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摘 要：本文面向电动汽车电机轻量化研究，以某电机驱动电动汽车为目标对象，调查电机轻量化技术路径，分析其可行性，进行电动汽车电机壳体轻量化设计，为电动汽车轻量化提供技术参考和理论支持。本文对纯电动汽车电机壳体在6种不同工况下的强度进行了分析评价，使用Hypermesh、Optistruct等软件，运用拓扑优化方法，优化设计了纯电动汽车电机壳体，保证其在不同运行工况下强度均满足使用要求，以降低电机壳体的质量为设计目标，改善电动汽车的能源利用率。结果显示，经过优化后电机壳体的质量相较之前下降了12.3%，为电动汽车电机壳体的优化设计提供了经验。
关键词：电动汽车电机壳体 拓扑优化 轻量化
Research on the Lightweight of Electric Vehicle Motor Housing
Hou Qianhe Ding Dianyong Bai Xin Han Jiawei Huang Hanzhang Dong Xiaowu
Abstract：This paper is oriented to the research on the lightweight of electric vehicle motors，taking a motor-driven electric vehicle as the target object，investigating the technical path of the motor lightweight，analyzing its feasibility，and carrying out the lightweight design of the electric vehicle motor housing，and providing a technical reference for the lightweight of electric vehicles and theoretical support. This paper analyzes and evaluates the strength of pure electric vehicle motor housing under 6 different working conditions. Using Hypermesh，Optistruct and other software，and the topology optimization methods，the pure electric vehicle motor housing is optimized to ensure that it is in different conditions. Under the operating conditions，the strength meets the requirements of use，and the design goal is to reduce the quality of the motor housing to improve the energy efficiency of electric vehicles. The results show that the quality of the motor housing after optimization has dropped by 12.3% compared to before，which provides experience for the optimal design of the motor housing of electric vehicles.
Key words：electric car motor housing，topology optimization，lightweight
近年来，我国纯电动汽车保有量迅速增多，已逐渐成为未来发展的趋势。在制约纯电动汽车发展的影响因素中，汽车质量的增加将对动力性和燃油经济性产生较大的影响。电动机作为电动汽车驱动系统中不可缺少的零件，其结构较为复杂，质量一般较大。根据资料显示，将汽车的整备质量下降十分之一，纯电动汽车的续航里程将会被提升百分之十至百分之二十 。轻量化被视为实现节能减排最经济且行之有效的手段。王良模等[1]针对某越野车在行驶路况复杂、载荷多变等情况下，动力总成壳体出现开裂的现象，运用有限元模态分析和模态试验相结合的方法，研究了动力总成的振动模态，并对其进行了结构优化。针对动力总成壳体的轻量化设计，Kandreegula等[2]采用非线性拓扑优化的方法对变速器壳体进行结构优化及轻量化设计。袁世林等人[3]在保证结构强度的前提下，对箱体进行轻量化设计，实现了在产品设计初期对变速器箱体的结构设计和强度预测，为后续设计提供借鉴，缩短了产品开发周期。上述研究主要是利用结构优化设计手段对传统燃油车动力总成壳体进行轻量化设计。然而，纯电动汽车电机壳体相对燃油车动力总成结构更加复杂，轻量化性能要求更高。故需要从设计优化、材料匹配、制造工艺等多方面对纯电动汽车电机壳体进行轻量化设计。
