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摘要：基于刚度与模态分析来进行纯电动汽车的轻量化设计，可通过分析与轻量化设计相关的影响因素，进行纯电动汽车车身设计，确保其具备较大刚度系数。本文主要围绕车身有限元模型建立、车身轻量化设计前后刚度探究及模拟化分析等方面展开讨论，通过建立有限元模型，可进一步进行模态分析，并在保证车身刚度的基础上，以质量最小化为设计目标，计算得到白车身轻量化设计参数，具体一定研究意义。
关键词：模态分析；轻量化设计；纯电动汽车
在能源短缺和环境污染严重的形势下，需要通过发展新能源汽车来解决这一问题，要确保新能源汽车无法长距离续航问题的有效解决。因此，在保证新能源汽車实现电动化的同时，还要实行轻量化设计措施。考虑到汽车车身几乎承担全部弯曲及扭转载荷，为了保证汽车运行安全性，要求做到车身结构刚度的合理设计，在保证车身刚度分布符合设计标准的情况下，提高汽车性能，并在此基础上，尽可能减少车身质量。
1 车身有限元模型建立
纯电动汽车白车身几何模型构建主要是结合FEM计算要求，进一步简化得到的。在构建有限元模型时，可忽略车身上的铆钉、螺栓和倒角等，在简化处理时，要尽量保证与原始模型的一致，以便切实反应车身结构特性。白车身主要结构件包括钣金冲压件以及矩形钢管，采取焊接方式将两者连接起来，因此，本文选择壳单元Quqrd4及Tria3进行白车身钣金结构的模拟。为了方便之后的研究，本次模型选用全承载式的汽车车身，其中骨架结构利用方形管连接而成能做到与汽车实际结构相符合。模型中主要部件有前、后纵梁、地板、门槛、前后支撑和后围板等。焊接方式较多样化，包括无质量的纵梁Beam、RBE2单元等在，本次模型焊点位置主要选用RBE2连接节点，完成后的有限元模型中包括多个REB2单元和Quqrd单元，能为之后车身结构刚度分析奠定基础条件。
2 车身轻量化设计前后刚度探究及模拟化分析
2.1弯曲刚度分析
在进行汽车车身弯曲刚度计算时，根据实验情况，需要在SAE坐标系下，对左前支撑点的三轴方向进行自由度约束，在右前支撑点约束其X与Z方向的自由度，同时在左后支撑点约束其Y与Z方向的自由度，对右后支撑点进行Z方向的自由度约束。在前后支撑轴的中间位置要设置一个截面宽度为100毫米的槽钢，保持槽钢和汽车车身接触区域的宽度为100毫米，为了进一步分析汽车车身弯曲刚度，要使槽钢在中间轴两侧对称位置添加载荷，通常施加305kg砝码[1]。对于汽车白车身结构来讲，其弯曲刚度可根据底板在汽车车身长度方向上的挠度曲线进行评估，进一步根据有限元模型进行车身刚度分析。通过实验计算白车身Z方向上的挠度及挠度曲线，能发现实验位移曲线和仿真位移曲线变化趋势一致，并在某一点处的Z方向上出现最大位移距离。在分析汽车白车身结构时，可通过车身结构中纵梁底部挠度值来判断其弯曲刚度，表达式为：K=。其中，分子代表作用在车身Z方向的荷载分量，分母为车身纵梁下端的最大挠度。进行弯曲刚度实验过程中，最大挠度是-0.14mm，将该数值带入上述表达式中，可计算出车身弯曲刚度。同时还需要计算仿真弯曲刚度，对两者进行比较分析。在于国际上规定的车身设计刚度值要求进行比较，可发现计算求得的刚度值均超过标准设计值，说明这一样车符合设计要求，并且通过比较仿真弯曲刚度和实验弯曲刚度，发现该车还有较大刚度改进空间。
2.2扭转刚度分析
进行车身扭转刚度设计时，根据实验情况选取约束条件，在SAE坐标系下，在车身前端支撑点约束其三轴方向的平动自由度，同时在后支撑点施加方向相反大小相同的力，最终形成扭矩大小是2000N·m的力偶[2]。对于车身结构扭转刚度而言，在对其进行评价时，可通过分析相关部位的变形程度来确定其扭转刚度，如根据底板在汽车车身长度方向的转角变化曲线，便能对车身扭转刚度有准确评价。另外，还可根据门锁锁眼的位置变化情况以及中间轴扭转角来判断车身刚度特性，进一步通过提高车身扭转刚度来强化其性能。在计算车身扭转角时，可发现其主要与车纵梁监测点挠度和前车距等要素有关，可根据已知表达式求得汽车扭转刚度。总的来说，在进行车身刚度分析时，需要借助有限元模型作用，在此基础上进行刚度分析和模态分析，能做到对车身结构刚度的准确掌握，从而在满足刚度设计标准的情况下，减少车身质量。
3 结论
综上所述，在能源节约理念影响下，纯电动汽车体现出较大市场潜力，应在加大对其轻量化设计研究的基础上，提高电动车性能。本文主要以提高刚度为目标，在建立有关模型的基础上，进行纯电动车的轻量化设计，进一步实现电动车结构的优化设计，在满足车身刚度要求的同时，尽可能减轻车身质量，是未来电动汽车主要设计方向。
参考文献：
[1]丰亮. 基于刚度和模态分析的纯电动汽车白车身轻量化设计[D].湖南大学，2017.
