1.1 课题背景和研究意义

近年来，汽车工业发展迅速，汽车保有量逐年增加。由此带来的环境污染和能源短缺的相关问题，相比以前更加明显突出。节能、环保和安全越来越成为汽车制造商及消费者们追求的目标，其中节能和环保已成为影响人类可持续发展的重大问题。由于国内旺盛的市场需求及国家政策的支持，我国新能源汽车产业迅速发展，各大厂商不断推出新能源车型，包括乘用车和电动物流车，而且市场前景良好。新能源汽车的续航里程成为消费者购买新能源汽车的重要参考指标，而汽车总体质量是影响电动汽车续航里程的主要因素。在电池容量不变的条件下，通过汽车轻量化来提高电动汽车续航里程是最有效的措施之一。因此,在保证汽车的整体性能的条件下,减轻整车的质量是至关重要的。

本文主要以国产某电动载货车车架为研究对象，主要研究与讨论车架结构有限元静态分析，尺寸优化及其轻量化效果。车架作为主要承重结构，除了要承受内部载荷以外，还要承受货物载荷和不同工况下的路面冲击。在汽车静止的时候，车架承受着汽车各部件重力及货物载荷，在这种条件下，纵梁会产生弯曲和局部扭转的变形。在汽车行驶的时候，汽车自身的质量和工作负荷(如驱动力、制动力和转向力)会导致车架承受复杂的动载荷，产生弯曲、扭转、侧弯。因此，车架自身重量和结构形式会影响到车使用性能，如静、动态性能、经济性、运行稳定性等。近年来，有限元分析技术已经广泛应用于有关设计分析领域。通过三维建模软件建立三维模型，再通过接口导入 CAE 分析软件中对其进行分析和优化。这样可大大减少设计时间，同时也可准确的分析极限工况下车架静、动态特性，为缩短产品开发周期创造了有利条件。因此，在汽车设计的相关领域，研究人员们都采用有限元技术对结构进行分析及优化。在保证车架强度、刚度满足使用要求以及动态特性良好的前提下, 对电动汽车车架结构进行尺寸优化，从而达到减轻车架自身的重量目的。这样就可以相对地提高电动汽车的续航里程。同时还能够改善汽车性能，而且能有效的降低使车辆的振动和噪声，使得道路和汽车的使用寿命得以延长。因此，在满足车架结构使用性能的前提下，对车架结构实现轻量化具有十分重要的意义。

1.2 国内外研究现状

汽车车架是货车的重要承载部件，而且还要承受在行驶过程中各种工况下产生的冲击。因此，在这种复杂承载情况下，利用有限元分析对其进行结构分析等就显得尤为重要。强度、刚度等各种性能参数是否满足设计要求，直接关系到车辆能否正常行驶，及其安全性。而利用有限元法就可以在短时间内，通过建立正确的有限元模型进行模拟计算，分析车架的各性能参数是否满足使用需求。近些年来，国内外学者及工程人员对车架的有限元分析进行了大量的研究和试验验证。

目前，利用有限元法对汽车结构进行分析的技术在已经相对成熟。随着不断的发展和经验的积累，汽车企业在整车设计过程中基本都采用计算机辅助工程进行分析计算，对其进行静态分析、动态分析等模拟计算，使得设计周期大大缩短，而且还获得了较为精确的模拟分析结果。2004 年，Hadad 等人在修正车架设计方案中利用有限元模态分析结果方面进行了研究。2009年IMusa 采用有限元法确定了卡车底盘的动态特性，如固有频率和模态振型，并通过进行实验模态分析以验证有限元模型。2015年，VinayakR. Tayade通过保持材料和尺寸相似来重新设计用于卡车的改进底盘，并且使用I形横截面而不是C形截面，从而产生更安全的应力，分析了模型的强度和弯曲刚度。2016年，SinghManoj Kumar;Vali R. Hussain;Yagnasri P.等人分析了汽车车架的扭转刚度和弯曲刚度以及模态特性，通过改变车架的几何尺寸和结构性能参数来提高车架的刚度，并达到了轻量化的目的。如今，计算机技术发展迅速，各项技术也十分成熟，有限元分析软件也在不断的更新，有限元法已经被广泛应用于汽车设计优化及分析。

我国研究者在有限元分析在汽车设计与优化方面也取得了较多成果。目前，我国汽车领域的研究人员已经普遍的利用有限元法对车架等零部件进行静态分析、动态分析及优化分析等。2004年，杜海珍利用拓扑优化方法及应用对汽车的典型结构进行了进一步的研究，为了解决材料分布不均导致的应力集中问题，提出了新的优化准则。2012年阮君对某轻卡车架结构采用板壳单元建立有限元模型，对车架进行了弯曲刚度、扭转刚度和模态性能分析，并且对车架进行了拓扑优化分析，获得了车架各项性能参数均有所提高效果。2015年张燕冲以某SUV车架为研究对象，建立有限元模型，对车架进行模态和刚度性能分析，并对车架进行结构尺寸优化设计和灵敏度分析。根据灵敏度分析结果，选出 15 个车架部件，以这些部件的板厚作为尺寸优化的设计变量，以车架总质量最小为目标函数，得到满足设计要求的尺寸优化结果，车架结构减重效果较为明显。有限元分析技术在设计分析研究中的应用给我们的分析研究带来了极大的便利，可以在相对较短的时间内获取我们所需的分析数据或者有关分析结果。

2. 研究的基本内容与方案

2. 本文研究的主要内容

实现汽车轻量化的主要方法有三种：一是使用新材料，为了提高强度和与刚度，会尽可能的使用高强度钢，以及铝合金等轻质合金材料。二是提高加工制造的工艺水平，比如内高压成型技术等；三是车身结构优化，通过拓扑优化、形貌优化和尺寸优化改变车身部件布局、改变部件截面参数和构件形貌特征使车身构件有更好的受力分布，车身整体变得更加协调，以获得轻量化的目的。基于以上背景确立了本课题要研究的内容，在保证刚度性能等性能参数的条件下通过尺寸优化方案，构造出新的电动汽车车架结构，从而达到轻量化的目的。