本文提出一种以保证续航里程、提高整车性能以及实现汽车轻量化为目标来降低电动汽车电机壳体质量的方法，这一方法将为之后的轻量化设计提供设计经验。
1 电机壳体轻量化技术路线
纯电动汽车电机轻量化是指在保证电机使用性能的条件下，以改善汽车动力性和能源利用率为目标，尽可能的降低电机质量。
1.1 电动汽车电机壳体结构优化
目前常用的零件結构优化方法共有三种，分别是尺寸优化、形貌优化和拓扑优化。相比于尺寸优化和形貌优化，拓扑优化可以更好的综合模型的使用情况来进行优化设计，其设计对象为零件结构不同的节点分布和所属位置。本文采用拓扑优化方法。 1.2 电动汽车电机壳体应用材料
轻量化设计中轻量化材料的选择是最重要的环节，材料的屈服强度和抗拉强度决定了零件结构的许用应力，在多元材料设计体系下合理的使用各种材料才能有效实现轻量化。经过调研，达到与400kg普通钢相等强度时所需材料的质量如图1所示，可以看出碳纤维复合材料的轻量化程度最好，但其制造成本较高，目前只有一些高端车型或部分零部件有应用。目前市场上镁、鋁合金被广泛应用于制造领域，在考虑经济因素的影响下，镁铝合金的材料密度低、提高材料强度性能显著，轻量化效果最好。且镁、铝合金是环保型材料，废料可回收利用。
1.3 电动汽车电机壳体制造工艺
由于新材料的出现，再加上研究人员不断的努力，许多新型工艺得到了发展，其中以压铸为代表的成型工艺在汽车工业的发展中广泛应用。制造工艺方面，铝合金可应用低压铸造、普通高压铸造及半固态触变工艺，镁合金可应用高压真空铸造和充氧铸造。
2 电动汽车电机壳体有限元仿真
2.1 电动汽车电机壳体有限元建模
考虑之前所述的影响因素，本文设计的电动汽车电机壳体决定采用ZL114A铝合金为制造材料。相比于其他铝合金材料，选用ZL114A铝合金的目的主要考虑其有良好的力学性能，加工制造方便，且成本适中，符合实际生产制造要求。考虑该电机壳体的强度和壳体在不同方向的变形量，从模型结构的类型、形状特征和最终求解精度出发，综合考虑拓扑优化的形式和特点来选择绘制的网格单元类型。仿真过程中设定平均网格尺寸为5mm，局部尺寸4mm，最小角度大于10度，最大角度小于150度。完成载荷定义和约束后得到如图2所示的有限元模型。
2.2 电动汽车电机壳体有限元仿真结果分析
对于该电动汽车电机壳体的强度分析共设定有六种不同工况，其中正常行驶工况下分为三种不同工况，极限行驶工况下亦分为三种不同工况，6种工况分别在有限元分析中表示为：
分别对上述6种工况进行仿真模拟，结果如下：
工况1下电动汽车电机壳体高应力区主要集中在后端盖沿x轴螺栓孔处，电机壳体所受的最大应力为10.24Mpa，小于铝合金材料的屈服强度，满足强度要求。
工况2下电动汽车电机壳体高应力区主要集中在后端盖沿y轴螺栓孔处，电机壳体所受的最大应力为17.42Mpa，小于材料的屈服强度，满足强度要求。
工况3下电动汽车电机壳体高应力区主要集中在后端盖沿z轴螺栓孔处，电机壳体所受最大应力为28.39Mpa，小于材料的屈服强度，满足强度要求。
工况4下电动汽车电机壳体高应力区主要集中在后端盖沿x轴螺栓孔处，所受的最大应力为32.45Mpa，小于材料的屈服强度，满足强度要求。
工况5下电动汽车电机壳体高应力区主要集中在后端盖沿y轴螺栓孔处，所受的最大应力为48.25Mpa，小于材料的屈服强度，满足强度要求。
工况6下电动汽车电机壳体高应力区主要集中在后端盖沿z轴螺栓孔处，所受最大应力为56.77Mpa，小于材料的屈服强度，满足强度要求。
通过上述分析，结合不同工况下的电动汽车电机壳体强度云图，可得结论：该电机壳体模型在六种工况下均满足强度使用要求，故可以减去电机壳体的部分材料达到电机壳体轻量化的目的。
3 电机壳体的结构优化及轻量化设计
拓扑优化设计[4]多利用Optistruct软件进行，其基本流程图为图3所示。
对电动汽车电机壳体进行拓扑优化设计时，考虑到实际工况下的载荷复杂性，在优化时会人为给模型添加许多原本不存在的约束条件，容易导致计算结果误差大且精度不高。当这种情况发生时，通过采用惯性释放[5]的方法，平衡结构所受的外力，从而消除边界条件对应力计算结果的影响。
首先进行电机壳体拓扑优化计算前处理，定义优化的目标变量为质量，优化的目标为电机壳体减重。接着进行结构拓扑优化，通过设置优化区域、设置优化求解，得到了优化后的结构密度云图，如图4和图5所示。
参考零件结构的密度云图，选择相对密度阈值，删除相对密度小于阈值的单元，保留大于阈值的单元，并对模型进行光滑处理，优化结构。蓝色显示区域是主要优化区域，在此区域内可去除适当的材料，从而完成电机壳体轻量化设计。本文的优化设计主要思路是减薄电机壳体而不改动安装孔和安装面，可以减去电机壳体外套、后端盖和控制器壳体的部分材料，以达到轻量化的目的。
根据上述优化思路，进行电动汽车电机壳体的模型优化[6]。更改电机壳体模型后主要优化在以下三个方面，一是将电动汽车电机壳体内壳体的内表面向外偏置2mm（即向外减薄2mm）;二是将安装盘厚度尺寸减薄0.8mm;三是将控制器壳体盖板面向下减薄2mm。
在完成对电机壳体模型修改重建之后，使用零件结构的性能评价方法再次验证优化结果的强度是否符合设计要求。
