电动汽车车架及电池箱轻量化设计（含9张CAD图纸）
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电动汽车车架及电池箱轻量化设计（含9张CAD图纸）,电动汽车,车架,电池,量化,设计,CAD,图纸
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设 计 题 目 电动汽车车架及电池箱轻量化设计 学 生 姓 名 学 号 专 业 班 级 指 导 教 师 院 系 名 称 年 月 日目 录中文摘要 1英文摘要 21引言3 1.1 课题背景及意义3 1.2 轻量化设计的研究现状3 1.3 课题内容及要求4 2 车架及电池箱结构设计52.1车架及电池箱的设计背景52.2车架及电池箱的初始设计及其三维图 63 hyperworks 软件介绍104 车架软件分析 10 4.1 车架有限元模型建立 10 4.2 车架静力分析115 电池箱软件分析 13 5.1 电池定位壳 13 5.2 内箱体 15 5.3 外箱体 216 车架及电池箱轻量化设计改进 26 6.1车架轻量化改进 26 6.2电池定位壳轻量化改进28 6.3内箱体轻量化改进28 6.4外箱体轻量化改进31结论 33致谢 35参考文献36I电动汽车车架及电池箱轻量化设计摘要：由于环保和节能的需要，对电动汽车的车架以及电池箱进行改进已达到轻量化的目的已成为刻不容缓的事。但是轻量化设计不是简单的没有技术含量的降低电动汽车重量，这需要保持车架和电池箱需要的性能要求下，确定目标函数，然后优化零件结构，减轻零件重量，达到轻量化设计要求。本文会在使用替换材料，改进既有结构，使用制造技术三方面对电动汽车车架及电池箱进行轻量化设计。其中重点在于改进车架及电池箱的结构，分别使用尺寸优化、形状优化以及拓扑优化。在初始使用SolidWorks进行三维设计后，利用hyperworks对车架以及电池箱进行静力分析以及拓扑优化。然后根据分析结果对初始设计进行改进。之后还需要对车架和电池箱进行强度分析。关键字：轻量化设计，三维，hyperworks，拓扑优化Lightweight design for electric vehicle frame and battery boxAbstract：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 the weight of electric car in a no technical way, which requires meet the demand of the frame and a battery boxs 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. 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 optimization 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. After that, the strength of the frame and battery box also acquire analyzing.Key words：Lightweight design, 3 d, hyperworks, topology optimization1 引言 由于环保和节能的需要，对电动汽车的车架以及电池箱进行改进已达到轻量化的目的已成为刻不容缓的事。但是轻量化设计不是简单的没有技术含量的降低电动汽车重量，这需要保持车架和电池箱需要的性能要求下，确定目标函数，然后优化零件结构，减轻零件重量，达到轻量化设计要求。而本次电动汽车车架及电池箱的轻量化设计主要包括三方面，一是使用新型材料，二是改进既有结构，三是在制造技术方面进行改进。重点在于改进车架及电池箱的结构。1.1 课题背景及意义如今，在重视环保和节能微排的大环境下，发展电动汽车已是热点话题。