微型電動(dòng)游覽車底盤結(jié)構(gòu)的靜動(dòng)態(tài)分析

鄧 號(hào)，路春光，劉偉民

（河北聯(lián)合大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 唐山 063009）

0 引言

電動(dòng)游覽車以其節(jié)能、無尾氣排放﹑噪聲低、使用方便靈活等特點(diǎn)在很多游覽區(qū)得到了廣泛使用。底盤是電動(dòng)游覽車的主要結(jié)構(gòu)，電動(dòng)汽車上絕大多數(shù)零部件都要靠底盤固定和連接，它是承受載荷的主要結(jié)構(gòu)，是整個(gè)電動(dòng)汽車的關(guān)鍵部件。因此，底盤應(yīng)有足夠的剛度和強(qiáng)度，同時(shí)應(yīng)有合理的動(dòng)態(tài)特性以減小整車振動(dòng)［1］。本文應(yīng)用有限元分析軟件ANSYS對(duì)電動(dòng)游覽車底盤結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分析，分析底盤在典型工況下的強(qiáng)度和剛度變化，確定底盤的模態(tài)參數(shù)，為底盤結(jié)構(gòu)的優(yōu)化及輕量化打下基礎(chǔ)。

1 電動(dòng)游覽車底盤有限元模型的建立

圖1為電動(dòng)游覽車實(shí)物圖。該車底盤由主副車架組成，包括若干根橫梁和縱梁，便于安裝和固定其他部件；前端懸掛與減振彈簧相連，中間和后端橫梁承載乘客和電池；后減振與后端橫梁連接。

圖1 電動(dòng)游覽車實(shí)物圖

首先通過Pro／E建立該車底盤三維模型，然后通過ANSYS和Pr o／E的關(guān)聯(lián)接口IGES文件格式將三維模型導(dǎo)入ANSYS系統(tǒng)進(jìn)行有限元分析計(jì)算。在建模時(shí)，既要反映底盤的實(shí)際特征，又不能使結(jié)構(gòu)太復(fù)雜，因此必須對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化［2］。底盤有限元模型如圖2所示。

圖2 底盤有限元模型

微型電動(dòng)游覽車底盤采用實(shí)體建模，所以結(jié)構(gòu)分析時(shí)采用實(shí)體單元，在有限元模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分的過程中采用了solid186單元［3］，此單元是一個(gè)高階3維20節(jié)點(diǎn)固體結(jié)構(gòu)單元，具有二次位移模式，可以更好地模擬不同的網(wǎng)格，模擬精度較高。進(jìn)行有限元分析時(shí)，網(wǎng)格的密度劃分直接影響計(jì)算的精度，經(jīng)過多次網(wǎng)格劃分和計(jì)算，最終采用單元大小為6，邊緣長(zhǎng)度為0.03的六面體網(wǎng)格。由于自由網(wǎng)格劃分對(duì)于單元沒有特殊的限制，也沒有指定的分布模式，而映射網(wǎng)格劃分不但對(duì)單元形狀有所限制，而且對(duì)單元排布模式也有要求，劃分效果更好，計(jì)算精度更高。因此本文采用映射網(wǎng)格劃分的方法，劃分單元后底盤的單元數(shù)為3 729個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為28 122個(gè)。

2 強(qiáng)度與剛度計(jì)算

底盤是微型電動(dòng)游覽車的主要承載結(jié)構(gòu)，其所受應(yīng)力大，受力狀況復(fù)雜，實(shí)際行駛中由于應(yīng)力集中容易出現(xiàn)斷裂，為此對(duì)該底盤進(jìn)行以下兩種典型工況的分析［4］。

2.1 彎曲工況

電動(dòng)汽車在平坦路面上勻速行駛時(shí)，彎曲變形占主導(dǎo)地位，這時(shí)底盤受力近似于靜力狀態(tài)。

2.1.1 施加約束

約束既要滿足底盤自身的變形不受影響，又要保證避免底盤結(jié)構(gòu)的剛體位移，所以應(yīng)在底盤前端懸掛處施加全自由度約束，在底盤后部與彈簧接觸處施加垂直方向的約束。

2.1.2 施加載荷

載荷的正確處理要保證以ANSYS分析的結(jié)果和反映實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)為前提，關(guān)鍵是要根據(jù)不同的計(jì)算工況來確定如何施加載荷。將發(fā)動(dòng)機(jī)﹑控制器﹑電池等作為集中載荷，依據(jù)它們?cè)诘妆P上的位置及與底盤連接的部位將載荷施加到相對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上，乘客﹑座椅等的質(zhì)量通過均布載荷施加到底盤上，應(yīng)用慣性載荷對(duì)底盤重力進(jìn)行處理。

2.1.3 計(jì)算結(jié)果分析

該底盤結(jié)構(gòu)采用碳素結(jié)構(gòu)鋼，經(jīng)ANSYS分析計(jì)算，底盤的最大變形量為0.653 mm，位于底盤前部，如圖3所示。應(yīng)力最大值為12 MPa，位于前懸梁與支架接觸處，如圖4所示，其應(yīng)力滿足底盤材料的屈服強(qiáng)度要求。

圖3 彎曲工況底盤變形圖

圖4 彎曲工況底盤應(yīng)力分布圖

2.2 彎扭工況

電動(dòng)汽車在凹凸不平的路面勻速行駛時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)一車輪瞬時(shí)懸空狀態(tài)，這時(shí)扭轉(zhuǎn)變形占據(jù)主導(dǎo)地位，底盤將承受彎曲和扭轉(zhuǎn)聯(lián)合載荷的作用［5］。該情況下，底盤處于滿載荷狀態(tài)，分析中要去掉懸空處的自由度約束，還要在此處施加車輪和懸架的質(zhì)量。下面以左前輪懸空為例進(jìn)行分析計(jì)算。