通过观察优化后的强度云图，可以得到：不同工况下，优化后的电机壳体模型的高应力区与优化前基本相同;优化后不同工况模型所受的最大应力值有所提高，分别为11.03Mpa、23.14Mpa、35.08Mpa、36.55Mpa、64.22Mpa、70.16Mpa，但仍小于铝合金材料的屈服强度，安全裕度较大，满足强度的使用要求。
4 优化结果分析
表2显示了优化前后模型的强度对比，表3显示了优化前后模型的质量对比。可以得出该设计优化能够满足强度要求，且符合轻量化设计原则;电机壳体质量由原先的15.018kg经过优化后变为13.178kg，减重12.3%，满足轻量化设计减重效果。
采用本文的优化方法，在满足强度要求的前提下减少了电机壳体的质量，对电动汽车电机壳体进行了有效的轻量化设计。但在真实运行工况下电机壳体还将存有应力集中等问题，有待进一步研究。
基金项目：江苏大学第19批大学生科研课题立项资助项目，编号：19A356。
参考文献：
[1]王良模，王文源，张一京，陈荣华，袁刘凯，张汤赟.基于模态分析的某越野车动力总成壳体结构优化[J].南京理工大学学报，2015，39（03）：358-362.
[2]Kandreegula，Suresh Kumar，et，al. Structural Non-linear Topology Optimization of Transmission Housing and Its Experimental Verification. SAE Technical Paper，2015-01-0098.
[3]袁世林，周磊，胡健.某双离合自动变速器箱体强度分析和轻量化设计[J].农业装备与车辆工程，2013，51（09）：39-43.
[4]李好.基于变密度法的连续体结构拓扑优化方法[D].武汉：华中科技大学，2011.
[5]韩凤霞.刚柔耦合和惯性释放在转向节有限元分析应用[J].北京信息科技大学学报，2014，29（4）：82-85.
[6]方源，章桐，于蓬，郭荣.电动车动力总成有限元建模方法的研究[J].机械传动，2015，39（09）：20-25.
关键词：电动汽车电机壳体 拓扑优化 轻量化
Research on the Lightweight of Electric Vehicle Motor Housing
Hou Qianhe Ding Dianyong Bai Xin Han Jiawei Huang Hanzhang Dong Xiaowu
Abstract：This paper is oriented to the research on the lightweight of electric vehicle motors，taking a motor-driven electric vehicle as the target object，investigating the technical path of the motor lightweight，analyzing its feasibility，and carrying out the lightweight design of the electric vehicle motor housing，and providing a technical reference for the lightweight of electric vehicles and theoretical support. This paper analyzes and evaluates the strength of pure electric vehicle motor housing under 6 different working conditions. Using Hypermesh，Optistruct and other software，and the topology optimization methods，the pure electric vehicle motor housing is optimized to ensure that it is in different conditions. Under the operating conditions，the strength meets the requirements of use，and the design goal is to reduce the quality of the motor housing to improve the energy efficiency of electric vehicles. The results show that the quality of the motor housing after optimization has dropped by 12.3% compared to before，which provides experience for the optimal design of the motor housing of electric vehicles.