汽车质量的减少可以同时降低油耗和排放量。因此电动汽车轻量化设计的开发也得到了越来越多的重视。对电动汽车的不同结构部位进行轻量化设计需要在保证其强度和安全性能的前提下，以降低电动汽车的整备质量为目标函数，从而达到降低油耗和排放量，以及提高电动汽车的动力利用率的目的。首先汽车的轻量化对于降低油耗、减少排放起着至关重要的作用，在已有数据中知道每减轻100公斤，二氧化碳的排放就会相应减少近5克/公里。在提高电动汽车的动力性能方面具体体现在驾驶方面。轻量化后会显著提高加速性能，同时也会减少制动距离。因此电动汽车的轻量化技术对降低油耗、减少排放以及提升安全性都有作用的。本文需要设计的电动汽车车架和电池箱体，将这两者的优化都会大程度的改善电动汽车的轻量化技术。1.2 轻量化设计的研究现状目前汽车轻量化方法：1、在不改变汽车大尺寸的前提下对汽车进行结构优化。2、使用金属材料：铝、镁以及陶瓷等其他材料来替换原有材料； 3、使用分析软件hyperworks，ansys等对汽车结构进行优化。 大多是使用轻质材料和结构设计的改进。其中结构设计的优化也是本次设计的重点。 而根据设计变量的类型将结构优化设计又分为不同的层次：从简到复杂有尺寸、形状的优化以及拓扑优化。目前，尺寸优化和形状优化技术都已较为成熟，拓扑优化还在不断研发中。 拓扑优化以材料的分布为优化对象，其基本思想是研究最优材料的分布问题，使得结构的某些性能得到优化或结构的重量得到减轻。结构拓扑优化所研究的问题包括连续结构和离散结构，一般采用的方法是，前者一般把结构的最小柔顺性当作优化目标，后者把结构最小重量当作优化目标以达到材料的最合理分布。拓扑优化技术使设计人员在仅仅知道结构的边界条件和在和载荷条件下确定较合理的结构形式。 拓扑优化技术已在工程领域得到广泛的应用。即在使用相同材料以及任何刚度强度要求都要满足的前提下实现车架以及电池箱的轻量化设计。本文就采用了hyperworks软件对电池箱的电池定位壳；内箱体和外箱体；车架结构分别进行尺寸优化、形状优化、拓扑优化。1.3 课题内容及要求目前的电动汽车主要是普通汽车演变而来，结构明显过重，同时电动车车架承载许多重要部件等。电动汽车汽车由于需携带沉重的磷酸铁锂电池，对车架的承重能力有特殊要求。车架在根据纵梁不同结构特点, 有综合式、脊梁式、周边式、X形式、梯形几种车架。在本次设计中就采用了边梁式车架，就是梯形车架。 至于电动汽车的电池箱，由于结构是用手装载动力电池的，所以多数采用了箱式结构。由于燃油经济性，也要对电池箱体进行优化。目前电动汽车基本上都选用锂离子电池，锂电池有很多优点，但电池温度不好控制。锂离子电池在不同温度下，工作状态变化极大，数据表示只有在25时，单体电池的循环寿命可以接近2000次。同时裸露放置对电池寿命很有威胁。因此，防尘、防水、防振、绝缘以及拆卸方便的电池箱，是目前电池箱设计的目标。在本次设计中，我就打算从轻质替换材料方面以及结构优化方面人手。首先分别就电动车车架进行应力分析有限元建模，针对不同工作情况，分析其结构的应力，以便优化其结构。需要综合考虑对材料的要求以及材料的优势劣势性能，挑选出符合力学性能的，有经济合理的轻质材料。本论文研究对象是电动汽车，选取了江淮iev4电动车。车架的电池箱的三维模型运用solidworks进行设计。之后计算车架电池箱各种工况进行整体分析，得到它的内力分布，根据各部分的受力状态进行优化，修改各部分的设计变量，将优化后的结构参数组成新的方案，尔后作一次结构分析，检验这个方案是否可行。主要任务： （1）了解国内外电动汽车研究发展概况； （2）用solidworks软件建立电动汽车车架及电池箱三维模型； （3）用hyperworks软件根据实际受力情况在几种工况下对电池箱的电池定位壳，内箱体，外箱体以及车架进行静态分析。 （4）根据受力状态对零件进行优化，在满足静态、动态的前提下，使其质量变小。 （5）修改车架及电池箱三维图； （6）对修改过车架及电池箱零件进行最后的静力分析，是否满足强度条件； （7）绘制车架及电池箱二维图。