本文以Shell Eco-Marathon比賽一款參賽的小型燃料電池汽車為研究對象，對其承載式車身結構進行設計優化。其結構的設計過程還需要考慮Shell Eco-Marathon比賽的賽道規則，除了車輛本身，還要根據賽道剖面進行速度規劃，以進一步提高車速。相關的模型建立和結構優化方法也在研究中。
在結構設計方面，需要重點考慮空氣動力學、重量、剛度等對汽車效率的影響。由于車身結構的設計已經重點考慮和優化了空氣動力學，因此本研究沒有在這方面進行改進。但是在優化時需要充分考慮車輛結構力學、載荷的傳遞，以確保車身具有足夠的剛度。同時，出于輕量化的目標，車身結構主要采用復合材料，如碳纖維增強材料、夾層結構材料、以及3D打印部件。此外，本研究還將在不犧牲車身安全性的前提下，盡可能采用一些參賽學生可進行簡單制造和組裝的連接設計，如碳纖維管的連接接頭。
本文介紹了一種基于輕型汽車承載式車身框架結構的優化方法。這種框架結構具有重量輕、強度高的特點，也方便修改和調整。
詳細設計和優化過程如下圖1。首先是通過拓撲優化對支撐結構進行設計，其次是在第一步的基礎上創建車身結構，第三步是HyperWorks 軟件工具進行結構調整和優化。
優化過程
基于Smart Power Team提供的數據進行車身框架的優化，針對車身工作空間進行劃分，對部分如通道等不重要的區域進行優化。使用Altair SolidThinking Inspire 2017進行拓撲優化，以獲得最大剛度，以30%的起始體積獲得的結果如下圖2。黃色部分為固定空間，藍色為車身，綠色部分是拓撲優化的結果。
隨后對獲得的結果進行分析，并在此基礎上建立車身框架的一維模型和夾層結構的二維模型。夾層結構采用SolidWorks 2016軟件設計，為其他子部件提供安裝點。
使用Altair HyperWorks 2017基于拓撲優化的結構進行載荷情況的模型分析。如下圖3，將整體結構分為若干段進行其他詳細部件的設計。接下來，使用Altair HyperWorks對管狀型材進行優化設計，得到初級和次級支撐的型材厚度和直徑。主結構的外徑為17.5毫米，厚度為1毫米；二級結構的直徑為14毫米，厚度為0.5毫米。但是，出于型材供應的材料規格限制，決定1mm厚度的型材采用13.5毫米的外徑。
在上述信息的基礎上，采用SolidWorks設計車身結構的2D模型，如圖4所示。在2D模型中，部件間需要進行連接。但由于使用的材料不能被焊接，及材料的兼容性問題，相關連接接頭的設計將在后文中闡述。
將2D模型的設計再次導入HyperWorks中進行對比優化。為方便制造，在優化時將所有復合材料的厚度設計統一。
車身載荷分析
對車身結構施加載荷，并按照比賽相關規則進行測試分析：
檢查負載情況：根據相關比賽規則，在車頂上垂直方向施加700 N的力，對其制動系統和安全帶進行測試。
翻車：模擬乘客在系上安全帶的條件下，進行翻車安全性測試。
牽引：在與縱軸成-45°，0°和45°角的方向上進行牽引和緊急制動測試。
扭轉：假設兩個對角輪與地面沒有接觸，進行扭轉測試
沒有駕駛員的起重車輛在四個吊點上抬起測試
駕駛員在進入車輛時，把手、地板和方向盤上施加的負載測試
制動和轉彎：在轉彎時進行緊急制動的測試。
車身結構的設計還需要進一步考慮成本的降低及框架結構間的連接問題。研究人員采用3D打印技術解決管狀型材之間的連接問題。設計開發了一種模具，在模具內將碳纖維型材壓合在一起。這種解決方案雖然增加了結構的質量，但簡化了裝配，并且改善了應力分布。具體如圖5所示，其中藍色為3D打印元件，橙色為碳纖維管，黃色和綠色是碳纖維層壓板。
車身框架的管狀型材由主支撐和次級支撐結構組成，且通過直徑的變化實現管狀部件的連接安裝。這種結構可在部分發生損壞時進行更換和修補。
固定部件通過層壓技術直接連接到相關結構中，如座椅結構直接固定在型材上，從而可調節座椅的縱向位置，并且還可以將結構加固為支撐。下表1給出了所使用的材料規格。
下表2給出了各材料的力-位移測試結果，根據Smart Power Team測算，最高應力主要發生在連接部位的層狀結構中，但其沒有超過材料強度，不會發生失效。該車身優化后的結構質量為25.8kg，車身連接件重量約為18千克，總重量為43.8千克。
框架式車身設計降低了制造成本，且部件的應力滿足要求。但需要注意的是，優化模擬的結果與制造結果有所差異，主要原因是軟件設計中的接頭采用碳纖維層壓墊的浸漬。由于該過程需要高溫，因此制造過程中不采用層壓的方法。碳纖維需要手工鋪層，其強度和質量都較難預測和計算。下圖6的結構應力表現相對較低，這意味著高強度碳纖維增強型材的潛力還未得到充分利用。下一步的研究將采用玻璃纖維增強復合材料替代碳纖維，從而進一步降低成本。
作者：Micha? Sosnowski、Wojciech Skarka
