（机械设计及理论专业论文）微型电动轿车车身结构有限元分析.pdf

摘要 随着世界油价的不断攀升，全球环境污染的日益严峻，传统燃油汽车的发展已经日 薄西山。而电动汽车将是替代燃油汽车的最佳选择之一。对于承载式电动汽车，由于整 车结构和布置方式与燃油车有很大不同，因此作为关键组件的车身骨架结构性能好坏， 对微型电动汽车的性能和使用寿命起着决定性作用。现在车身结构设计分析趋势是广泛 采用c a e 技术。采用将c a e 技术对电动汽车车身的结构分析，不仅可以验证车身结构是 否能够满足强度和刚度要求，而且还可以进行结构优化和轻量化。目前各种大型有限元 软件，如a n s y s 、n a s t r a n 等被广泛应用于车身结构的静动态特性分析、模态分析和结构 优化设计等领域。 有限元法在汽车领域的应用已经显示出其优点，与传统的设计方法不同，该方法可 以在概念设计阶段实现设计与分析并行，既缩短了设计周期又降低了开发成本，是一种 十分高效工程分析方法。实践证明，利用有限元法对车身骨架结构进行分析是十分有效 和必要的。通过对车身结构静动态的分析，对其进行评价，分析其强度、刚度、固有频率 和相应的振型，得出车身的应力分布情况和变形情况，为后续工作奠定基础。 本文以某款a o 级微型电动轿车为例，首先利用u g 软件建立了车身骨架结构数学模 型，然后将其导入h y p e r m e s h 软件中，建立有限元模型。在有限元模型建立过程中，进 行了边界条件处理与简化，以及作用在骨架结构上载荷的处理方法。结合该车在实际运 行中的典型工况，进行了空载弯曲工况、满载弯曲工况、左转弯工况和紧急制动工况的 计算分析。通过分析找出车身结构的薄弱环节。分析发现该车车身骨架局部区域强度和 刚度不够，在左转弯和紧急制动工况下局部区域应力集中点，需要对车身骨架局部区域 改进。并对该车车身骨架进行了模态分析，计算了其前十四阶自由振动模态，获得了车身 骨架的固有频率及相应的振型。分析结果表明，该微型电动汽车的振动频率符合该类型 汽车的使用标准。本文所进行的工作为后续的改进设计工作奠定理论基础，用于指导微 型电动轿车的设计改进和性能评价。 关键词：电动汽车车身结构有限元 a b s t r a c t e l e c t r i cv e h i c l eb e c o m em o r ea n dm o r ep o p u l a ri nt h e21c e n t u r y , a l o n gw i t hi n c r e a s i n g s h o r t a g eo fe n e r g ys o u r c ea n de n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n 。n l eb o d yf r a m ea n dl a y o u to fe l e c t r i c v e h i c l ea r ed i f f e r e n tf r o mt r a d i t i o n a lv e h i c l e t h em i n ie v sb o d yf l a m eb e a r st h ew e i g h ta n d l o a d s ，s oi t sc o r r e l a t i v ew i t ht h eb o d yl i f ea n dp e r f o r m a n c e t h ec a em e t h o dh a sb e e n w i d e l yu s e dd u r i n gt h e s ey e a r s ，w h i c hb e c o m et h et r e n do fv e h i c l ed e s i g na n da n a l y s i s t h ef e m ( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) i su s e dt oa n a l y z et h ee l e c t r i cv e h i c l eb o d yf r a n e , n o t o n l yt os a t i s f yt h eb o d y sr e q u e s t si ni n t e n s i t ya n ds t i f f n e s s ，b u ta l s ot or e d u c et h ew e i g h to f b o d y s o m ef e m s o f t w a r es u c ha sa n s y s ，n a s t r a na n ds oo n , a r ea p p l i e di nt h ec a e a n a l y s i s i th a sb e e np r o v e dt h a tf e m i nv e h i c l eb o d yf r a m ea n a l y s i si