Key words：electric car motor housing，topology optimization，lightweight
近年来，我国纯电动汽车保有量迅速增多，已逐渐成为未来发展的趋势。在制约纯电动汽车发展的影响因素中，汽车质量的增加将对动力性和燃油经济性产生较大的影响。电动机作为电动汽车驱动系统中不可缺少的零件，其结构较为复杂，质量一般较大。根据资料显示，将汽车的整备质量下降十分之一，纯电动汽车的续航里程将会被提升百分之十至百分之二十 。轻量化被视为实现节能减排最经济且行之有效的手段。王良模等[1]针对某越野车在行驶路况复杂、载荷多变等情况下，动力总成壳体出现开裂的现象，运用有限元模态分析和模态试验相结合的方法，研究了动力总成的振动模态，并对其进行了结构优化。针对动力总成壳体的轻量化设计，Kandreegula等[2]采用非线性拓扑优化的方法对变速器壳体进行结构优化及轻量化设计。袁世林等人[3]在保证结构强度的前提下，对箱体进行轻量化设计，实现了在产品设计初期对变速器箱体的结构设计和强度预测，为后续设计提供借鉴，缩短了产品开发周期。上述研究主要是利用结构优化设计手段对传统燃油车动力总成壳体进行轻量化设计。然而，纯电动汽车电机壳体相对燃油车动力总成结构更加复杂，轻量化性能要求更高。故需要从设计优化、材料匹配、制造工艺等多方面对纯电动汽车电机壳体进行轻量化设计。
本文提出一种以保证续航里程、提高整车性能以及实现汽车轻量化为目标来降低电动汽车电机壳体质量的方法，这一方法将为之后的轻量化设计提供设计经验。
1 电机壳体轻量化技术路线
纯电动汽车电机轻量化是指在保证电机使用性能的条件下，以改善汽车动力性和能源利用率为目标，尽可能的降低电机质量。
1.1 电动汽车电机壳体结构优化
目前常用的零件結构优化方法共有三种，分别是尺寸优化、形貌优化和拓扑优化。相比于尺寸优化和形貌优化，拓扑优化可以更好的综合模型的使用情况来进行优化设计，其设计对象为零件结构不同的节点分布和所属位置。本文采用拓扑优化方法。 1.2 电动汽车电机壳体应用材料
轻量化设计中轻量化材料的选择是最重要的环节，材料的屈服强度和抗拉强度决定了零件结构的许用应力，在多元材料设计体系下合理的使用各种材料才能有效实现轻量化。经过调研，达到与400kg普通钢相等强度时所需材料的质量如图1所示，可以看出碳纤维复合材料的轻量化程度最好，但其制造成本较高，目前只有一些高端车型或部分零部件有应用。目前市场上镁、鋁合金被广泛应用于制造领域，在考虑经济因素的影响下，镁铝合金的材料密度低、提高材料强度性能显著，轻量化效果最好。且镁、铝合金是环保型材料，废料可回收利用。
1.3 电动汽车电机壳体制造工艺
由于新材料的出现，再加上研究人员不断的努力，许多新型工艺得到了发展，其中以压铸为代表的成型工艺在汽车工业的发展中广泛应用。制造工艺方面，铝合金可应用低压铸造、普通高压铸造及半固态触变工艺，镁合金可应用高压真空铸造和充氧铸造。
2 电动汽车电机壳体有限元仿真
2.1 电动汽车电机壳体有限元建模
考虑之前所述的影响因素，本文设计的电动汽车电机壳体决定采用ZL114A铝合金为制造材料。相比于其他铝合金材料，选用ZL114A铝合金的目的主要考虑其有良好的力学性能，加工制造方便，且成本适中，符合实际生产制造要求。考虑该电机壳体的强度和壳体在不同方向的变形量，从模型结构的类型、形状特征和最终求解精度出发，综合考虑拓扑优化的形式和特点来选择绘制的网格单元类型。仿真过程中设定平均网格尺寸为5mm，局部尺寸4mm，最小角度大于10度，最大角度小于150度。完成载荷定义和约束后得到如图2所示的有限元模型。
2.2 电动汽车电机壳体有限元仿真结果分析
对于该电动汽车电机壳体的强度分析共设定有六种不同工况，其中正常行驶工况下分为三种不同工况，极限行驶工况下亦分为三种不同工况，6种工况分别在有限元分析中表示为：
分别对上述6种工况进行仿真模拟，结果如下：
工况1下电动汽车电机壳体高应力区主要集中在后端盖沿x轴螺栓孔处，电机壳体所受的最大应力为10.24Mpa，小于铝合金材料的屈服强度，满足强度要求。
工况2下电动汽车电机壳体高应力区主要集中在后端盖沿y轴螺栓孔处，电机壳体所受的最大应力为17.42Mpa，小于材料的屈服强度，满足强度要求。