2 车架及电池箱结构设计2.1 车架及电池箱的设计背景 本次车架和电池箱的轻量化设计是包括了电动汽车车架以及内电池箱和外电池箱的轻量化设计，而车型则是针对江淮iEv4车型。江淮iEv4采用的电池也是磷酸铁锂电池（LiFePO4），其含量是19.2kwh。LiFePO4由于很好的安全性能和长的循环寿命，多被作为目前的电动汽车的电池。设计的电池箱是放置在后备箱下的包含6个单体6-QW-45的VARTA电池，其尺寸为250140250mm。车架的设计需要考虑电池箱的安置以及整车载荷，包括乘客质量。2.2车架及电池箱的初始设计及其三维图图1.1 车架及电池箱总装配初图（隐藏内箱盖）2.2.1车架三维图 该车架为边梁式车架，就是梯形车架。主要结构是两根纵梁和若干根横梁，其结构如图所示。图1.2 车架初图 2.2.2电池箱三维图图1.3 电池箱装配图（隐藏内箱盖）2.2.2.1 内箱体三维图图1.4 内箱体图 2.2.2.2 内箱盖，销三维图图1.5 内箱盖图图1.5 销图 2.2.2.3 外箱体三维图 图1.6 外箱体图 2.2.2.4 外箱栏三维图 图1.7 外箱栏图 2.2.2.5 电池定位壳及定位板装配体 图1.8 定位板装配体图其中电池定位壳： 图1.8 电池定位壳图定位板A、B： 图1.9 电池定位板A、B图3 hyperworks软件介绍目前，在产品设计中计算机辅助工程（CAE）已是必不可少。其中HyperWorks发挥重大作用。这是美国Altair软件公司开发的成套工程软件。hyperworks主要包括HyperMesh、HyperView、HyperGraph，OptiStruct，HyperForm等。以上软件的功能涵盖了结构分析所需要的所有CAE功能。本文利用HyperWorks和solidworks软件的接口将车架和电池箱的三维模型导入HyperWorks中，在HyperMesh下几何清理、定义材料属性、划分网格、进行静力分析、然后在OptiStruet中对有限元模型拓扑优化，进而求解。4 车架软件分析4.1 车架有限元模型建立车架是负载很大的一个零件。分析手段主要是通过以hyperworks软件为分析工具对该车架进行了网格划分，建立正确的有限元分析模型，对车架进行典型工况的静态分析 、有限元分析，了解该车架的优缺点，为后续设计提供数据支持。该车架为边梁式，由两根纵梁和若干根横梁组成的刚性结构，该车架长3m，宽0.95 m。4.1.1 文件的保存 由于车架模型是在三维软件solidworks中建立的，一定要先存为igs格式，同时注意保存路径要全英文。然后再讲igs。文件导人到Hypermesh软件，等待前置处理。 4.1.2 几何清理有限元模型的简化是为了减少建立有限元模型，以及后续静力分析还有拓扑优化的工作量。结构的简化是要以力学特性为前提的，这样既能使几何类型一致，而单元传递的运动力学特性也能相同。结构简化的原则是：不影响目前结构的力学性能的前提下进行小结构的简化，如圆角、小孔等，这些小结构对整个车架而言，结构特性影响可以不计在分析中。4.1.3 网格划分 网格划分注意模型规模控制。网格数量的多少会影响后续静力分析还有拓扑优化的工作量以及计算结果的精度。通常，网格数量增加时计算精度会有所提高，但时工作量也变大了，所以在确定网格数量时应综合考虑。模型规模控制的原则是：在获取准确计算结果的同时，确保适当工作量。对电动汽车的车架的结构分析中有限元模型的质量也大大影响准确性。因此，在网格划分中对网格模型的设定也需要仔细考虑。4.1.4 网格质量检查及单元清理 网格的高水准设定对于保证计算精度是很必要的。HyperMesh中的qualityindex面板可以对生成网格起到检查的作用，具体是指网格形状。智能生成的网格一般很少存在质量问题。但是，如果模型形状不规则就可能会产生质量问题。而在划质量问题出现的时候，通常会将单元合并或者分割，此外就是可以调整单元节点来改善网格质量。4.1.5定义材料及属性 网格划分完在分析之前，在HyperWorks中的材料面板还需要设定网格材料参数,包括材料弹性模量、泊松比等，而壳单元还需要设定厚度参数。