se f f i c i e n t ，w h i c hc a n p r e c e d et h eb e a r i n gc a p a b i l i t ya n dv i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c , a n dr e c o g n i z et h es t i f f n e s s ， i n t e n s i t ya n di n h e r e n c ev i b r a t i o nm o d e l s t h ep o s s i b l es t r e s sa n dd i s t o r t i o no f t h eb o d yf r a m e c a nb ec a l c u l a t e db yt h i sm e t h o d t h ef e ah a ss h o w ni t sa d v a n t a g e si nt h ea p p l i c a t i o ni n a u t oi n d u s t r i e sw h i c hh a sa l r e a d yd e m o n s t r a t e di t sm e r i ti nt h ea u t o m o b i l ed o m a i n , a n di t s d i f f e r e n tf r o mt h et r a d i t i o n a ld e s i g nm e t h o d ，i tc a r ls y n c h r o n o u s l yr e a l i z ed e s i g na n da n a l y s i s i nt h ec o n c e p t u a ld e s i g ns t a g ea n di tc a ni m p r o v ee f f i c i e n c ya n dr e d u c ec o s t i nt h et h e s i s ，at y p ea 0m i n ie l e c t r i cv e h i c l ew a st a k e na sa ne x a m p l e ，f i r s t l yag e o m e t r y m o d e lo ft h eb o d yf r a m ew a se s t a b l i s h e db yu s i n g t h es o f t w a r eu g t h e nt h ef m i t ee l e m e n t m o d e lf o ri n t e n s i 够a n a l y s i sw a ss e t u pa n ds i m p l i f i e db yt h es o f t w a r eh y p e r m e s h t h ef e a m o d e la l s oi n v o l v e st r e a t m e n t so fb o u n d a r yc o n d i t i o n s ，s i m p l i f i e dt r e a t m e n to fs o m e p a r t sa n d d e a l s 、 ，i mt h ef i x e dw e i g h ta n dl o a d so nt h ef r a m e i nt h i st h e s i st h ee m u l a t i o nb o d yf r a m ea n d s t a t i c - d y n a m i cp e r f o r m a n c eo f a m i n ie l e c t r i cv e h i c l ew a sc a l c u l a t e d 、析t l lf e am e t h o d s e c o n d l y ，i nt h i st h e s i st h ec o n f i g u r a t i o no ft h ec h a s s i sa n dt h ee s t a b l i s h m e n tm e t h o do f t h e f i n i t ee l e m e n tm o d e la n dt h ed i g e s t i o no fb o d yf r a m ea r ei n t r o d u c e d t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l o f t h ev e h i c l ew a se s t a b l i s h e dw i t ht h eb e a m - s h e l lm i x e de l e m e n t , t h es h e l ie l e m e n tw a su s