基于HyperWorks的電動汽車車架有限元分析

尹安東， 龔來智， 王 歡， 徐俊波

（合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

0 引 言

為了應(yīng)對世界能源緊缺、環(huán)境惡化的難題，近年來傳統(tǒng)汽車開始向以電動汽車為代表的新型汽車的方向發(fā)展［1］。然而，目前電動汽車的研究仍基于對傳統(tǒng)汽車的改進(jìn)。就車架而言，很多企業(yè)嘗試著將傳統(tǒng)汽車的車架運(yùn)用到電動汽車上，但是在實(shí)際應(yīng)用中受到電動汽車的結(jié)構(gòu)、內(nèi)部空間等方面的限制，從而影響了電動汽車優(yōu)勢的發(fā)揮［2］。因此針對電動汽車特點(diǎn)進(jìn)行其車架結(jié)構(gòu)設(shè)計和有限元分析尤為必要。

運(yùn)用有限元分析方法替代傳統(tǒng)設(shè)計方法為縮短產(chǎn)品的設(shè)計周期，降低制造成本，提高產(chǎn)品可靠性提供了強(qiáng)有力的工具。電動汽車車架是整車的基體［3］，它不僅支撐連接電動汽車的各個部件，同時承受來自車內(nèi)外的各種載荷。在復(fù)雜多變的行駛過程中，電動汽車車架受到由自身的載荷而產(chǎn)生的彎矩與剪切力，同時承受著因路面不平而引起的振動，所以在設(shè)計電動汽車車架時，不僅需要考慮車架應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度，還需保證汽車合理的振動特性。因此本文以某款電動汽車車架為研究對象，基于HyperWorks軟件對車架進(jìn)行靜態(tài)分析和動態(tài)模態(tài)分析，為該車架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計和改進(jìn)提供了依據(jù)。

1 電動汽車車架有限元模型的建立

1.1 實(shí)例電動汽車車架的幾何模型

為了便于HyperWorks軟件計算分析，結(jié)合電動汽車車架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，需對模型進(jìn)行必要的簡化處理，以提高計算的準(zhǔn)確性。簡化后的實(shí)例電動汽車車架幾何模型如圖1所示。

圖1. 電動汽車車架的幾何模型

1.2 電動汽車車架有限元模型的建立

1.2.1 車架模型的導(dǎo)入

將由CATIA V5R21建立的車架三維實(shí)體模型文件另存為＊.igs格式文件，并利用 Hyper－Works提供的專門的.igs接口讀入模型，這樣導(dǎo)入的車架模型，沒有模型失真現(xiàn)象［4］。

1.2.2 車架坐標(biāo)系的定義

車架坐標(biāo)系采用oxyz直角動坐標(biāo)系來定義，xoz處于車架左右對稱的平面內(nèi)，當(dāng)車架處于水平狀態(tài)下，x軸平行水平地面指向前方，z軸通過質(zhì)心指向上方，y軸指向駕駛員的左側(cè)，坐標(biāo)系的原點(diǎn)o與車架質(zhì)心重合。

1.2.3 車架模型的網(wǎng)格劃分

首先將車架導(dǎo)入HyperWorks軟件專門的前、后處理器Hypermesh模塊，利用Hypermesh的中面提取功能Midsurface，對車架鈑金件進(jìn)行中面提取，由于提取的中面幾何質(zhì)量較差，需使用Hypermesh幾何清理工具進(jìn)行清理，通過消除缺損和孔洞以及壓縮相鄰曲面的邊界等工作，使模型能夠在更大、更合理的區(qū)域內(nèi)劃分網(wǎng)格，最終得到合格的網(wǎng)格質(zhì)量［5］。這里車架的網(wǎng)格劃分采用Hypermesh的自動網(wǎng)格劃分模塊生成工具，以四邊形殼網(wǎng)格單元為主要的單元形態(tài)，盡量避免使用過多的三角形單元以免局部剛性過大，為使整個車架有限元模型計算的準(zhǔn)確性較高，將單元尺寸定為5mm［6］，并在網(wǎng)格劃分過程中及時檢查相應(yīng)的QI單元質(zhì)量，以得到合理的有限元分析模型。最終將整個車架劃分為307 082個單元，單元節(jié)點(diǎn)數(shù)為306 702個。同時在分析時需使用rigids剛性單元來模擬實(shí)際焊接，將車架各組件連接成一個整體，并得到4 604個焊接剛性單元。車架厚度為3mm。

1.2.4 車架材料的選取

實(shí)例電動汽車車架采用鋁銅合金材料，其相關(guān)特性參數(shù)指標(biāo)為：彈性模量為70GPa，泊松比為0.3，密度為 2.8×103kg／m3，屈服極限為485MPa。

