基于UG與ANSYS的節(jié)油賽車車架結(jié)構(gòu)分析

齊 鵬，崔宏耀，王 強(qiáng)

（1.東北林業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150040；2.黑龍江工程學(xué)院 汽車與交通工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150050）

全國Honda節(jié)能節(jié)油車競技大賽以“挑戰(zhàn)一升，環(huán)保一生”為口號，以能量節(jié)約為目標(biāo)，要求參賽車輛統(tǒng)一搭載由Honda公司提供的125mL單缸4沖程發(fā)動機(jī)，車身、底盤和控制系統(tǒng)等由參賽者自行設(shè)計(jì)、制作。比賽規(guī)則為計(jì)量參賽車輛在規(guī)定行駛里程所消耗的燃油量，然后換算出1L油行駛的公里數(shù)，行駛公里數(shù)多則達(dá)到節(jié)油目的，以此激勵學(xué)生加強(qiáng)節(jié)能環(huán)保意識和實(shí)現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新能力的培養(yǎng)訓(xùn)練。因此，參賽車輛在設(shè)計(jì)時(shí)必須秉承輕量化的原則，而在整車質(zhì)量中，作為主要承載部件的車架占了較大比例，是輕量化設(shè)計(jì)的首要對象。因此，需在保證研制車輛穩(wěn)定行駛性能和足夠強(qiáng)度與剛度的前提下，采用最優(yōu)的結(jié)構(gòu)才能使車架乃至整車質(zhì)量達(dá)到最輕，以實(shí)現(xiàn)節(jié)油的目的[1]。

1 節(jié)油賽車車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 節(jié)油賽車車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求及參數(shù)

根據(jù)競賽規(guī)則和節(jié)油車制作需要，車架設(shè)計(jì)應(yīng)考慮以下幾方面要求：①車架的類型和結(jié)構(gòu)型式；②發(fā)動機(jī)布置和驅(qū)動型式；③車頭和駕駛室的型式及發(fā)動機(jī)與前軸的位置關(guān)系；④輪胎及支撐懸架的設(shè)計(jì)與選擇；⑤車架和車身的安裝連接[2－3]。

設(shè)計(jì)參數(shù)主要有：Honda公司提供的125mL單缸4沖程發(fā)動機(jī)，乘載1人，駕駛員重量小于40kg；1公升汽油能行駛里程大于300km，行駛速度大于50km／h；能夠變速；要求零部件材質(zhì)輕，車身外形要求流線型好，風(fēng)阻小，即節(jié)油又要美觀。

1.2 節(jié)油賽車車架材料選擇與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)節(jié)油車總體輕量化要求、底盤系統(tǒng)布局和可選用材料條件，設(shè)計(jì)節(jié)油賽車基本結(jié)構(gòu)為空間三角形桁架結(jié)構(gòu)，材質(zhì)為鋁合金，采用惰性氣體保護(hù)焊接工藝連接，加工工藝性好。設(shè)計(jì)驅(qū)動型式：3×1，發(fā)動機(jī)、駕駛員重心中置，保證車輛行駛穩(wěn)定和駕駛員安全駕駛。整個(gè)車架設(shè)計(jì)采用底盤受力式結(jié)構(gòu)，由多個(gè)三角形及梯形基本元素結(jié)構(gòu)組成，同時(shí)考慮到車體受外力碰撞時(shí)對駕駛員的保護(hù)性。設(shè)計(jì)車架長×寬×高為：2 260mm×650mm×520mm。

1.3 基于UG的節(jié)油賽車車架建模

UG是當(dāng)今較為流行的一種工程設(shè)計(jì)軟件，功能強(qiáng)大，可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、分析、模擬、組裝到維護(hù)在內(nèi)的全部工業(yè)設(shè)計(jì)流程。本設(shè)計(jì)采用UG軟件進(jìn)行節(jié)油賽車車架的三維建模。車架主要由車架底環(huán)及支撐梁、前后車耳支撐架、車架上環(huán)及支撐梁、動力裝置定位板及加強(qiáng)筋、駕駛員坐板等結(jié)構(gòu)組成，設(shè)計(jì)方法主要采用UG軟件的拉伸功能并進(jìn)行抽殼化處理，節(jié)油賽車車架三維模型如圖1所示。

圖1 車架三維模型

2 節(jié)油賽車車架重量分析

空氣阻力受風(fēng)阻系數(shù)、迎風(fēng)面積和行駛速度三者共同影響，而在相同的外界環(huán)境下車身外形決定了前兩者。汽車總質(zhì)量影響到汽車的滾動阻力、坡道阻力和加速阻力，對汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性影響更大。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在風(fēng)阻和地面摩擦系數(shù)不變的情況下，整車質(zhì)量每減輕100kg，汽車每百公里耗油便會減少0.6～0.7L，即每升汽油能多跑約150km。輕量化車身以減小發(fā)動機(jī)功耗成為賽車車身設(shè)計(jì)中影響成績的關(guān)鍵因素。比賽中賽車的外形不拘一格，造型各異，而車身的選材是關(guān)鍵的因素，金屬薄鋼板、鋁鎂合金、金屬泡沫、有機(jī)玻璃等都是良好的輕質(zhì)車身材料，但考慮到單車手工制作的成本和可行性，鋁合金管材是輕量化車身最理想的選材。它的機(jī)械強(qiáng)度高、比重小、承載強(qiáng)度較高、成形工藝性能好。