e dt o a n a l y z et h ec h a s s i sm o d e l ，a n dt h eb e a me l e m e n tw a su s e dt oa n a l y z et h eo t h e rp a r t so fb o d y f l a m e t h i r d l y ，t h es t a t i cp e r f o r m a n c ea n a l y s i so fb o d yf r a m ew a sc o m p l e t e d i nt h i st h e s i sf o u r s i t u a t i o n so fs t r e s sa n dd i s t o r t i o no fb o d yf r a m ew e r ea n a l y z e d , t h es i t u a t i o n si n c l u d es t a t i c b e n d i n g ，s t a t i ct o r s i o n ，e m e r g e n c yb r a k i n ga n dl e r t u r n i n g t h e nt h ef r e ev i b r a t i o nm o d e s o f t h eb o d vf r a m ew e r ec a l c u l a t e da n da n a l y z e d r n l ea n a l y s i sr e s u l ts h o w st h a tt h es t i f f n e s sa n d i n t e n s i t yo fe l e c t r i cv e h i c l eb o d yf l a m ec a nn o tm e e ts t a n d a r d ，s o m eo f s t r u c t u r em u s tb e r e f i n e d a n dt h es t r e s sd i s t r i b u t i o ni su n r e a s o n a b l ei ns o m ea r e a s n l em o d i f i c a t i o nw i l ib e c a r r i e do u ti nt h ef u t u r eb a s e do nt h ea n a l y s i sr e s u l t s ，n l en a t u r a lf r e q u e n c yw a sc a l c u l a t e d ， t h e r e f o r e ，t h eb o d yf r a m ep a r a m e t e rm o d e li n d i c a t e dt h a tt h ee n t i r ev e h i c l eo p e r a t i o n a l p e r f o r m a n c es a t i s f i e st h eo p e r a t i o nr e q u i r e m e n t s t h u si tc a l lb es e e n , a l lt h ea n a l y s i si nt h i s a r t i c l ei n d i c a t e st h a tf em o d e lo fm i n i e vi sr e a s o n o b l e ，t h er e s u l t sa l ec o r r e c t ，w h i c hc a l lb e u s e di n t h ei m p r o v e m e n ta n dt h ep e r f o r m a n c ee v a l u a t i o nw h i c hi n s t r u c t st h ee l e c t r i c a u t o m o b i l et od e s i g n k e yw o r d s ：e l e c t r i cv e h i c l e ，b o d yf r a m e ，f e m 插图清单 图3 1 车身骨架u g 模型1 7 图3 2 车架u g 模型1 8 图3 3 原车身骨架u g 模型1 8 图3 4 改进车身骨架u g 模型1 9 图3 5 局部模型简化前后对比“：1 9 图3 - 6 简化后的车身骨架u g 模型图2 0 图3 7 车身骨架有限元模型2 2 图4 - 1 车架约束施加位置2 6 图4 2 空载状态下骨架弯曲变形应力图2 6 图4 3 空载状态下骨架弯曲变形图2 7 图4 - 4 满载状态下骨架弯曲变形应力图2 8 图4 5 满载状态下骨架弯曲变形图1 2 9 图4 6 满载状态下骨架弯曲变形图2 2 9 图4 7 扭转工况下应力图3 l 图4 8 扭转工况下车架最大应力处3 1 图4 9 扭转工况下车身骨架最大应力处3 2 图4 1 0 扭转工况下车身骨架变形图3 2 图4 。