动汽车车架上跳工况强度分析52
3.3.6 电动汽车车架转弯工况强度分析54
3.3.7 电动汽车车架转弯制动工况强度分析56
3.3.8 电动汽车车架后制动工况强度分析58
3.3.9 电动汽车车架车轮上抬工况强度分析60
3.4 电动汽车车架路谱疲劳性能分析62
3.4.1 疲劳累计损失理论62
3.4.2 疲劳分析方法63
3.4.3 材料疲劳参数的确定63
3.4.4 道路谱载荷的采集67
3.4.5 疲劳载荷循环次数的确定73
3.4.6 电动汽车车架疲劳载荷的获取78
3.4.7 电动汽车车架疲劳性能的分析81
3.5 本章小结82
第4章 电动汽车车架多目标优化83
4.1 电动汽车车架参数化建模84
4.1.1 网格变形技术84
4.1.2 参数化模型的建立84
4.2 电动汽车车架多目标优化91
4.2.1 试验设计方法91
4.2.2 设计变量的选择分析94
4.2.3 优化问题的定义101
4.2.4 近似模型的建立方法102
4.2.5 近似模型的误差分析105
4.2.6 多目标优化分析108
4.3 电动汽车车架优化前后性能对比分析111
4.3.1 模态性能对比分析111
4.3.2 刚度性能对比分析112
4.3.3 强度性能对比分析113
4.3.4 疲劳性能对比分析116
4.3.5 质量属性对比分析117
4.4 本章小结118
第5章 电动汽车车架试验验证119
5.1 车架台架试验验证119
5.1.1 模态试验119
5.1.2 刚度试验120
5.2 整车道路耐久试验验证123
5.2.1 试验准备123
5.2.2 试验方法123
5.2.3 试验结果125
5.3 本章小结127
第6章 总结与展望128
6.1 总结128
6.2 主要研究价值129
6.3 研究成果的拓展129
6.4 未来技术发展分析130
6.4.1 模块化车架的设计130
6.4.2 新材料的应用130
6.4.3 新技术的融合131
参考文献133
3.2 电动汽车车架刚度性能分析与对比
当车辆行驶在颠簸的路面上时，车架将会受到负载产生的垂向力而使其处于弯曲变形状态，其弯曲刚度性能即为车架抵抗垂向弯曲变形的能力。车架的弯曲刚度性能越强，其抗弯曲能力越高，车辆的平顺性就越好。当车辆行驶在凹凸不平的路面上时，车架将会处于扭转变形状态，其扭转刚度性能即为车架抵抗绕纵向扭转变形的能力。车架的扭转刚度性能越强，其抗扭能力越高，车辆的操纵稳定性越好。因此，基于车架有限元模型，对车架刚度进行分析十分重要。但对于车架刚度性能的评判目前没有统一的标准，行业内通常采用的评价方式是以基础车或标杆车车架刚度为参照进行对比。由于本书所使用的基础车已取得较好的销量，因此本书选择该基础车车架作为参照比对。
3.2.1 基础车车架弯曲刚度分析
基础车车架弯曲刚度有限元分析的边界与约束条件如图 3-2所示，约束其左侧前悬架弹簧支座 Y、Z方向的平动自由度和右侧前悬架弹簧支座 Z方向的平动自由度，约束左侧后钢板弹簧支座中心投影到车架纵梁左侧 X、Y、Z方向的平动自由度及其右侧后钢板弹簧支座中心投影到车架纵梁左侧 X、Z方向的自动自由度。在前减振器支座与后弹簧支座的 X向中点所对应左 / 右纵梁处 46mm（与后续试验的工装件长度相当）乘以车架宽度的区域，左 / 右侧分别施加垂向载荷 2224N，使车架既能产生足够的刚度变形，又不至于因载荷过大而产生塑性变形。在对车架弯曲刚度进行仿真分析时所施加的约束边界和加载方式，应与后续试验载荷边界保持一致。该方法能使弯曲刚度分析具有较高的准确性与合理性。
图 3-2车架弯曲刚度约束加载示意图
在车架弯曲刚度仿真分析中，对仿真分析结果进行后处理计算时，以车架纵梁加载力正对纵梁下沿点为中心检测点，沿着 X方向向前每隔 60mm取 4个点，沿着 X方向向后每隔 60mm取 3个点，一共取 8个点作为检测点，如图 3-3所示。计算时分别取左右侧 8个点位移最大值作为车架侧纵梁的位移值，然后根据左右侧的位移，计算力作用下车架产生的平均位移，再根据式（3-1），计算车架的弯曲刚度。
图 3-3车架弯曲刚度仿真分析检测点示意图
式中，Kb为车架弯曲刚度；F为作用于车架纵梁的力；d为车架左右侧纵梁检测点的最大垂向位移平均值。
基于上述边界条件，利用 Nastran求解器对基础车车架的弯曲变形进行仿真分析，分析结果如图 3-4所示。
图 3-4基础车车架弯曲变形仿真分析结果图