1.2.5 邊界條件的施加

邊界條件是實(shí)際工況在有限元模型中的表現(xiàn)形式［7－8］。通常建立有限元模型的邊界條件需要對實(shí)際工況條件進(jìn)行量化，然后將量化的工況條件定義為模型中的邊界條件。在分析中主要是對車架的前、后懸架支撐點(diǎn)進(jìn)行約束，將車架自重，動力電池、驅(qū)動電機(jī)、動力總成、車身等部件重量以及乘員重量列為車架載荷，并分別以集中載荷和分布載荷的形式加載到車架上。具體的約束、加載形式如下所述。

（1）在進(jìn)行車架的彎曲工況分析時，約束前輪的Uz、Rx、Ry自 由度，約束 后 輪Ux、Uy、Uz、Ry、Rz自由度。其中，Ux、Uy、Uz分別為沿x、y、z軸的平動自由度；Rx、Ry、Rz分別為繞x、y、z軸的轉(zhuǎn)動自由度。

（2）在進(jìn)行車架的扭轉(zhuǎn)工況分析時，對前左、后右輪施加Ux、Uy、Uz、Ry、Rz約束，對前右、后左輪施加Ux、Uy約束。

（3）車架在彎曲工況和扭轉(zhuǎn)工況的加載形式幾乎相同，車架自重通過定義重力加速度施加，驅(qū)動電機(jī)（35kg）和動力總成（60kg）的重量以集中載荷F1＝950N加載，動力電池（180kg）重量以集中載荷F2＝1 800N加載，車身以均布載荷的形式加載，乘員重量以質(zhì)量單元masses模擬分別作用于前后排座椅的定位點(diǎn)上。

有限元模型如圖2所示。

圖2 車架的有限元模型

2 電動汽車車架有限元分析與改進(jìn)

2.1 電動汽車車架靜態(tài)分析

將基于Hypermesh前處理器所建立的車架有限元模型提交OptiStruct求解器求解，進(jìn)行彎曲工況和扭轉(zhuǎn)工況下的車架靜態(tài)分析［9］，并將結(jié)果載入HyperWorks后處理模塊HyperView中，得到車架在彎曲工況和扭轉(zhuǎn)工況下的單元應(yīng)力和節(jié)點(diǎn)位移云圖，分別如圖3、圖4所示。

圖3 彎曲工況下的單元應(yīng)力云圖和節(jié)點(diǎn)位移云圖

圖4 扭轉(zhuǎn)工況下的單元應(yīng)力云圖和節(jié)點(diǎn)位移云圖

由圖3a所示的結(jié)果可以看出，彎曲工況下的單元應(yīng)力最大值為356MPa，未超出材料的屈服極限，其中應(yīng)力較大的區(qū)域主要集中在前、后懸架的支撐點(diǎn)處，整體的應(yīng)力分布較為均勻，絕大部分單元應(yīng)力在12～39MPa之間；圖3b顯示了車架在彎曲工況下的節(jié)點(diǎn)位移，位移最大值為8.5mm，出現(xiàn)在車架前端的橫梁處，大部分在1.5～5.5mm范圍內(nèi)。

圖4a、圖4b是車架在最為危險的一種工況下的單元應(yīng)力云圖和節(jié)點(diǎn)位移云圖，由圖4結(jié)果可知，在扭轉(zhuǎn)工況下的車架單元應(yīng)力最大值達(dá)到693MPa，遠(yuǎn)超材料的屈服極限485MPa，應(yīng)力集中主要表現(xiàn)在車架的前、后懸架支撐點(diǎn)處以及前端車架與前排座椅處車架的連接位置。其余位置的應(yīng)力分布較為均勻，絕大部分單元應(yīng)力在10～77MPa之間。位移的最大值為117mm，出現(xiàn)在車架扭轉(zhuǎn)側(cè)的末端。

2.2 電動汽車車架模態(tài)分析

車架模態(tài)分析的原理是將線性定常系統(tǒng)振動微分方程組中的物理坐標(biāo)變換為模態(tài)坐標(biāo)，使方程組解耦，成為一組以模態(tài)坐標(biāo)及模態(tài)參數(shù)描述的獨(dú)立方程，然后求解出車架系統(tǒng)的模態(tài)頻率等模態(tài)參數(shù)［10］。模態(tài)分析分為自由模態(tài)和約束模態(tài)，本文采用自由模態(tài)分析。

在車架的自由模態(tài)分析時不施加任何約束，此時前6階為剛體模態(tài)［11］，剛體模態(tài)對應(yīng)零頻率［12］。為了消除剛體模態(tài)，在電動汽車車架模態(tài)分析中，從非零頻率（1Hz）起算，直接分析結(jié)構(gòu)彈性模態(tài)及其振型。分析時取車架的前10階模態(tài)進(jìn)行分析，其振動頻率及振型描述見表1所列，車架前6階振型圖如圖5所示。

車架的模態(tài)分析反映了車架整體的剛度性能，同時也是控制汽車常規(guī)振動性能的關(guān)鍵指標(biāo)。為了防止發(fā)生共振，其模態(tài)頻率應(yīng)與激振頻率相差明顯，可以通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計避開可能出現(xiàn)的共振，避免由其產(chǎn)生的破壞。