1 1 扭转工况下车身骨架最大位移处3 3 图4 1 2 左转弯工况下车身骨架应力图3 4 图4 1 3 左转弯工况下车身骨架变形图3 5 图4 1 4 紧急制动工况下车身骨架应力图3 6 图4 1 5 紧急制动工况下车身骨架变形图3 7 图5 1 第一阶模态4 2 图5 - 2 第二阶模态4 2 图5 3 第三阶模态4 3 图5 - 4 第四阶模态j 4 3 图5 5 第五阶模态4 3 图5 - 6 第六阶模态4 4 图5 7 第七阶模态4 4 图5 8 第八阶模态4 4 图5 9 第九阶模态4 5 图5 1 0 第十阶模态4 5 图5 1 1 第十一阶模态：4 5 图5 1 2 第十二阶模态4 6 图5 1 3 第十三阶模态4 6 图5 1 4 第十四阶模态4 6 附表清单 表4 - l 空载弯曲工况下车身结构中关键部位的应力和位移2 7 表4 _ 2 满载弯曲工况下车身骨架中关键部位的应力和位移3 0 表4 - 3 扭转工况下车身骨架中关键部位的应力和位移3 3 表4 4 左转弯工况下车身骨架中关键部位的应力和位移3 5 表4 - 5 紧急制动工况下车身骨架中关键部位的应力和位移3 7 表5 1 微型电动轿车车身结构模态计算结果4 l v i i 独创性声明 本人声明所呈的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得安徽农业大 学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名 签字日期：加释 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解安徽农业大学有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文件，允 许论文被查阅和借阅。本人授权安徽农业大学可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，收录到中国学位论文全文数据库，可 以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文，向社会公众提 供信息服务。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 。 学位论文作者签名：组 签字日期：弘彤扩年厂月殷日 指导教师签名： 签字目期：矽 学位论文作者毕业后去向： 缸童理乏么差： 工作单位： 通信地址： 电话： 邮编： 1引言 1 1 研究背景 进入2 1 世纪，我国汽车工业迅速发展，汽车产量每年以超过1 0 0 万辆速度增长， 已经成为世界第三大汽车制造国和第二大汽车销售国。按照我国的经济发展速度和国土 面积与人口总量预测，到2 0 3 0 年，我国的汽车保有量的低限预测( 按照目前世界平均 水平估计) ，将超过1 亿辆，中国将真正进入汽车社会。然而，汽车工业的发展必然面 对来自环境和能源方面日益严峻的双重挑战。目前，我国已经面临石油资源严重短缺的 局面，石油对外的依存度接近5 0 ，石油问题已经不仅仅是狭义的能源问题，而是上升 到国家能源安全的高度。此外，汽车工业的发展必然受到环境容量的限制，汽车尾气排 放已经成为我国大气污染的重要来源，而二氧化碳排放问题已经成为到国际政治问题。 因此，我国汽车工业的发展将不得不选择一条能源多样化、节能、环保的技术路线，而 发展电动汽车是国家支持的，符合可持续发展的战略。我们应该抓住历史机遇，尽快把 纯电动汽车推向市场，发挥其商业价值【1 1 。 从2 0 0 1 年起，中国就已将电动汽车研究开发列入了“十五”国家8 6 3 计划重大专项。 “十一五”期间，国家科技部将电动汽车和清洁替代燃料汽车项目合并，设立“十一 五“8 6 3 ”节能与新能源汽车重大项目，计划投入1 1 亿元，支持电动汽车和清洁替代燃 料汽车的关键技术研发和整车产品开发。电动汽车项目的总体格局为以动力系统技术平 台为核心的关键技术研发和整车产品开发。同时，还设立了以整车单位牵头、关键零部 件单位参与的“新型整车研发”项目。我国在电动汽车的研发方面，已经取得了重大的进 展，国内各大汽车厂商都投入大量资金进行电动汽车的研发，纯电动汽车的技术已经日 益成熟。本课题的项目来源是清源电动汽车有限公司车项目，旨在开发一款a 0 级微型 电动轿车。 1 2 研究现状 1 2 1 国外研究现状纠1 美国汽车年产量超过1 0 0 0 万辆，汽车的保有量超过2 亿辆以上。汽车工业是美国 的支柱产业，在给美国带来繁荣昌盛的同时，也带来了能源危机、环境污染以及资源的 浪费。近年来，美国从国外进i ：1 石油约占其全国诮耗量的一半以上。1 9 7 3 年因争夺石 油资源而爆发的中东战争，引起了世界性的石油危机，导致美国、欧洲和日本等一些依 赖进口石油的国家，在国家安全和国民经济上受到了石油危机的威胁。为了避免再次受 到石油危机的冲击，各个国家开始重视对电动汽车的研究和开发u j 。 