4.1.6 有限元模型的生成在HyperMesh中，要选取所有面才能进行网格的智能划分，定义网格类型和尺寸，注意细节处比如螺纹孔以及尖锐部分，这些地方需要细化网格。4.2 车架静力分析4.2.1定义材料及属性梯形车架的材料大多是钢板，制造过程是冲压。考虑车架性能要求选择如下表1.1材料。材料名称弹性模量E（mpa）泊松比Nu16mn钢板Q345B0.28抗拉强度屈服强度密度()470620mpa345mpa7800表1.1 车架材料属性4.2.2载荷的简化及加载如何对有限元模型的载荷进行简化与施加联系到计算结果的真实性以及分析优化的实用性。在进行弯曲工况和普通工况计算时，车架所受载荷都是车的整备质量以及乘客的质量。该车的总重15288N，电池箱总重3144N，作用在车架的电池箱支座上，乘客总重为2940N，作用在中后部两个横梁形成的支架上，电动车余下总重为9204N，作用在前4根横梁及边梁上。4.2.3车架工况车架形成一简支梁结构后要考虑弯曲扭转工况进行静力分析。在弯曲扭转工况中，车架静止满载时，可以将一个前轮或后轮抬高200mm，也可以将给支架两端一个方向不同的5000N的力形成扭转。4.2.4分析详图位移云图应力云图最大位移：0.019mm最大应力：12.0mpa结果分析：车架处于满载时，在受到5000N的扭转力后最大的应力（红色）是38.9mpa，在车架的许用应力范围内。就这个数据而言，初始设计过于保守。5 电池箱软件分析5.1 电池定位壳5.1.1 电池定位壳有限元模型建立 由于电池箱的电池定位壳、内箱体和外箱体的结构特点，在划分网格时，首先在有限元软件hyperworks中对车架几何模型进行中面抽取，获得壳体模型。而Hyperworks软件提供了中面抽取工具，得到空间壳体。在使用壳单元划分网格之后进行定义材料及材料属性。由于特殊设计要求，电池箱的全部材料选择了镀锌钢板。就是在钢板表面涂以一层金属锌，这样可以使钢板表面减少腐蚀，延长寿命。材料属性如下表1.2。材料名称弹性模量E（mpa）泊松比Nu镀锌钢板S280GD+Z0.28抗拉强度屈服强度密度()270370mpa180250mpa7800表1.2电池箱材料属性 之后的步骤是约束设定，电池定位壳就约束壳体的突出部分。电池定位壳没有底板，所以在正常行驶中不受载荷。在初始设计中电池定位壳的壁厚为5mm，在考虑具体载荷，定义钢板厚度为1mm，网格大小为5mm，根据静力分析结果确定该种轻量化是否符合。有两种特殊工况：1、满载制动，受到力为211N，作用在长侧板上，压强为0.0038mpa。2、满载转弯，受到力为84.4N，作用在短侧版上，压强为0.00274mpa。5.1.2 电池定位壳静力分析满载制动位移云图应力云图最大位移：1.011mm最大应力：38.9mpa结果分析：在满载制动时最大的应力（红色）是38.9mpa，在许用应力范围内。满载转弯位移云图应力云图最大位移：1.001mm最大应力：10.6mpa结果分析：在满载转弯时最大的应力（红色）是10.6mpa，在许用应力范围内。电池定位壳分析综述：电池块壳体使用1mm钢板完全满足要求。5.2 内箱体5.2.1 内箱体有限元模型建立内箱体也选取空间板壳单元。在使用壳单元划分网格之前，先进行几何清理，简化小尺寸结构比如圆角还有小孔等等。由于在初始设计时，处于通风散热考虑，设计了很多通风孔和栅栏，所以电池内箱体的轻量化设计重点放在优化壁厚上，选择符合许用应力范围的壁厚，以及适当优化内箱体结构，以减小集中应力。载荷以分布力施加于箱体的底面和侧围上，约束内箱体与外箱体接触的四角。内箱体承受着电池的重量以及内箱体自重。在初始设计中内箱体的壁厚为10mm，在考虑具体载荷，定义钢板厚度为分别为10mm、5mm、3mm，网格大小为5mm，根据静力分析结果确定该种壁厚是否符合。受到载荷：重力有三种特殊工况：1、颠簸工况，受到力为4817.68N，作用在底板上；1、满载制动，受到力为2408.84N，作用在长侧板上；2、满载转弯，受到力为963.54N，作用在短侧版上。