2.2.1 施加約束

去掉左前輪懸空處的自由度，其他約束與彎曲工況相同。

2.2.2 施加載荷

在左前輪去掉約束的位置施加懸架和車輪質(zhì)量，其他載荷與彎曲工況相同。

2.2.3 計(jì)算結(jié)果分析

應(yīng)用ANSYS進(jìn)行分析計(jì)算，底盤的最大變形量為0.809 mm，位于底盤前部連接處，如圖5所示。最大應(yīng)力值為15.5 MPa，位于懸掛與支架連接處，如圖6所示。底盤的最大應(yīng)力滿足材料屈服強(qiáng)度要求。

圖5 左前輪懸空時(shí)變形圖

圖6 左前輪懸空時(shí)應(yīng)力圖

3 模態(tài)分析

當(dāng)微型電動(dòng)游覽車在凹凸不平的路面行駛時(shí)，由于路面激振力會(huì)使車體產(chǎn)生不同程度的振動(dòng)。振動(dòng)過于強(qiáng)烈會(huì)使電動(dòng)游覽車某些薄弱結(jié)構(gòu)產(chǎn)生疲勞破壞，頻率達(dá)到一定值會(huì)產(chǎn)生共振和噪聲。通過模態(tài)分析可得到底盤的模態(tài)參數(shù)（振型和固有頻率），以及微型電動(dòng)游覽車在實(shí)際環(huán)境行駛中外部激振頻率的分布狀態(tài)，以使底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的各階模態(tài)的頻率避開共振區(qū)，防止車體發(fā)生共振。

由于底盤結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性可表述為無窮階固有振型的數(shù)學(xué)排列組合，振型對(duì)結(jié)構(gòu)的影響程度是低階的振型比高階的振型大，而且電動(dòng)游覽車一般是在路況較好的情況下行駛，因此模態(tài)分析中選用前10階振型進(jìn)行計(jì)算分析即可反映底盤基本狀況。用Lanczos法［6］對(duì)底盤進(jìn)行模態(tài)分析計(jì)算，施加約束條件與靜力分析基本相同，因?yàn)檎駝?dòng)被假定為自由振動(dòng)，所以外部載荷將被忽略。分析結(jié)果見表1。

表1 底盤模態(tài)計(jì)算分析結(jié)果

電動(dòng)游覽車行駛中對(duì)底盤影響較大的外部激勵(lì)源主要有兩方面：①由于路面不平造成的車輪不平衡激勵(lì)（1 Hz～20 Hz之間）；②發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)造成的簡(jiǎn)諧激勵(lì)［7］。其中發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)造成的影響不大，所以道路因素對(duì)電動(dòng)汽車產(chǎn)生的影響應(yīng)首先考慮。由表1可知，底盤4階固有頻率在路面激勵(lì)影響范圍內(nèi)，最容易發(fā)生共振。在諸多對(duì)底盤強(qiáng)度的影響因素中，扭轉(zhuǎn)影響較大，所以必須從提高底盤的扭轉(zhuǎn)剛度入手。橫梁對(duì)底盤扭轉(zhuǎn)剛度影響最大，可嘗試改變橫梁在底盤的位置和調(diào)節(jié)橫梁的橫截面形狀和尺寸來提高其扭轉(zhuǎn)剛度。

4 結(jié)論

通過對(duì)電動(dòng)游覽車底盤結(jié)構(gòu)的有限元分析，可以得到底盤結(jié)構(gòu)各位置的變形和應(yīng)力狀態(tài)，確定底盤結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。從靜力分析結(jié)果來看，電動(dòng)游覽車底盤在兩種工況下的最大應(yīng)力均滿足材料的屈服強(qiáng)度要求，該底盤的設(shè)計(jì)比較合理。在一車輪懸空時(shí)所受應(yīng)力最大，應(yīng)加強(qiáng)應(yīng)力最大位置的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，避免底盤結(jié)構(gòu)出現(xiàn)斷裂。從模態(tài)分析結(jié)果來看，底盤4階的固有頻率容易引起共振，應(yīng)通過調(diào)整底盤結(jié)構(gòu)，使各階模態(tài)頻率避開路面激勵(lì)頻率，防止車體發(fā)生共振。

［1］ 劉明輝，于學(xué)兵.客車車身結(jié)構(gòu)的有限元分析方法研究［J］.湖北汽車工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2004（12）：20－21.

［2］ 王海亮，金先龍，林忠欽.低地板城市客車車身結(jié)構(gòu)有限元分析［J］.汽車工程，2002（2）：30－31.

［3］ 博嘉科技.有限元分析軟件——ANSYS融會(huì)與貫通［M］.北京：中國水利水電出版社，2002.

［4］ 劉勝乾，顧力強(qiáng)，呂文匯.軍用某型牽引車車架靜動(dòng)態(tài)特性分析［J］.機(jī)械，2006（4）：11－12.

［5］ 張葒蔚，顧力強(qiáng).城市客車車身結(jié)構(gòu)有限元分析［J］.設(shè)計(jì)研究，2003（4）：25－26.

［6］ 汪偉，辛勇.車架有限元建模及模態(tài)分析［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2009（11）：53－54.

［7］ 王暉云，呂寶占，朱思洪.基于ANSYS的輕型載貨汽車車架模態(tài)分析［J］.煤礦機(jī)械，2007（3）：60－61.