美国有丰富的电力资源，有强大的电力网络。为了适应经济建设的发展和社会发展 的需要，美国投入了大量的人力和物力，研制开发各种型式的电动汽车。 1 9 7 6 年7 月，美国国会通过电动汽车和复合汽车的研究开发和样车试用法令， 以立法的形式、政府资助和财政补贴等手段加速发展电动汽车。1 9 9 0 年，加里福尼亚 州在对防止大气污染而制定的限制法规中规定：到1 9 9 8 年，“零污染”汽车的销售比例 要占新车销售额的2 ：到2 0 0 0 年，“零污染”汽车销售的比例要占新车销售额的5 ； 到2 0 0 3 年，“零污染”汽车销售的比例要占新车销售额的1 0 。这一法规的出台，引起 了世界汽车工业和环保界的震动。随后，美国东部的1 0 个州也都通过了相应的法规。 法规的强化推行，促进了电动车小批量、商业化生产和实践应用的进程。此后，美国还 出台了一系列鼓励电动汽车发展的政策。在这些因素的推动下，美国电动汽车产业化进 程有了较快的发展。 1 9 9 1 年，美国通用汽车公司、福特汽车公司和克莱斯勒汽车公司共同协议，成立 了“先进电池联合体 ( u s a b c ) ，共同研究开发新一代电动汽车所需要的高能电池。1 9 9 1 年1 0 月u s a b c 与美国能源部签订协议，在1 9 9 1 m 1 9 9 5 年4 年间投资2 2 6 亿美元来 资助电动汽车用高能电池的研究。1 9 9 1 年l o 月美国电力研究院( e v a 1 ) 也参加了先进电 池联合体来参与高能电池与电动汽车的开发，主要有镍氢、钠硫、铿聚合物和铿离 子等高能电池。其中镍氢、铿聚合物和铿离子电池将投入商业化生产。美国通用汽车 公司还在底特律建成e v l ( 纯电动汽车) 电动轿车总装线，每天生产l o 辆电动轿车。 美国电动汽车的研究和开发，得到了美国政府的支持，投入了大量的资金和科研力 量，使资金来源有了可靠的保证，在应用现代技术上得到了广泛的支持。在美国，三大 汽车公司相互协商，共同促进电动汽车的开发和研究。该国以三大汽车公司为主导，利 用大汽车公司雄厚的技术开发力量和先进制造条件，开发出不同特点的电动汽车。同时， 还充分利用汽车、机电、电子、控制和材料等行业的优势，分工开发电动汽车的各种总 成和技术单元，也使电动汽车得以迅速发展和不断改进提高。 法国是一个缺少石油的国家每年要从国外进口大量石油。石油制品的价格很高，约 是美国的4 倍，法国大气的污染源主要来自汽车的排放。因此，法国是全世界最积极研 制和推广电动汽车的国家之一。 法国电力供应充沛且多用核能发电和水力发电，发电源干净、电价便宜，汽车工业 发达。法国有丰富的电力资源，核发电站的电力占全国总电力的7 5 ；水力发电站的电 力占全国总电力1 5 。电力的价格也较便宜。法国政府鼓励开发电动汽车和充分利用电 力资源，在政策上给予支持，为开发电动汽车提供资助。 法国政府、法国电力公司、标致一雪铁龙汽车公司和雷诺汽车公司签属协议，共同 承担开发和推广电动汽车，共同合资组建了电动汽车的电池公司，萨夫特( s a f t ) 公司承 担电动汽车的高能电池的研究和开发，以及电池的租赁和维修等工作。在拉一罗切里市 试验推广电动汽车的使用，投入了5 0 辆小型4 座电动客车，建立了9 个普通充电站和 3 个快速充电站，进行两年的使用试验，法国政府还计划在巴黎等城市推广使用电动汽 2 车。在法国政府出台了各种优惠政策保障电动汽车的发展的大力推动下，2 0 世纪9 0 年 代以来，法国电动汽车得到了迅速的发展。 1 9 9 0 年法国标致一雪铁龙汽车公司所开发的j 二5 和c 2 5 电动载货汽车投入生产。 1 9 9 5 年法国能源部、标致雪铁龙汽车公司开发了标致一1 0 6 和s a x o 型4 座电动轿 车，用雪铁龙- a x 型轿车改装了电动轿车；雷诺汽车公司研制了c l i o 型4 座电动轿车 及其变型车等，并投放在罗切里市进行试验。1 9 9 7 年法国的电动汽车产量达到二干辆 左右。 不仅如此，法国政府非常鼓励使用电动汽车，使法国电动汽车的发展位居世界前列。 4 年前，法国政府电力公司与汽车制造商签订了协议，使全国电动汽车保有量达到1 0 万辆，在2 0 个城市推广使用电动汽车。目前，法国已有十余个城市运行电动汽车且有 比较完善的充电站等服务设施，政府机关带头使用电动汽车。 法国在电池、电子控制和电机技术等电动汽车技术方面列世界前茅，因此，为其发 展电动汽车有了技术上的保障。2 0 世纪9 0 年代以来，法国汽车制造商已经研制出多种 电动汽车，例如雷诺汽车公司研制了一种名字叫做“z o o n 的可变轴距微型电动汽车，曾 经轰动一时。 法国政府为了鼓励用户使用电动汽车，还采用了“企业购买电动汽车在第1 年可以 免税”的措施。同时，电动汽车生产厂家每生产1 辆电动汽车，法国电力公司将提供l 万法郎的补助，以扩大电力使用范围。目前，法国电动汽车的普及程度和保有量都位居 世界前列。