5.2.2 内箱体静力分析（1） 壁厚为10mm时满载制动：位移云图应力云图最大位移：1.64mm最大应力：26.2mpa结果分析：在满载制动时最大的应力（红色）是26.2mpa，在许用应力范围内。满载转弯位移云图应力云图最大位移：1.15mm最大应力：17mpa结果分析：在满载转弯时最大的应力（红色）是17mpa，在许用应力范围内。颠簸工况位移云图应力云图最大位移：1.2mpa最大应力：24.5mpa结果分析：在颠簸工况时最大的应力（红色）是24.5mpa，在许用应力范围内。壁厚为10mm的内箱体分析综述：最大应力都远小于许用应力，因此可以减小壁厚。（2）壁厚为5mm时满载制动位移云图应力云图最大位移：5.8mm最大应力：98.3mpa结果分析：在满载制动时最大的应力（红色）是98.3mpa，在许用应力范围内。满载转弯位移云图应力云图最大位移：2.15mm最大应力：65.8mpa结果分析：在满载转弯时最大的应力（红色）是65.8mpa，在许用应力范围内，且最大应力只发生在几个点，这也可能是由于约束不当造成。颠簸工况位移云图应力云图最大位移：3.14mm最大应力：109.7mpa结果分析：在颠簸工况时最大的应力（红色）是109.7mpa，在许用应力范围内，且最大应力只发生在几个点，这也可能是由于约束不当造成。壁厚为5mm的内箱体分析综述：最大应力都远小于许用应力，可以减小壁厚。（3）壁厚为3mm满载制动位移云图应力云图最大位移：23.1mm最大应力：271.2mpa结果分析：在满载制动时最大的应力（红色）是271.2mpa，逼近许用应力范围极限。满载转弯位移云图应力云图最大位移：6.23最大应力：180.1mpa结果分析：在满载转弯时最大的应力（红色）是180.1mpa，在许用应力范围内。颠簸工况位移云图应力云图最大位移：10.7mm最大应力：320.7mpa结果分析：在颠簸工况时最大的应力（红色）是320.7mpa，超出许用应力范围，但最大应力只发生在几个点，这也可能是由于约束不当造成。壁厚为3mm的内箱体分析综述：最大应力有超出许用应力，不能继续减小壁厚。但超出不多，可以尝试减小孔以及使用圆角，减小集中应力。以下是对3mm无空的内箱体进行分析。满载制动位移云图应力云图最大位移：21.1mm最大应力：247.1mpa结果分析：在满载制动时最大的应力（红色）是247.1mpa，逼近许用应力范围极限。满载转弯位移云图应力云图最大位移：6.07mm最大应力：114mpa结果分析：在满载转弯时最大的应力（红色）是114mpa，在许用应力范围内。颠簸工况位移云图应力云图最大位移：9.8mm最大应力：190.5mpa结果分析：在颠簸工况时最大的应力（红色）是190.5mpa，在许用应力范围内。 壁厚为3mm的无孔内箱体分析综述：最大应力在许用应力范围内，但电池箱需要通风散热，无孔内箱不符合设计要求，所以内箱体减小通风孔尺寸以及各边需要较大圆角以避免应力集中。5.3 外箱体5.3.1 外箱体有限元模型建立 外箱体建模时选择也是空间板壳单元，在网格划分前先几何清理。外箱体的轻量化设计重点放在优化壁厚上，选择符合许用应力范围的壁厚，以及适当优化外箱体结构，以减小集中应力。 载荷以分布力施加于箱体的底面和侧围上，约束箱体底板螺纹孔。电池内箱体承受电池重量以及自重。在初始设计中内箱体的壁厚为10mm，在考虑具体载荷，定义钢板厚度为分别为10mm、5mm、3mm，网格大小为5mm，根据静力分析结果确定该种壁厚是否符合。受到载荷：重力有三种特殊工况：1、颠簸工况，受到力为6288.033N，作用在三角形底板上；1、满载制动，受到力为3144N，作用在长侧板上；2、满载转弯，受到力为1257.607N，作用在短侧版上。5.3.2 外箱体静力分析（1）壁厚为10mm满载制动位移云图应力云图最大位移：1mm最大应力：31.3mpa结果分析：在满载制动时最大的应力（红色）是31.3mpa，在许用应力范围内。但也是出现在几个点。满载转弯位移云图应力云图最大位移：1.22mm最大应力：44.6mpa结果分析：在满载转弯时最大的应力（红色）是44.6mpa，在许用应力范围内。