設(shè)計(jì)車架選材為鋁合金管材，其平均密度為：2.712×103kg／m3，通過 UG軟件自動計(jì)算車架的質(zhì)量為21kg，發(fā)動機(jī)25kg，傳動件及車殼總質(zhì)量約合8kg，依據(jù)設(shè)計(jì)要求車身自重低于60kg符合設(shè)計(jì)要求。

3 節(jié)油賽車車架靜力學(xué)分析

節(jié)油賽車車架的受力情況如圖2所示。其中前后輪支撐架 Fa1、Fa2、Fe1、Fe2為約束；Fb、Fc1、Fc2、Fd1、Fd2、Fd3為受力載荷，其總載荷為 F＝Fb＋Fc1＋Fc2＋Fd1＋Fd2＋Fd3＝650N。

圖2 受力簡圖

3.1 車架有限元模型建立[4－5]

車架材料為鋁合金管材，其幾何模型由UG軟件創(chuàng)建，單位采用mm，彈性模量EX＝6.8e10Pa，泊松比PRXY＝0.25。采用智能自由網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分精度為4級，網(wǎng)格劃分后的有限元模型如圖3所示，有限元模型中共有1 025個(gè)單元，68 996個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖3 有限元模型

3.2 約束加載及求解

車架框架底面進(jìn)行ALL DOF全約束，約束模型如圖4所示。面載荷1 099Pa，加載模型如圖5所示 。

3.3 結(jié)論及分析

獲得X、Y、Z方向位移云圖及總變形如圖6～圖9所示。

變形量分析：可以看出X方向的最大變形量為0.139mm，Y 方向的最大變形量為0.004mm，Z方向的最大變形量為0.126mm，總方向最大變形為0.142mm?？梢娷嚰艿淖冃沃饕獮樗椒较蜃冃?，變形量很小，充分滿足剛度要求。

獲得X、Y、Z方向應(yīng)力云圖及綜合應(yīng)力云圖，如圖10～圖13所示。

應(yīng)力結(jié)果分析：X方向最大應(yīng)力為198MPa，Y方向最大應(yīng)力82.9MPa，Z方向最大應(yīng)力為94.2MPa，綜合應(yīng)力最大值為182MPa，最大應(yīng)力發(fā)生在基板和立板焊接的接縫處，無論是單個(gè)方向的最大應(yīng)力，還是綜合應(yīng)力值均小于鋁合金管材的許用應(yīng)力800MPa，故充分滿足強(qiáng)度要求。

4 車架有限元模態(tài)分析

彈性模量為EX＝6.8e10Pa，泊松比PRXY＝0.25，密度DENS＝2 712kg／m3。網(wǎng)格劃分同靜力學(xué)分析操作相同。本設(shè)計(jì)是對車架進(jìn)行自由狀態(tài)下的振型模態(tài)分析，獲得第1～6階模態(tài)振型結(jié)果[6]，如圖14～圖19所示。

模態(tài)分析結(jié)果：對結(jié)果按照單位制一致性換算處理，固有頻率為3.406 2Hz的一階模態(tài)最大振動變形量相對值為0.608 5；固有頻率為3.578 6Hz的二階模態(tài)最大振動變形量相對值為10.069；固有頻率為54.735Hz的三階模態(tài)最大振動變形量相對值為1.037 0；固有頻率為6.641 3Hz的四階模態(tài)沿最大振動變形量相對值為1.037 1；固有頻率為7.764Hz的五階模態(tài)最大振動變形量相對值為1.192 9；固有頻率為7.888 6Hz的六階模態(tài)最大振動變形量相對值為1.654 9，而本設(shè)計(jì)節(jié)能車所選發(fā)動機(jī)固有頻率范圍為31.7～66.7Hz，與車架低階固有頻率相差較遠(yuǎn)，故可以避免共振現(xiàn)象發(fā)生，且此模態(tài)分析結(jié)果可為將來車架的進(jìn)一步動態(tài)性能分析提供重要的理論基礎(chǔ)。

5 結(jié)束語

本文利用UG軟件進(jìn)行節(jié)油賽車車架三維建模，并利用有限元分析軟件ANSYS對節(jié)能車車架進(jìn)行靜力學(xué)分析和模態(tài)分析，其強(qiáng)度、剛度及振動頻率均滿足預(yù)定要求，驗(yàn)證了節(jié)油車車架設(shè)計(jì)的合理性，并為輕量化設(shè)計(jì)節(jié)油車車架提供理論參考依據(jù)。

[1]趙志軍.汽車節(jié)油途徑及節(jié)能技術(shù)的探討[J].應(yīng)用能源技術(shù)，2010（8）：46－48.

[2]王桂姣，周建美.節(jié)能車車架選型和輕量化設(shè)計(jì)[J].汽車科技，2008（5）.

[3]趙曉昱，秦曉磊，周誠，等.SUES－1節(jié)能賽車改進(jìn)設(shè)計(jì)[J].上海工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，22（4）：331－335.

[4]馮國勝.客車車身結(jié)構(gòu)的有限元分析[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，1999（1）.

[5]張蕾，王偉.基于有限元法的自卸車車架分析[J].公路與汽運(yùn)，2011，5（3）.

[6]吳迪清，盧炎麟，陳宛兵，等.基于有限元的叉車車架模態(tài)分析及優(yōu)化[J].輕工機(jī)械，2010，28（4）：47－51.