近年来还在进行“p r e d i t i i i 2 0 0 2 2 0 0 6 计划”电动汽车研究计划 t p r e d i t i i i i 2 0 0 2 2 0 0 6 ”除了对电动汽车的研究、开发进行大力支持外，还实施对电动 汽车购买的财政鼓励措施。 德国政府十分重视环境保护，投入大量资金用于电动汽车的研制。1 9 7 1 年，成立 了城市电动车交通公司，积极组织电动车的研究与开发。1 9 9 1 年，在拜尔州投入了3 0 0 辆电动汽车进行运行。拜尔州还拨4 0 0 万马克，购买电动汽车的消费者可以得到车价 3 0 的资助。另外，汉堡市也采取了资助用户车价的2 5 ，用来鼓励用户购买电动汽车 的措施。 德国政府指定奔驰汽车公司和大众合资建立了德国汽车工业有限公司的科技开发 机构。1 9 9 2 年德国政府拨款2 2 0 0 万马克，在吕根岛建立欧洲电动汽车试验基地，组织 ” 了四大公司6 2 辆各类电动车在吕根半岛城运行试验，对6 4 辆电动汽车和电动汽车的系 统工程进行了长达4 年的大规模试验，并且有很多国家和城市也都有电动汽车参加了吕 根岛的试验。1 9 9 4 年展示出了1 9 种轿车，1 3 种面包车，4 种大客车，都进入了实用阶 段。 2 0 世纪7 0 年代末期，德国戴姆勒一奔驰汽车公司生产了一批l e 3 0 6 电动汽车，采 用铅酸电池。电压1 8 0 v ，容量1 8 0 a h ，铅酸电池质量为1 0 0 0 k g 。有它激直流电动机， 电动机最高转速为6 0 0 0 r m i n 。有效载荷为1 4 5 0 k g ，总质量为4 4 0 0 k g 。最高时速为5 0 k m 3 h ，最大爬坡度为1 6 ，原地起步加速到5 0 k i n h 的时间为1 4 s ，续驶里程可达1 2 0 k m 。 2 0 世纪8 0 年代初期，德国奔驰汽车公司生产了电动大客车和商用电动汽车，该公司还 宣布要投资4 7 亿美元研究开发燃料电池，计划2 0 0 5 年实现产业化。欧宝公司在1 9 7 2 年开始研制新型电动汽车。1 9 8 1 年与b b c 公司( 现在的a b b 公司) 合作研制了电动轿车。 英国是当今世界生产电动汽车较先进和使用最广泛的国家，使用历史已有5 0 年之 久，上个世纪8 0 年代中期英国就有1 2 万辆电动汽车在运行，目前全国已拥有4 0 万辆 电动汽车。英国政府投资二千多万英镑支持电动汽车的开发，实行多项优惠政策给使用 者，例如免收牌照税、养路费，夜间充电只收1 2 的电费等。英国国际汽车设计公司 从1 9 7 9 年开始研制电动汽车，卢卡斯、贝德福电动送货车及轿车。1 9 9 1 年克罗德里蓄 电池公司投资建立电动汽车生产集团，研制成m o l c 3 型混合瓶动电动汽车，行程 1 3 0 k m 。 加拿大m o s t ( m o v i n g o ns u s t a i n a b l et r a n s p o r t a t i o n ) 计划。该计划由加拿大交通基金 提供资金支持，来帮助政府部门进行可持续发展计划，其中包括发展电动车计划。第一 阶段在1 9 9 9 - 、, 2 0 0 0 年完成，但应需求，项目持续到2 0 0 7 年，将有2 5 0 万美元分5 年注 入该项目。 瑞士为了防止环境污染，要求在旅游区只能使用电动汽车，它是欧洲电动汽车使用 效益最高的国家之一。瑞士布赫尔轻型结构公司从1 9 8 5 1 9 9 1 年生产了1 1 辆短笛微型 电动汽车。 瑞典的v o l v o 汽车工业公司、意大利的菲亚特公司、瑞士的荷拉奇和埃苏拉公司 等，都不借投入巨额资金，研究开发新一代电动汽车，并力争早日实现产业化。 意大利为了降低空气污染，上世纪8 0 年代末建立了电动汽车车队，共投入5 2 辆电 动汽车试验，所有车均用铅酸电池。1 9 9 0 年菲亚特汽车公司生产“l e f r a ，装载质量为 1 3 3 0 k g ，车速为7 0 k m h ，续驶里程为1 0 0 k m ，采用铅酸电池，或改用镍镉电池，车速 可达1 0 0 k m h ，续驶里程可达18 0 k m 。 从世界范围的电动汽车产业化发展现状看，日本是最早开始发展电动汽车的国家之 。日本国土狭小，石油资源匮乏，几乎完全依赖进口，油价很贵。日本工业发达，人 口密度很大，城市污染严重。因此，日本政府特别重视电动汽车的研究和开发。 日本通产省1 9 6 5 年正式把电动车列入国家项目，开始进行电动汽车的研制。1 9 6 7 年，日本成立了日本电动汽车协会，促进了电动汽车事业的发展。1 9 7 1 年，日本通产 省制定了电动汽车的开发计划。1 9 9 1 年，日本通产省又制定了第三届电动汽车 普及计划，提出到2 0 0 0 年日本电动汽车的年产量要达到1 0 万辆，保有量达到2 0 万 辆的目标。根据日本电动车辆协会的统计，在日本使用的电动汽车1 9 8 9 年为1 0 4 6 辆， 1 9 9 0 年为1 2 7 1 辆，1 9 9 1 年为1 0 3 7 辆，1 9 9 2 年为1 3 0 0 辆。