颠簸工况位移云图应力云图最大位移：1.11mm最大应力：20.4mpa结果分析：在颠簸工况时最大的应力（红色）是31.3mpa，在许用应力范围内。壁厚为10mm的外箱体分析综述：最大应力在许用应力范围内，可以继续减小壁厚。（2）壁厚为5mm满载制动位移云图应力云图最大位移：2.28mm最大应力：96.1mpa结果分析：在满载制动时最大的应力（红色）是96.1mpa，在许用应力范围内。满载转弯位移云图应力云图最大位移：2.71mm最大应力：171.2mpa结果分析：在满载转弯时最大的应力（红色）是171.2mpa，在许用应力范围内。颠簸工况位移云图应力云图最大位移：1.84mm最大应力：76.6mpa结果分析：在颠簸工况时最大的应力（红色）是76.6mpa，在许用应力范围内。壁厚为5mm的外箱体分析综述：最大应力在许用应力范围内，可以继续减小壁厚。（3）壁厚为3mm满载制动位移云图应力云图最大位移：12.4mm最大应力：236.7mpa结果分析：在满载制动时最大的应力（红色）是236.7mpa，接近许用应力范围极限，最大应力主要产生于栅栏的应力集中。满载转弯位移云图应力云图最大位移：8.77mm最大应力：470.7mpa结果分析：在满载转弯时最大的应力（红色）是470.7mpa，超出许用应力范围极限，但最大应力只发生在几个点，这也可能是由于约束不当造成。颠簸工况位移云图应力云图最大位移：4.84mm最大应力：216.3mpa结果分析：在颠簸时最大的应力（红色）是216.3mpa，接近许用应力范围极限，但最大应力只发生在几个点，这也可能是由于约束不当造成。 壁厚为3mm的外箱体分析综述：最大应力超出许用应力范围内，不能继续减小壁厚。建议使用3mm钢板，保留空心槽。将底部的三角形面积加大并把侧围和底面的直角改为圆角。6 车架及电池箱轻量化设计改进6.1车架轻量化改进 车架的重量对电动汽车的总体重量有很重要的影响，而有限元分析的结果密度分布函数也表明车架还存在优化空间，轻量化设计主要目标是减少车架重量，但是不要忽略车架的强度要求以及刚度要求。6.1.1车架拓扑优化对车架在静态扭转工况下的位移云图和应力云图看出，设计可以被优化。拓扑优化中将车架分为设计空间和非设计空间，四根横杆为非设计空间，不会对其进行优化。优化空间的目标函数为体积最小，加上整体的应力约束以及点的位移约束。根据拓扑分析得到的图来改进结构，用在密度函数值低的位置打孔等方法来优化车架结构，图2.1密度函数分布图以及图2.2阀值为0.04的密度函数图如下。图2.1 密度函数分布图图2.2 阀值为0.04的密度函数图6.1.2车架轻量化设计及对比 优化后图见图3.3。修改后的车架体积为77507182.13 ，比修改前的 79744560.31减少了2237378.18 ，根据车架的密度得到车架优化后减轻了17.45 kg。下面还需要验证优化后的车架是否符合强度、刚度要求。优化后静力分析结构优化后位移云图优化后应力云图最大位移：48.5mm最大应力：111.6mpa结果分析，车架的最大应力仍在许用应力范围内，因此优化的结构符合要求。6.2电池定位壳轻量化改进6.2.1电池定位壳优化思路 在初始设计中电池定位壳的壁厚为5mm，在考虑具体载荷后，5mm足以承载不同工况，且这种壁厚有较大浪费。因此定义钢板厚度为1mm，网格大小为5mm，根据静力分析结果确定该种轻量化是否符合。6.2.2电池定位壳轻量化设计及对比在电池定位壳壁厚为1mm，电池定位库不受载荷，在满载转弯时最大的应力（红色）是10.6mpa，在许用应力范围内。因此1mm钢板完全满足要求。修改后的电池定位壳体积为225036.55 ，比修改前的 1157982.75 减少了932946.2 ，根据其材料的密度得到电池定位壳优化后减轻了7.28 kg。6.3内箱体轻量化改进6.3.1内箱体优化思路 在电池内箱体的初始设计时，出于通风、散热的考虑，设计了一些通风孔和栅栏，所以我将电池内箱体的轻量化设计重点放在优化壁厚上，选择符合许用应力范围的壁厚，以及适当优化内箱体结构，以减小集中应力。