1、 第53卷第9期0引言近年來,隨著對節能和環保的重視,純電動汽車開始逐步進入市場。無論是大型客車還是小型乘用車,甚至輕型的小貨車,都在各自領域研發純電動式汽車。車架作為純電動汽車上的重要承載部件,對整車的設計起到至關重要的作用1。與傳統的內燃機汽車相比,電動汽車是以電動機和電池組作為動力總成,其安裝動力總成的車架結構形式也與內燃機汽車有所不同。因此,如何設計出既符合電動汽車的結構形式,又具有良好的安全可靠性的車架是電動汽車開發過程中的首要問題2。傳統的設計方法已經不能滿足現代汽車的設計要求,以有限元技術為代表的虛擬設計已經成為解決各種設計問題的首要手段3。使用HyperWorks 有限元軟件對

2、車架進行有限元分析能夠有效縮短設計周期,節約制造成本4,對車架結構輕量化改進和剛度、強度等測試都具有很大幫助5-6。基于此,本文利用HyperWorks 有限元軟件對某型號城市用純電動物流配送車的輕量化車架展開有限元分析的研究,分析了多種工況下的受力及變形情況,并對其結構特性進行分析和改進。1車架模型簡介及有限元模型的建立1.1車架結構特性本文選用某廠家生產的某型號純電動物流配送車車架作為分析對象,利用三維設計軟件繪制該車架的三維模型,如圖1所示。該車架為邊梁式,邊梁式車架便于安裝車身(貨廂和布置其他總成,有利于改裝變型,因此這種車架在貨車以及一些特種車上應用廣泛7-8。車架長3518mm ,

3、寬1070mm ,焊接而成。車架材料為Q235,彈性模量為2×1011Pa ,密度為7900kg /m 3,泊松比為0.3。收稿日期:2015-07-17修回日期:2015-08-25doi :10.3969/j.issn.1673-3142.2015.09.008純電動物流配送車車架有限元分析及結構改進趙孟陽,朱曉慶,王衛東(266071山東省青島市青島大學機電工程學院摘要車架作為純電動汽車上的主要承載部件,對整車的設計起到至關重要的作用。基于HyperWorks 軟件建立了某型號純電動物流配送車車架的有限元建模,對該車架進行5種工況下的線性靜力學仿真,得到了5種工況下車架的應力及

4、其分布情況,并計算得出相應安全系數。對于不符合強度要求的位置進行結構改進和強度校核,為車架結構的合理化設計提供了理論依據。關鍵詞HyperWorks ;車架;有限元分析;結構改進中圖分類號U463.32+1文獻標志碼A文章編號1673-3142(201509-0031-06The Finite Element Analysis and Structure Improvement of Electric Logistic Vehicle FrameZhao Mengyang ,Zhu Xiaoqing ,Wang Weidong(College of Mechanical and Electri

5、cal Engineering ,Qingdao University ,Qingdao City ,Shandong Province 266071,China Abstract Frame as a major bearing part on pure electric vehicles plays a crucial role in vehicle's design.We built the finiteelement model of pure electric logistic vehicle frame ,and made the linear statics simula

6、tion in four working conditions.We got the stress and its distribution of the frame in five working conditions and calculated the corresponding safety factor.We also made the structure improvement and strength check to the place that does not conform to strength requirement.This provides a theoretic

7、al basis for the rational design of the frame structure.Key words HyperWorks ;frame ;finite element analysis ;structure improvement農業裝備與車輛工程AGRICULTURAL EQUIPMENT &VEHICLE ENGINEERING第53卷第9期Vol.53No.92015年9月September 2015圖1車架幾何結構Fig.1Frame geometry農業裝備與車輛工程2015年 圖2柔性梁單元模擬鋼板彈簧Fig.2Flexible beam e

8、lement simulation leaf spring 圖3車架有限元模型Fig.3Finite element model of the frame1.2有限元模型的建立在對車架進行有限元分析時,為建立準確的有限元模型,劃分出高質量的網格,節約HyperWorks 的計算時間,需要對車架模型進行必要的簡化和相應部件的模擬9-10。對車架進行必要的幾何清理,抽取中面之后,需要對車架進行有限元網格的劃分11。由于幾何模型比較規則,因此有限元模型中采用四邊形殼單元(QUAD 、三角形殼單元(TRIA 和混合型殼單元(MIXED 模擬車架的薄壁件,采用反映主從關系的剛性單元(RBE2模擬零件間的

