本文以Shell Eco-Marathon比赛一款参赛的小型燃料电池汽车为研究对象，对其承载式车身结构进行设计优化。其结构的设计过程还需要考虑Shell Eco-Marathon比赛的赛道规则，除了车辆本身，还要根据赛道剖面进行速度规划，以进一步提高车速。相关的模型建立和结构优化方法也在研究中。
2、承载结构设计
在结构设计方面，需要重点考虑空气动力学、重量、刚度等对汽车效率的影响。由于车身结构的设计已经重点考虑和优化了空气动力学，因此本研究没有在这方面进行改进。但是在优化时需要充分考虑车辆结构力学、载荷的传递，以确保车身具有足够的刚度。同时，出于轻量化的目标，车身结构主要采用复合材料，如碳纤维增强材料、夹层结构材料、以及3D打印部件。此外，本研究还将在不牺牲车身安全性的前提下，尽可能采用一些参赛学生可进行简单制造和组装的连接设计，如碳纤维管的连接接头。
本文介绍了一种基于轻型汽车承载式车身框架结构的优化方法。这种框架结构具有重量轻、强度高的特点，也方便修改和调整。
3、设计和优化过程
详细设计和优化过程如下图1。首先是通过拓扑优化对支撑结构进行设计，其次是在第一步的基础上创建车身结构，第三步是HyperWorks 软件工具进行结构调整和优化。
优化过程
基于Smart Power Team提供的数据进行车身框架的优化，针对车身工作空间进行划分，对部分如通道等不重要的区域进行优化。使用Altair SolidThinking Inspire 2017进行拓扑优化，以获得最大刚度，以30%的起始体积获得的结果如下图2。黄色部分为固定空间，蓝色为车身，绿色部分是拓扑优化的结果。
随后对获得的结果进行分析，并在此基础上建立车身框架的一维模型和夹层结构的二维模型。夹层结构采用SolidWorks 2016软件设计，为其他子部件提供安装点。
使用Altair HyperWorks 2017基于拓扑优化的结构进行载荷情况的模型分析。如下图3，将整体结构分为若干段进行其他详细部件的设计。接下来，使用Altair HyperWorks对管状型材进行优化设计，得到初级和次级支撑的型材厚度和直径。主结构的外径为17.5毫米，厚度为1毫米；二级结构的直径为14毫米，厚度为0.5毫米。但是，出于型材供应的材料规格限制，决定1mm厚度的型材采用13.5毫米的外径。
在上述信息的基础上，采用SolidWorks设计车身结构的2D模型，如图4所示。在2D模型中，部件间需要进行连接。但由于使用的材料不能被焊接，及材料的兼容性问题，相关连接接头的设计将在后文中阐述。
将2D模型的设计再次导入HyperWorks中进行对比优化。为方便制造，在优化时将所有复合材料的厚度设计统一。
车身载荷分析
对车身结构施加载荷，并按照比赛相关规则进行测试分析：
检查负载情况：根据相关比赛规则，在车顶上垂直方向施加700 N的力，对其制动系统和安全带进行测试。
翻车：模拟乘客在系上安全带的条件下，进行翻车安全性测试。
牵引：在与纵轴成-45°，0°和45°角的方向上进行牵引和紧急制动测试。
扭转：假设两个对角轮与地面没有接触，进行扭转测试
没有驾驶员的起重车辆在四个吊点上抬起测试
驾驶员在进入车辆时，把手、地板和方向盘上施加的负载测试
制动和转弯：在转弯时进行紧急制动的测试。
4、车身结构
车身结构的设计还需要进一步考虑成本的降低及框架结构间的连接问题。研究人员采用3D打印技术解决管状型材之间的连接问题。设计开发了一种模具，在模具内将碳纤维型材压合在一起。这种解决方案虽然增加了结构的质量，但简化了装配，并且改善了应力分布。具体如图5所示，其中蓝色为3D打印元件，橙色为碳纤维管，黄色和绿色是碳纤维层压板。
车身框架的管状型材由主支撑和次级支撑结构组成，且通过直径的变化实现管状部件的连接安装。这种结构可在部分发生损坏时进行更换和修补。
固定部件通过层压技术直接连接到相关结构中，如座椅结构直接固定在型材上，从而可调节座椅的纵向位置，并且还可以将结构加固为支撑。下表1给出了所使用的材料规格。
5、优化分析结果
下表2给出了各材料的力-位移测试结果，根据Smart Power Team测算，最高应力主要发生在连接部位的层状结构中，但其没有超过材料强度，不会发生失效。该车身优化后的结构质量为25.8kg，车身连接件重量约为18千克，总重量为43.8千克。
6、结论
框架式车身设计降低了制造成本，且部件的应力满足要求。但需要注意的是，优化模拟的结果与制造结果有所差异，主要原因是软件设计中的接头采用碳纤维层压垫的浸渍。由于该过程需要高温，因此制造过程中不采用层压的方法。碳纤维需要手工铺层，其强度和质量都较难预测和计算。下图6的结构应力表现相对较低，这意味着高强度碳纤维增强型材的潜力还未得到充分利用。下一步的研究将采用玻璃纤维增强复合材料替代碳纤维，从而进一步降低成本。