初始壁厚为10mm，在考虑具体载荷，定义钢板厚度为分别为10mm、5mm、3mm，根据静力分析结果确定该种壁厚是否符合。6.3.2内箱体轻量化设计及对比 当壁厚为10mm以及5mm时，最大应力均在许用应力范围内。而当壁厚为3mm时，有些最大应力超出了许用应力。我加分析了壁厚为3mm的无孔内箱体，得到了最大应力在许用应力范围内的结果。但电池箱需要通风散热，无孔内箱不符合设计要求，所以内箱体减小通风孔尺寸以及各边需要较大圆角以避免应力集中。在优化后，重新对内箱体的结构进行静力分析，了解其是否符合强度要求。优化后满载制动位移云图应力云图最大位移：1.71mm最大应力：238mpa结果分析：在满载制动时最大的应力（红色）是238mpa，接近许用应力范围极限，但最大应力只发生在几个点，这也可能是由于约束不当造成。由图可知最大应力浅蓝色在106.3mpa以下，所以符合要求。优化后满载转弯位移云图应力云图最大位移：17.7mm最大应力：378mpa结果分析：在满载转弯时最大的应力（红色）是378mpa，超过许用应力范围极限，但最大应力只发生在几个点，这也可能是由于约束不当造成。由图可知最大应力浅绿色在204mpa以下，所以符合要求。优化后颠簸工况位移云图应力云图最大位移：1.69mm最大应力：260mpa结果分析：在颠簸时最大的应力（红色）是260mpa，接近许用应力范围极限，但最大应力只发生在几个点，这也可能是由于约束不当造成。由图可知最大应力浅绿色在145mpa以下，所以符合要求。 因此内箱体在壁厚使用3mm钢板适当优化结构后完全满足要求见图3.2。修改后的电池内箱体体积为 3385836.35 ，比修改前的 12067686.21 减少了 8681849.86，根据其材料的密度得到电池内箱体优化后减轻了 67.7 kg。6.4外箱体轻量化改进6.4.1外箱体优化思路 由于初始设计已经对外箱体设计了栅栏以及三角形底板，因此外箱体轻量化设计重点放在优化壁厚上，选择符合许用应力范围的壁厚，以及适当优化外箱体结构，以减小集中应力。在初始设计中外箱体的壁厚为10mm，在考虑具体载荷，定义钢板厚度为分别为10mm、5mm、3mm，网格大小为5mm，根据静力分析结果确定该种壁厚是否符合。6.4.2外箱体轻量化设计及对比 当外箱体的壁厚为10mm以及5mm时，最大应力均在许用应力范围内。而当壁厚为3mm时，有些最大应力超出了许用应力，因此不能继续减小壁厚。建议使用3mm钢板，保留偷轻槽。将底部的三角形面积加大并把侧围和底面的直角改为圆角。在优化后，重新对内箱体的结构进行静力分析，了解其是否符合强度要求。优化后满载制动位移云图应力云图最大位移：4.9mm最大应力：474mpa结果分析：在满载制动时最大的应力（红色）是474mpa，超过许用应力范围极限，但最大应力只发生在几个点，这也可能是由于约束不当造成。由图可知最大应力浅绿色在210mpa以下，所以符合要求。优化后满载转弯位移云图应力云图最大位移：14.7mm最大应力：329mpa结果分析：在满载转弯时最大的应力（红色）是329mpa，超过许用应力范围极限，但最大应力只发生在几个点，这也可能是由于约束不当造成。由图可知最大应力浅绿色在219.3mpa以下，所以符合要求。优化后颠簸工况位移云图应力云图最大位移：2.86mm最大应力：295mpa结果分析：在颠簸时最大的应力（红色）是295mpa，接近许用应力范围极限，但最大应力只发生在几个点，这也可能是由于约束不当造成。由图可知最大应力浅绿色在131.2mpa以下，所以符合要求。 因此外箱体在壁厚使用3mm钢板适当优化结构后完全满足要求见图3.3。修改后的电池外箱体体积为 2285926.85 ，比修改前的9395709.55 减少了 7109782.7，根据其材料的密度得到电池外箱体优化后减轻了55.46 kg。结论 首先按照已有的电池的尺寸建立电池箱的三维模型，为固定电池箱，配合其尺寸建立车架的三维模型。