9、焊接與螺栓連接12。本文對鋼板彈簧的模擬采用柔性梁單元與剛性梁單元組合的方式。鋼板彈簧與吊耳之間采用剛性梁單元,前后剛性梁單元通過一根等效的矩形截面柔性梁來模擬鋼板彈簧,其建模方法如圖2。其中剛性梁單元用RBE2單元模擬,柔性梁單元選用BEAM 單元模擬。柔性梁寬度取鋼板彈簧的實際寬度,本文中車架鋼板彈簧實際寬度為7mm ,其厚度H 可以按式(1取得13。計算得到,車架前鋼板彈簧等效厚度為9.5mm ,后鋼板彈簧等效厚度為10.9mm 。H=L 11ni =2L 1-L i3-L 1-L i -13h 13+h 23+h 3i -1+L 13-L 1-L n3h 13+h 23+h3n3姨(1

10、整個車架模型共創建159604個單元,包括158950個QUAD 單元,614個TRIA 單元,40個BEAM 單元,2789個RBE2單元。車架有限元模型如圖3所示。2車架的線性靜力學分析在物流配送車實際行駛過程中,車架受力狀況十分復雜,會遭遇各種工況,如一個車輪駛過凹坑或駛上凸臺、緊急避讓行人或障礙物時剎車或轉彎等,這些工況都會給車架帶來新的附加載荷,這就需要車架有足夠的強度和剛度來保證在各種行駛工況下的安全可靠14-15。本文在對車架主要部位施加載荷之后,對具有典型代表意義的滿載彎曲、滿載扭轉(前輪扭轉和后輪扭轉、緊急制動、緊急轉彎5種行駛工況進行靜強度計算以及彎曲剛度、扭轉剛度計算,為

11、車架的結構設計提供理論依據。2.1車架彎曲工況分析彎曲工況是汽車在良好路面上勻速行駛時的一種工況,汽車在絕大多數時間都處于彎曲工況。對于彎曲工況,約束部位選取車橋與鋼板彈簧裝配的位置,反映到有限元模型中就是把約束添加在柔性梁上。具體約束如表1所示。彎曲工況車架整體應力云圖如圖4所示。車架所受最大應力123MPa ,發生在后鋼板彈簧的前吊耳位置處,這是由于車架后部承受了較大的貨物載荷所致。彎曲工況車架位移云圖如圖5所示。車架最大位移14.5mm ,發生在車架的后端位置,這可能是后端梁承受貨廂與貨物的重量所致。此數值包括兩部分:一部分是鋼板彈簧的下沉量;另一部分是車架的彎曲變形量。表1彎曲工況邊界

12、條件Tab.1The boundary conditions of bending condition 彎曲工況左前輪右前輪左后輪右后輪約束自由度X 、Y 、Z X 、Y Y 、Z Y釋放自由度ROX 、ROY 、ROZ圖4彎曲工況車架應力云圖Fig.4Stress nephogram of frame under bending condition32第53卷第9期趙孟陽等:純電動物流配送車車架有限元分析及結構改進 表2制動工況邊界條件Tab.2The boundary conditions of braking condition 圖5彎曲工況車架位移云圖Fig.5Displacement

13、 nephogram of frame under bending condition2.2車架扭轉工況分析扭轉工況是汽車行駛過程中最惡劣的一種工況,通常發生在汽車駛過凹坑或駛上凸臺的情況下。對于扭轉工況,本文使一側車輪抬高一定的距離(20cm ,另一側車輪降低一定距離(-20cm 分別來模擬車架前后輪的扭轉受力。其約束條件與彎曲工況相同。后輪扭轉工況下車架整體的應力云圖如圖6所示。車架所受最大應力230MPa ,發生在車架上部第2根橫梁與左縱梁連接位置處。這是因為車架后部發生扭轉,加上貨物載荷的影響,致使橫梁與縱梁連接處應力變大。后輪扭轉工況下車架位移云圖如圖7所示。最大位移出現在車架右后方

14、,其值達到29.0mm 。其值由3部分組成,一部分是右后輪的降低量20mm ,一部分是鋼板彈簧受到貨物載荷影響引起的下沉量,一部分是左后輪的抬高使車架發生的扭轉變形量。前輪扭轉工況下的應力云圖如圖8。最大應力249.6MPa ,已超過材料的屈服極限,發生在車架上方第2根橫梁與右縱梁連接位置處。這是因為車架前部發生扭轉,加上貨物載荷的影響,致使橫梁與縱梁連接處應力變大。前輪扭轉工況下車架位移云圖如圖9。最大位移出現在車架右前方處,其值達到23.8mm ,其數值組成與后輪扭轉工況相似。2.3車架制動工況分析制動工況是汽車行駛過程中經常發生的一種工況,汽車在緊急制動時,由于制動加速度的作用,車架會受