工况3下电动汽车电机壳体高应力区主要集中在后端盖沿z轴螺栓孔处，电机壳体所受最大应力为28.39Mpa，小于材料的屈服强度，满足强度要求。
工况4下电动汽车电机壳体高应力区主要集中在后端盖沿x轴螺栓孔处，所受的最大应力为32.45Mpa，小于材料的屈服强度，满足强度要求。
工况5下电动汽车电机壳体高应力区主要集中在后端盖沿y轴螺栓孔处，所受的最大应力为48.25Mpa，小于材料的屈服强度，满足强度要求。
工况6下电动汽车电机壳体高应力区主要集中在后端盖沿z轴螺栓孔处，所受最大应力为56.77Mpa，小于材料的屈服强度，满足强度要求。
通过上述分析，结合不同工况下的电动汽车电机壳体强度云图，可得结论：该电机壳体模型在六种工况下均满足强度使用要求，故可以减去电机壳体的部分材料达到电机壳体轻量化的目的。
3 电机壳体的结构优化及轻量化设计
拓扑优化设计[4]多利用Optistruct软件进行，其基本流程图为图3所示。
对电动汽车电机壳体进行拓扑优化设计时，考虑到实际工况下的载荷复杂性，在优化时会人为给模型添加许多原本不存在的约束条件，容易导致计算结果误差大且精度不高。当这种情况发生时，通过采用惯性释放[5]的方法，平衡结构所受的外力，从而消除边界条件对应力计算结果的影响。
首先进行电机壳体拓扑优化计算前处理，定义优化的目标变量为质量，优化的目标为电机壳体减重。接着进行结构拓扑优化，通过设置优化区域、设置优化求解，得到了优化后的结构密度云图，如图4和图5所示。
参考零件结构的密度云图，选择相对密度阈值，删除相对密度小于阈值的单元，保留大于阈值的单元，并对模型进行光滑处理，优化结构。蓝色显示区域是主要优化区域，在此区域内可去除适当的材料，从而完成电机壳体轻量化设计。本文的优化设计主要思路是减薄电机壳体而不改动安装孔和安装面，可以减去电机壳体外套、后端盖和控制器壳体的部分材料，以达到轻量化的目的。
根据上述优化思路，进行电动汽车电机壳体的模型优化[6]。更改电机壳体模型后主要优化在以下三个方面，一是将电动汽车电机壳体内壳体的内表面向外偏置2mm（即向外减薄2mm）;二是将安装盘厚度尺寸减薄0.8mm;三是将控制器壳体盖板面向下减薄2mm。
在完成对电机壳体模型修改重建之后，使用零件结构的性能评价方法再次验证优化结果的强度是否符合设计要求。
通过观察优化后的强度云图，可以得到：不同工况下，优化后的电机壳体模型的高应力区与优化前基本相同;优化后不同工况模型所受的最大应力值有所提高，分别为11.03Mpa、23.14Mpa、35.08Mpa、36.55Mpa、64.22Mpa、70.16Mpa，但仍小于铝合金材料的屈服强度，安全裕度较大，满足强度的使用要求。
4 优化结果分析
表2显示了优化前后模型的强度对比，表3显示了优化前后模型的质量对比。可以得出该设计优化能够满足强度要求，且符合轻量化设计原则;电机壳体质量由原先的15.018kg经过优化后变为13.178kg，减重12.3%，满足轻量化设计减重效果。
采用本文的优化方法，在满足强度要求的前提下减少了电机壳体的质量，对电动汽车电机壳体进行了有效的轻量化设计。但在真实运行工况下电机壳体还将存有应力集中等问题，有待进一步研究。
基金项目：江苏大学第19批大学生科研课题立项资助项目，编号：19A356。
参考文献：
[1]王良模，王文源，张一京，陈荣华，袁刘凯，张汤赟.基于模态分析的某越野车动力总成壳体结构优化[J].南京理工大学学报，2015，39（03）：358-362.
[2]Kandreegula，Suresh Kumar，et，al. Structural Non-linear Topology Optimization of Transmission Housing and Its Experimental Verification. SAE Technical Paper，2015-01-0098.
[3]袁世林，周磊，胡健.某双离合自动变速器箱体强度分析和轻量化设计[J].农业装备与车辆工程，2013，51（09）：39-43.
[4]李好.基于变密度法的连续体结构拓扑优化方法[D].武汉：华中科技大学，2011.
[5]韩凤霞.刚柔耦合和惯性释放在转向节有限元分析应用[J].北京信息科技大学学报，2014，29（4）：82-85.
[6]方源，章桐，于蓬，郭荣.电动车动力总成有限元建模方法的研究[J].机械传动，2015，39（09）：20-25.