日本大阪市由市政府、大 发汽车公司、蓄电池公司和电力公司共同组成促进电动汽车发展的地方组织，采用优惠 的租赁方法来鼓励用户购买电动汽车，并在大阪市内建立l o 个快速充电站，为用户提 4 供全方位的服务，促进电动汽车的推广。 1 9 9 8 年日本东京电力公司联合日本电池公司，共同开发了“2 a ”牌电动汽车，该电 动汽车采用了高新技术，使其具有当时世界最高水平。日本大发汽车公司从1 9 7 6 年开 始生产电动汽车，特别是电动轻型客车是大发汽车公司的主导产品。2 0 世纪9 0 年代， 丰田汽车公司等多次展出豪华型的电动轿车，日本各大电力公司不仅在资金上参与电动 汽车的开发，而且还在公务汽车的选用上优先选用电动汽车。 1 2 2 国内研究现状脚 中国目前已成为世界第二大耗油国和二氧化碳排放第二大国。对进口石油日益严重 的依赖，使得国际市场的原油价格就像一把悬在我们头上、随时可能落下的刀。如果我 国开征燃油税，也必然进一步增加汽车的运营成本。而发展电动汽车是国家支持的，符 合可持续发展的战略。我们应该抓住历史机遇，尽快把纯电动汽车推向市场，发挥其商 业价值。 从2 0 0 1 年起，中国就已将电动汽车研究开发列入了“十五 国家8 6 3 计划重大专 项。“十一五 期间，国家科技部将电动汽车和清洁替代燃料汽车项目合并，设立“十 一五 “8 6 3 节能与新能源汽车重大项目，计划投入l l 亿元，支持电动汽车和清洁替 代燃料汽车的关键技术研发和整车产品开发。电动汽车项目的总体格局为以动力系统技 术平台为核心的关键技术研发和整车产品开发。同时，还设立了以整车单位牵头、关键 零部件单位参与的“新型整车研发”项目。 2 0 0 6 年1 1 月下旬，完成第一批项目的立项论证，其中，以平台支持的整车产品开 发项目和整车单位牵头承担的新型整车开发项目共2 3 项。其中纯电动车项目有：哈飞 电动汽车整车研制，承担单位为哈飞汽车股份有限公司；海马纯电动汽车关键技术研究， 承担单位为一汽海马汽车有限公司；奥运用纯电动客车整车产品开发，承担单位为北方 华德尼奥普兰客车股份有限公司：奥运用纯电动客车整车产品开发，单位为中通客车控 股股份有限公司。 “十五”期间，国家科技部先后将北京、武汉、天津、株洲、威海、杭州6 个城 市确定为电动汽车示范运营城市。6 个城市在地貌地形、地理位置和气候上各有特点， 适合不同工况下电动汽车的示范运行，对于运行数据的采集非常有利。各城市充分发挥 各自优势，分别采用了不同车型、不同示范运营主体、不同运营管理方式和不同线路， 通过示范运营，探索不同的电动汽车商业化运营模式。进行电动汽车运营基础设施建设， 开发相关技术设备。武汉建有9 处电动汽车运营的基础设施，株洲投资1 7 0 万元完成充 电维修总站建设，实行一车一机独立电表记录，杭州建有充电站，还开发了电动车车载 数据系统，用于监控示范运营电动公交汽车的行驶速度、加速度、耗电量等数据及电池、 电机安全。 5 各示范城市现己初步形成一定的充电、维修、培训、车辆与电池测试、数据收集与 储存等能力，形成了一定的测试条件。“十一五期间将建立能够承担国家电动汽车专 项研发过程中的道路行驶和性能试验任务的电动汽车整车运行检测试验基地，收集和提 供现有的适用于运行试验的公路路谱和路段，利用已有的电动汽车试点示范区，进行与 电动汽车相关的道路运行试验工作；建立试验数据库，采集和分析各种试验数据，验证 电动汽车的技术可行性，积累包括可靠性、失效模式方面的知识和经验，进一步改进设 计、降低成本，最终推动电动汽车的产业化和推广应用。 1 3 车身结构分析概述 1 3 1 车身结构概述 汽车车身结构从形式上说，主要分为非承载式和承载式两种【9 】。非承载式车身的汽 车有刚性车架，又称底盘大梁架。发动机、变速器、转向器及车身部分都固定其上，它 除了承受静载荷外还要承受汽车行驶时产生的动载荷，因此车架必须要有足够的强度和 刚度，以保证汽车在正常使用时受到各种应力下不会破坏和变形。车身本体也悬置于车 架上，用弹性元件联接。车架的振动通过弹性元件传到车身上，大部分振动被减弱或消 除，发生碰撞时车架能吸收大部分冲击力，在坏路行驶时对车身起到保护作用，因此车 厢变形小，平稳性和安全性好，而且厢内噪音低。但这种非承载式车身比较笨重，质量 大，汽车质心高，承载式车身的汽车没有刚性车架，只是加强了车头，侧围，车尾，底 板等部位，车身和底架共同组成了车身本体的刚性空间结构。这种承载式车身除了其固 有的乘载功能外，还要直接承受各种负荷。这种形式的车身具有较大的抗弯曲和抗扭转 的刚度，质量小，高度低，汽车质心低，装配简单，高速行驶稳定性较好。但由于道路 负载会通过悬架装置直接传给车身本体，因此噪音和振动较大。高速行驶稳定性较差。 还有一种介于非承载式车身和承载式车身之间的车身结构，被称为半承载式车身【l 哪。它 的车身本体与底架用焊接或螺栓刚性连接，加强了部分车身底架而起到一部分车架的作 用，例如发动机和悬架都安装在加固的车身底架上，车身与底架成为一体共同承受载荷。 轿车所承受的载荷比较复杂。除受前后悬架支承力作用外，尚承受电机、电池、电 机控制器等部件载荷的作用，承受乘员和座椅载荷的作用，并承受前后围、左右侧围、 地板及车身自重载荷的作用等。