15、一個與行駛方向相反的慣性力作用。對于制動工況,本文以前后輪同時抱死的狀態進行計算,通過施加一個縱向的減速度來模擬汽車緊急制動工況。邊界條件如表2所示。制動況車架應力云圖如圖10。最大應力發生在電池箱架左前的連接處,其值為460MPa ,這是圖6后輪扭轉工況車架應力云圖Fig.6Stress nephogram of frame under torsion condition of rearwheel圖7后輪扭轉工況下車架的位移云圖Fig.7Displacement nephogram of frame under torsion condition of rearwheel圖8前輪扭轉工況下的

16、應力云圖Fig.8Stress nephogram of frame undertorsion condition of front wheel圖9前輪扭轉工況下車架的位移云圖Fig.9Displacement nephogram of frame under torsion condition of frontwheel彎曲工況左前輪右前輪左后輪右后輪約束自由度X 、Y 、Z X 、Y 、Z X 、Z X 、Z釋放自由度ROX 、ROY 、ROZ33農業裝備與車輛工程2015年 表45種工況下車架安全系數Tab.4The safety factor of frame under five w

17、orking conditions圖13轉彎工況下車架的位移云圖Fig.13Displacement nephogram of frame under turning condition由于受到向后的慣性力作用,駕駛室和乘員整體重心后移,加上電池重量的影響,致使該位置承受較大載荷。制動工況車架位移云圖如圖11。最大位移出現在車架后端位置,為6.9mm ,主要原因是慣性力的作用引起車架后端位移增大。2.4車架轉彎工況分析轉彎工況也是汽車行駛過程中常見的一種工況。對于轉彎工況,本文對車架施加一個縱向的減速度和一個橫向的離心加速度,來模擬計算汽車在左轉彎工況下的應力和位移分布,兩個減速度均按0.5g

18、 來計算。轉彎工況的邊界條件如表3。轉彎工況車架應力云圖如圖12。最大應力發生在前鋼板彈簧左前吊耳處,其值為79.0MPa ,這主要是車架受到電池重量和貨物載荷,以及附加慣性力的綜合作用所致。轉彎工況下車架位移云圖如圖13所示,最大位移出現在車架右后端位置,為9.7mm ,主要原因是附加慣性力的作用引起車架后端位移增大。2.5車架靜強度校核根據以上5種工況的計算結果,以及車架材料的屈服極限,計算每種工況的安全系數,如表4。從表4中可以看出,車架最大應力也是出現在扭轉工況下,后輪扭轉工況下安全系數偏低,而前輪扭轉工況下最大應力已超出屈服極限。危險部位主要集中在車架上方的橫梁與縱梁連接位置處,因而

19、考慮對這些位置進行結構上的改進。3車架的結構改進與校核由靜力學分析得知,車架在部分梁連接部位出現應力集中,最大應力超出材料屈服極限。因而,需要對車架出現的這些危險部位進行結構改進,并對整個車架進行強度校核。3.1車架的結構改進(1將車架上部第4根橫梁前移100mm ,以避開與支撐梁的連接,減少該處應力集中。(2在車架上部4根橫梁與縱梁連接位置處,圖10制動工況下車架的應力云圖Fig.10Stress nephogram of frame under braking condition圖11制動工況下車架的位移云圖Fig.11Displacement nephogram of frame und

20、er brakingcondition表3轉彎工況邊界條件Tab.3The boundary conditions of turning condition 轉彎工況左前輪右前輪左后輪右后輪約束自由度X 、Y 、Z X 、Y Y Y釋放自由度ROX 、ROY 、ROZ圖12轉彎工況下車架的應力云圖Fig.12Stress nephogram of frame under turningcondition工況名稱彎曲工況后輪扭轉工況前輪扭轉工況制動工況轉彎工況最大應力/MPa 112.8230.0249.646.079.0安全系數1.91.0超出屈服極限5.13.034第53卷第9期趙孟陽等:純

21、電動物流配送車車架有限元分析及結構改進 表5改進前后車架的靜強度對比Tab.5Comparison of static strength of frame before and after improvement分別添加肋板,厚度均為3.5mm ,以減小車架扭轉受力時這些部位的應力集中。3.2新車架的強度驗算由以上計算結果得知,車架在制動和轉彎工況下所受應力較小,安全系數高,因而這里只對車架所受應力較大的彎曲工況和扭轉工況進行驗算。3.2.1彎曲工況驗算新車架彎曲工況下的應力云圖如圖14所示。最大應力仍然是在后鋼板彈簧的前吊耳位置處,其值為111.8MPa ,與原車架最大應力123.0MPa