对仿真分析结果后处理，得到车架纵梁的 Z向位移平均值为 1.09mm，通过式（3-1）对基础车车架进行弯曲刚度计算，其弯曲刚度仿真值为 4080.7N/mm。
3.2.2 基础车车架扭转刚度分析
车架刚度分析边界及载荷施加如图 3-5所示。约束第一横梁中心 Z向平动自由度，约束左侧后钢板弹簧支座中心投影到车架纵梁左侧 X、Y、Z方向的平动自由度及其右侧后钢板弹簧支座中心投影到车架纵梁左侧 X、Z方向的自动自由度。在前左 / 右减振器支座处施加 Z向大小相等，方向相反的力，保证施加的力乘以两点之间的距离所得的力矩等于 3389.54N·m。所施加的力应保证使车架能够产生一定的扭转变形，而不至于由于扭转过小导致后续读取数据产生较大的误差，力矩应与后续试验所加载的力矩一致，以利于后续仿真分析结果与试验测试的对标。
图 3-5基础车车架扭转刚度约束加载示意图
在对车架扭转刚度仿真分析结果进行后处理计算时，取前减振器对应纵梁下沿中心点产生的垂向位移，以及后钢板弹簧前后支座中心所对应纵梁下沿中心点产生的垂向位移为检测点，检测点位置如图 3-6所示。
图 3-6车架扭转刚度仿真分析结果检测点示意图
式中，Kt为车架的扭转刚度；φt为车架的扭转角；T为作用于车架前减振器中心的力矩；Z1为前左减振器支座中心对应的左侧纵梁下沿中心处的Z向位移；Z2为前右减振器支座中心对应的右侧纵梁下沿中心处的Z向位移；Z3为后左钢板弹簧中心对应的后纵梁下沿中心处的Z向位移； Z4为后右钢板弹簧中心对应的后纵梁下沿中心处的Z向位移；Y1为前左/右减振器支座中心对 应的前纵梁处的 Y向距离；Y2为后左 / 右钢板弹簧中心对应的后纵梁处的 Y向距离。
基于上述边界条件，利用 Nastran求解器对基础车车架的扭转刚度进行仿真分析，分析结果如图 3-7所示。
图 3-7基础车车架扭转刚度仿真分析结果图
对结果进行后处理后，得到 Z1为 5.84mm，Z2为5.82mm，Z3为 0.126mm，Z4为0.125mm，Y1为 767.87mm，Y2为 1061.026mm，利用式（3-2）即可计算出基础车车架的扭转刚度为226.67kN·m/rad。
3.2.3 电动汽车车架刚度性能分析
电动汽车车架的弯曲、扭转刚度分析的约束边界、载荷施加均与基础车车架刚度分析工况一致。基于电动汽车车架有限元模型，求解后得到的电动汽车车架弯曲刚度位移云图如图 3-8所示，电动汽车车架扭转刚度位移云图如图 3-9所示。电动汽车车架弯曲、扭转刚度后处理选取检测点的方法及计算方法同前述基础车车架的方法一致。通过式（3-1）和（3-2），计算得到电动汽车车架的弯曲刚度为 3706.6N/mm，相对于基础车车架弯曲刚度下降了 9.1%，电动汽车扭转刚度为 207.71kN·m/rad，相对于基础车车架扭转刚度，电动汽车车架扭转刚度下降了8.36%。与基础车车架刚度相比，电动汽车车架的弯曲、扭转刚度下降均在 10% 以内，电动汽车车架刚度性能下降较小，在可接受范围之内。
图3-8 电动汽车车架弯曲刚度位移云图
图3-9电动汽车车架扭转刚度位移云图
内容简介：本书以新能源汽车产业发展状况为背景，总结新能源汽车开发过程中存在的问题，并以车架结构性能为分析目标，层层递进引入研究相关的理论基础、技术方案、设计方法及其发展趋势。具体来说，本书根据产品开发流程介绍了新能源汽车的发展背景、相关的软件、硬件及算法基础。在此基础上，本书沿着新能源汽车开发的技术路线，结合多体动力学与有限元法，重点介绍了车架的载荷获取方法以及结构性能分析方法，并基于车架结构性能的分析，对车架多性能匹配的优化策略进行研究，建立了适用于电动汽车车架的多目标优化方法及流程，为电动汽车车架的开发提供技术支持和理论依据。另外，本书还介绍了上述开发及测试所用的工具及操作流程，帮助读者进行实践。最后，本书展望了新能源汽车技术未来的发展趋势以及需要解决的问题。
本书适用于对新能源汽车结构设计及优化技术感兴趣的读者，包括开发人员、设计人员、科研工作者等。本书还适用于有相关知识背景的从业人员。
作者简介
余祯琦：博士、高级工程师、九三学社社员。以第一作者发表SCI论文1篇，EI论文3篇，以第一发明人授权发明专利2项，参与完成国家自然科学基金1项，参与完成多项企业乘、商用车型开发，获得中国数字仿真科技卓越应用奖1项、企业科技进步二等奖2项、三等奖1项、科技创新大赛优胜奖1项、优秀创新团队称号1次。
本书由机械工业出版社出版，本文经出版方授权发布。
来源：汽车测试网