然后在有限元软件hyperworks中建立了有限元模型，对车架、电池箱的电池定位壳、内箱体、外箱体进行静力分析，了解应力分布和位移状况，针对不同的零件设计不同的适合的轻量化设计方法。对电池定位壳由于无承载，只有两个工况，因此主要是优化其壁厚。对电池内箱体和外箱体，由于在初始设计已经考虑到减轻重量，设计了栅栏、圆孔以及三角底板，所以对电池内箱体的轻量化设计重点在于优化壁厚的同时对箱体结构进行优化，以减小集中应力。最后仍旧需要在有限元软件hyperworks中对改进模型的性能进行分析这样的步骤。而车架，在初始设计时参考了边梁式车架，这种结构有一些浪费材料。对车架进行改进主要是在有限元分析的基础上进行拓扑优化，并在修改车架后再次在有限元软件hyperworks中再次对车架进行强度校核。因此四个零件在优化后的总装配的体积为 86094751.02 ，比修改前的 111259720.78 减少了25164969.76 ，质量约为196.29kg，减重22.6%。图3.1 优化后车架图3.2 优化后内箱体图3.3 优化后外箱体致谢 回想这次机械设计专业设计的过程，从最初接到课题的束手无策，到在老师的帮助下慢慢有了思路的摸索，以及学习新的分析软件的茫然，到现在，出现了完整的三维模型图，磕磕绊绊的完成了对车架和电池箱的静力分析以及拓扑优化，完成了全部二维图的绘制，以及现在在写着设计论文最后的致谢。电池箱以及车架的设计，在之前我是没有多接触过的。而且轻量化设计也认为是基于已有设计后面进行的分析和改进。当我了解到初设设计也要自己完成的时候真的觉得任务重重。在初始设计中，因为缺乏汽车结构的基础知识，很多都在寒假文献整理的过程中了解的，但这不免有考虑不周全的地方，车架的设计我选择了边梁式车架也是有这样的原因，如果没有导师和学长的督促指导，我都没有信心做完设计。 早在设计课题公布之后，黄老师立即召开会议，对我的课题的大致方向予以指导，这在当下是不亚于海上灯塔的作用。无论是轻量化设计还是车架电池箱方面，我都是新手，但是老师仍非常细心，指导我搜集文献资料，在中期答辩之后对我的不足予以指出，对三维图的结构提出意见，以及在我懈怠时敦促我学习hyperworks软件等等。在这里我真的要对老师表示感谢。 和我一起进行设计的学长和同学，我亦是万分感谢，共同打气，共同努力，相互学习。我想这也设计想教会我们的，没有什么课题都是自己百分百准备好的，需要不断吸收新的知识，无论是理论还是软件操作。我想学习机械设计的大家都不陌生，即使是相同软件，也会更新，我们也需要更新。 在设计的进行过程中，我逐渐了解到大学四年所学习机械设计专业知识，软件运用的基础，那些才是我设计的奠基石，也是我获得的最为宝贵的东西，机械设计万变不离其宗，唯有打好基础，我才能在机械设计的未来越走越远。谢谢所有老师同学。参考文献1濮良贵.纪名刚.机械设计M.高等教育出版社，2006.2郑文纬.吴克坚.机械原理M.高等教育出版社，1982.3吴序堂.西安交通大学出版社M.电动汽车工程，2007.4江耕华.机械传动设计手册(下)M.北京：煤炭工业出版社，1983.5齿轮手册编委会.齿轮手册第2版（上册）M.北京：机械工业出版社，2000.6余志生.电动汽车理论M.北京：机械工业出版社，2010.7王望予.电动汽车设计M.北京：机械工业出版社，2009.8谭继锦，张代胜.电动汽车结构有限元分析M.北京：清华大学出版社，2009.9朱家诚，朱文予.机械设计课程设计M.合肥.合肥工业大学，2010.10赵立军，佟钦智.电动汽车结构与原理M.北京：北京出版社，2012.11王震坡，孙逢春.电动车辆动力电池系统与应用技术M.北京：机械工业出版社，2012.12王宏雁，陈君毅.汽车车身轻量化结构与轻质材料M.北京：北京大学出版社，2009.13智淑亚.汽车车身结构与设计M.北京：机械工业出版社，2013.14余志生.汽车理论 M.北京：机械工业出版社，2011.15李楚琳. HyperWorks分析应用实例M.北京：机
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