22、相比減少了11.2MPa 。3.2.2扭轉工況驗算新車架后輪扭轉工況下的應力云圖如圖15。最大應力仍然是車架上部第2根橫梁與左縱梁連接位置處,其值為180.5MPa ,與原車架最大應力49.5MPa 相比減少了39.7MPa ,改進效果明顯。 新車架前輪扭轉工況下的應力云圖如圖16所示。最大應力由車架上部第3根橫梁與左縱梁連接位置轉移到第2根橫梁與左縱梁連接位置處,其值為204.8MPa ,與原車架在該位置處的最大應力242.2MPa 相比減少了37.4MPa 。3.3改進效果評價綜合以上計算結果,對改進后車架的強度性能進行總結并與原車架對比,評價結構改進效果。改進前后車架的靜強度對比如表5所

23、示。由表5可以看出,車架改進后,滿載彎曲和滿載扭轉工況下最大應力都有降低,其中彎曲工況最大應力降低9.8%,后輪扭轉工況最大應力降低21.5%,前輪扭轉工況最大應力降低17.9%。綜合看來,改進后車架的強度性能有所改善,滿足材料強度要求,改進效果非常明顯。4結論(1對車架進行靜強度計算。研究了滿載彎曲工況、滿載扭轉工況(前輪扭轉工況和后輪扭轉工況、緊急制動工況、緊急轉彎工況下各自載荷和約束條件的處理,然后分別對此5種工況進行計算,得到了每種工況下車架整體的應力分布云圖和位移云圖,為下一步的結構改進及優化提供依據。(2對彎曲工況和扭轉工況下車架的危險部位提出改進意見且實施改進,并驗算了改進后車架

24、在彎曲工況、前輪扭轉工況、后輪扭轉工況下的靜強度。通過與原車架的強度性能對比,得出車架改進效果較好的結論。參考文獻1夏新海.物流配送車輛調度優化研究D .武漢:武漢理工大圖14新車架彎曲工況下的應力云圖Fig.14Stress nephogram of the new frame under bendingcondition圖15新車架后輪扭轉工況下的應力云圖Fig.15Stress nephogram of the new frame under torsion condition of rear wheel圖16新車架前輪扭轉工況下的應力云圖Fig.16Stress nephogram o

25、f the new frame under torsion condition of frontwheel車架性能參數改進前改進后變動量變動率安全系數前輪扭轉最大應力/MPa 249.6204.8-44.8-17.9%1.1滿載彎曲最大應力/MPa 112.8111.8-11.0-9.8%2.1后輪扭轉最大應力/MPa 230.0180.5-49.5-21.5%1.33536 學 ，2004 2 農業裝備與車輛工程 2015 年 Works J Applied Mechanics Materials ，2012 ，229 231 ： 491494 10 王 鐵 ，趙 震 ，陳 峙 ，等基 于

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29、輛 工 程 ，2014 ，52 （8 ）：1721 作者簡介 趙孟陽 （1992 ）， 女 ， 碩士 研究 生 ， 主要從事 汽車 動 態 仿真 與控制 技術方 面 的 研究 。 Email ：1264039562qqcom 5 曾 力 基 于 HyperWorks 的 卡 車車 身 有 限 元 分 析 及 改 進 研究 D 成 都 ： 西 南 交 通大 學 ，2010 6 Deng Z ，Wang L ，Peng S ，et al Finite element analysis and structure improvement on a light duty truck frame bas

30、ed on HyperWorks J Machinery Design Manufacture ，2012 （5 ）： 8486 7 李志 祥 ， 王 軍 杰 ， 吳 德 宏 邊 梁 式 車 架 的結 構 靈 敏 度 分 析 及設 計優 化 J 機械設計與制 造 ， 2010 ，（3 ）：4850 8 李 金 水 ， 劉 金 龍 ， 姜 立 標 某 邊 梁 式 車 架 有 限 元 靜 態 分 析 J 專 用 汽車 ，2010 （3 ）：5153 9 Zhou X M ，Tian Q H ，Du Y X ，et al The finite element analysis of machine tool column of NC gear shaper based on Hyper- 新型密封技術可保護電動車電池組 FreudenbergNOK 公司為電動車開發了先進 的密封件 ， 同時完善產品在全部工況下的性能 ， 該 公司針對電動車開發了以下產品 ： 過壓閥 ： 針對大尺寸鋰離子電池系統 ， 該閥可 以在正常壓力變化范圍內保持密封 。 如果內部電 池壓力超過規定限制 ， 密封