对于这样复杂的结构，讨论其强度、刚度的性能不仅具 有理论意义，更具有重要的实践指导意义。 1 3 2 现代车身结构设计的新特点 现代汽车工业的发展对汽车产品开发水平的要求愈来愈高，它要求整车及零部件具 有足够的强度和刚度及良好的振动特性；同时要求缩短产品开发周期，降低费用，使开 6 发的产品更具有竞争力。传统的汽车设计走的大多是经验设计的路子，即产品设计以生 产技术中的经验数据为依据，运用一些附有经验常数的计算公式为主要方法，这样的设 计由于缺乏准确的设计数据和科学的计算方法，使产品的结构安全系数取的偏大，所设 计零件过于笨重。随着计算机技术的发展，c a d c a e 技术在提高产品质量和建立自主 开发能力方面，对汽车企业提供了极大的帮助。c a e 技术中一种新的结构数值模拟方法 有限元分析正越来越广泛的应用于汽车产品开发中。 有限元法的程序作为有限元研究的一个重要组成部分是随着计算机的飞速发展而 迅速发展起来的。2 0 世纪7 0 年代，大型通用的有限元程序开始出现，这些通用的大型 有限元程序功能强大，计算可靠，工作效率高，因而逐步成为结构分析中强有力的工具 国际上著名的通用有限元软件有几十种，常用的有i - d e a s ，s a p ，a n s y s ，a d 玳a ， n a s t r a n ，a l g o r - f e m 等【l l 】。 进行有限元分析己是国际汽车行业产品开发设计链中必须的常规分析。对汽车结构 分析两言，由于有限元分析所建模型具有和实际结构相对应的几何材料、力学特征，对 实际结构具有“真实”的模拟特性，与单纯的几何仿真有本质的区别，从而使现代结构设 计方法从规范设计向分析设计转变，设计者在设计阶段就能从仿真分析中形象地了解整 个设计在受载后的应力、变形以及动力特性，评估设计质量寻找最佳的设计方案将使结 构设计质量发生质的飞跃【1 2 1 。 文献 1 3 1 禾u 用试验模态分析的方法对车身的动态特性进行研究，为整车的动态特性 的分析和结构设计的修改提供方法和理论依据。谢世坤等对某汽车公司边梁式车架有限 元模型进行了模态分析。运用u n i g r a p h i c s 软件，建立了边梁式车架结构的c a e 模型， 并通过a n s y s 对其进行分网和模态分析，获得了车架的固有频率及振型特征，使汽车的 结构在设计中尽量避免共振和噪声，加强了稳定性、舒适性和安全性，同时也为实际试 验提供了参考和依据【1 3 1 。文献 1 4 1 静态的客货两用车白车身有限元模型进行模态分析。 为了使汽车的结构在设计中尽录避免共振和噪声加强其稳定性和交个性同时也为实际 试验提供参考和依据，并定性地说明客货两用车的模态情况。运用u n i g r a p h i e s 软件， 在合理简化的基础上建立了白车身结构的有限元模型并通过m s c p a t r a n 软件的网络 划分后最后用大型结构分析软件m s c 烈as 矸i a n 对其进行模态分析分析其固有频率及 振动情况【1 4 】。文献【1 5 】使用有限元方法对新型燃料电池车车架进行模态分析，了解了车 架动力学特性，初步探索了进行改进的方法【1 5 】。文献【1 6 】对某客车车架进行动静态分析， 并进行了实验对比，对车架进行了优化设计。 1 4 本文研究内容和意义 本文依托中国汽车技术研究中心的具体科研项目，以一款微型电动轿车自主开发为 例，运用有限元分析技术对客车车身改型设计中的刚度、强度及优化方法进行了研究和 7 探讨，内容包括以下几个方面：首先，论述国内外电动汽车的研究状况和发展趋势、研 究背景和意义等。介绍了现代车身结构设计的特点及趋势。其次简要介绍了有限元的概 念、原理及分析的基本思路，详细说明了有限元方法在车身设计中的步骤，并对分析软 件中涉及到的壳单元作了详细的介绍。然后以设计开发的a o 级微型轿车为具体分析对 象，利用u g 软件建立该车车身骨架的三维实体模型，分析该车车身骨架的特点，在对结 构进行简化的基础上，在h y p e r m e s h 软件中建立整车车身骨架结构的有限元模型，包括 选择有限元模型的类型，确定载荷、选择计算工况、确定边界约束条件等。通过n a s t r a n 软件对该车车身骨架结构进行了静态分析，包括应力、变形分析。计算该车在弯曲、扭 转、转弯、紧急制动工况下的应力及变形。然后对车身骨架结构进行模态分析。计算前 2 0 阶模态，通过对该车的模态分析，可以从宏观的角度来分析该车的刚度。 本课题研究的内容具有以下意义： 1 ) 本文研究的微型轿车车身设计中的有限元分析方法，对汽车行业车身的设计具有一 定的参考和借鉴价值。 2 ) 本文运用c a e 技术，对微型轿车车身骨架结构的静态工况和模态进行了有限元分析， 为以后车身有限元分析和结构改进积累了经验和数据，对以后相关的工作具有一定的参 考价值。 8 2 车身结构分析基础理论与方法 车身骨架是复杂的承载结构系统，如果用经典力学方法计算其强度和刚度，或进行 动态分析，需要