[2]刘卫斌，郝琪，潘文杰.基于相对灵敏度的纯电动汽车白车身轻量化设计[J].湖北汽车工业学院学报，2016，30（04）：9-13.
关键词：模态分析；轻量化设计；纯电动汽车
在能源短缺和环境污染严重的形势下，需要通过发展新能源汽车来解决这一问题，要确保新能源汽车无法长距离续航问题的有效解决。因此，在保证新能源汽車实现电动化的同时，还要实行轻量化设计措施。考虑到汽车车身几乎承担全部弯曲及扭转载荷，为了保证汽车运行安全性，要求做到车身结构刚度的合理设计，在保证车身刚度分布符合设计标准的情况下，提高汽车性能，并在此基础上，尽可能减少车身质量。
1 车身有限元模型建立
纯电动汽车白车身几何模型构建主要是结合FEM计算要求，进一步简化得到的。在构建有限元模型时，可忽略车身上的铆钉、螺栓和倒角等，在简化处理时，要尽量保证与原始模型的一致，以便切实反应车身结构特性。白车身主要结构件包括钣金冲压件以及矩形钢管，采取焊接方式将两者连接起来，因此，本文选择壳单元Quqrd4及Tria3进行白车身钣金结构的模拟。为了方便之后的研究，本次模型选用全承载式的汽车车身，其中骨架结构利用方形管连接而成能做到与汽车实际结构相符合。模型中主要部件有前、后纵梁、地板、门槛、前后支撑和后围板等。焊接方式较多样化，包括无质量的纵梁Beam、RBE2单元等在，本次模型焊点位置主要选用RBE2连接节点，完成后的有限元模型中包括多个REB2单元和Quqrd单元，能为之后车身结构刚度分析奠定基础条件。
2 车身轻量化设计前后刚度探究及模拟化分析
2.1弯曲刚度分析
在进行汽车车身弯曲刚度计算时，根据实验情况，需要在SAE坐标系下，对左前支撑点的三轴方向进行自由度约束，在右前支撑点约束其X与Z方向的自由度，同时在左后支撑点约束其Y与Z方向的自由度，对右后支撑点进行Z方向的自由度约束。在前后支撑轴的中间位置要设置一个截面宽度为100毫米的槽钢，保持槽钢和汽车车身接触区域的宽度为100毫米，为了进一步分析汽车车身弯曲刚度，要使槽钢在中间轴两侧对称位置添加载荷，通常施加305kg砝码[1]。对于汽车白车身结构来讲，其弯曲刚度可根据底板在汽车车身长度方向上的挠度曲线进行评估，进一步根据有限元模型进行车身刚度分析。通过实验计算白车身Z方向上的挠度及挠度曲线，能发现实验位移曲线和仿真位移曲线变化趋势一致，并在某一点处的Z方向上出现最大位移距离。在分析汽车白车身结构时，可通过车身结构中纵梁底部挠度值来判断其弯曲刚度，表达式为：K=。其中，分子代表作用在车身Z方向的荷载分量，分母为车身纵梁下端的最大挠度。进行弯曲刚度实验过程中，最大挠度是-0.14mm，将该数值带入上述表达式中，可计算出车身弯曲刚度。同时还需要计算仿真弯曲刚度，对两者进行比较分析。在于国际上规定的车身设计刚度值要求进行比较，可发现计算求得的刚度值均超过标准设计值，说明这一样车符合设计要求，并且通过比较仿真弯曲刚度和实验弯曲刚度，发现该车还有较大刚度改进空间。
2.2扭转刚度分析
进行车身扭转刚度设计时，根据实验情况选取约束条件，在SAE坐标系下，在车身前端支撑点约束其三轴方向的平动自由度，同时在后支撑点施加方向相反大小相同的力，最终形成扭矩大小是2000N·m的力偶[2]。对于车身结构扭转刚度而言，在对其进行评价时，可通过分析相关部位的变形程度来确定其扭转刚度，如根据底板在汽车车身长度方向的转角变化曲线，便能对车身扭转刚度有准确评价。另外，还可根据门锁锁眼的位置变化情况以及中间轴扭转角来判断车身刚度特性，进一步通过提高车身扭转刚度来强化其性能。在计算车身扭转角时，可发现其主要与车纵梁监测点挠度和前车距等要素有关，可根据已知表达式求得汽车扭转刚度。总的来说，在进行车身刚度分析时，需要借助有限元模型作用，在此基础上进行刚度分析和模态分析，能做到对车身结构刚度的准确掌握，从而在满足刚度设计标准的情况下，减少车身质量。
3 结论
综上所述，在能源节约理念影响下，纯电动汽车体现出较大市场潜力，应在加大对其轻量化设计研究的基础上，提高电动车性能。本文主要以提高刚度为目标，在建立有关模型的基础上，进行纯电动车的轻量化设计，进一步实现电动车结构的优化设计，在满足车身刚度要求的同时，尽可能减轻车身质量，是未来电动汽车主要设计方向。
参考文献：
[1]丰亮. 基于刚度和模态分析的纯电动汽车白车身轻量化设计[D].湖南大学，2017.
[2]刘卫斌，郝琪，潘文杰.基于相对灵敏度的纯电动汽车白车身轻量化设计[J].湖北汽车工业学院学报，2016，30（04）：9-13.