由于路面不平激勵的振動與汽車的行駛車速有關(guān)，當(dāng)汽車以一定車速v駛過空間頻率n的路面不平度時輸入的時間頻率f是n與v的乘積，即f＝vn［13］。當(dāng)路面激勵頻率與車架結(jié)構(gòu)的模態(tài)頻率相重疊時，車架就會發(fā)生共振，其共振車速為v1＝3.6Lminf，其中Lmin為不同路面的不平度波長最小值［14］。電動汽車一般在平坦公路上行駛，故取Lmin＝1.0m，用常用車速v為0～100km／h來算，由f＝v1／（Lmin×3.6）得到路面不平度的激勵頻率范圍是0～27.8Hz。由表1可見，上述模態(tài)分析的前3階模態(tài)頻率處于這一頻率范圍之內(nèi)，容易產(chǎn)生共振現(xiàn)象。

表1 車架頻率及振型描述

圖5 車架前6階振型圖

2.3 電動汽車車架的改進(jìn)方案

（1）從車架的靜態(tài)分析單元應(yīng)力云圖中可以看出，除了在車架約束處以及前排座椅安裝點(diǎn)附近出現(xiàn)應(yīng)力集中外，整個車架的應(yīng)力分布較為均勻且水平不高，因此不需對車架的整體結(jié)構(gòu)做較大的更改，只需加強(qiáng)懸架支撐處以及前端車架與后車架連接處的強(qiáng)度，以免車架發(fā)生疲勞與塑性變形，導(dǎo)致車架在薄弱環(huán)節(jié)發(fā)生斷裂。為此可考慮適當(dāng)增加薄弱環(huán)節(jié)處材料的厚度以提高強(qiáng)度，也可更換薄弱環(huán)節(jié)的材料屬性，如采用高強(qiáng)度材料。由于車架的絕大部分應(yīng)力水平不高，可適當(dāng)對車架進(jìn)行尺寸優(yōu)化和輕量化，以節(jié)省材料。

（2）在車架的模態(tài)分析中，得到了車架前10階的振動頻率和主要振型，其中車架的前3階模態(tài)頻率恰好落在路面不平激勵的頻率范圍（0～27.8Hz）之內(nèi)，容易產(chǎn)生共振。解決路面激勵與車架的共振問題，需要通過改變車架的質(zhì)量分布，調(diào)整車架的結(jié)構(gòu)參數(shù)來提高車架的固有頻率。

3 結(jié)束語

本文以實(shí)例電動汽車車架為分析研究對象，基于HyperWorks軟件對電動汽車車架進(jìn)行了靜態(tài)分析和模態(tài)分析。

在實(shí)例電動汽車車架的靜態(tài)分析中，彎曲工況屬于安全工況（最大應(yīng)力356MPa小于屈服極限485MPa），扭轉(zhuǎn)工況屬于危險工況（最大應(yīng)力693MPa大于屈服極限485MPa），需加強(qiáng)車架薄弱環(huán)節(jié)的剛度與強(qiáng)度。

在實(shí)例電動汽車車架的模態(tài)分析中，得到車架前10階的振動頻率和主要振型，并結(jié)合模態(tài)分析結(jié)果提出改進(jìn)方案與建議，可為電動汽車車架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供參考。

［1］ 陳清泉，孫逢春，祝嘉光.現(xiàn)代電動汽車技術(shù)［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2002.

［2］ 扶原放，金達(dá)鋒，喬蔚煒.微型電動車車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法［J］.機(jī)械工程學(xué)報，2009，45（9）：210－212.

［3］ 陳家瑞.汽車構(gòu)造：下［M］.第3版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009：161－162.

［4］ 王京濤，楊世文，李 鵬.基于HyperMesh的輕型越野車車架有限元分析［J］.公路與汽運(yùn)，2011（5）：19－22.

［5］ 李 霞，張三川，余紅洋.四座純電動巡邏車車架有限元分析［J］.機(jī)械設(shè)計，2011，28（12）：54－57.

［6］ 羅明軍，王文林，徐高新.陸風(fēng)X6車架有限元分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化［J］.機(jī)械設(shè)計與制造，2009（8）：32－34.

［7］ Abdelal G F，Cooper J E，Robotham A J.Reliability assessment of 3Dspace frame structures applying stochastic finite element analysis［J］.Int J Mech Mater Des，2013，9：1－9.

［8］ Gu Z Q，Mi C J，Wang Y T.A－type frame fatigue life estimation of a mining dump truck based on modal stress recovery method［J］.Engineering Failure Analysis，2012，26：89－99.

［9］ 張勝蘭，鄭冬黎，郝 琪.基于HyperWorks的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007：87－129.

［10］ 張勝蘭，嚴(yán) 飛.基于HyperWorks的車架模態(tài)分析［J］.機(jī)械設(shè)計與制造，2005（4）：10－12.

［11］ 陳 健，周福庚，袁 創(chuàng).輕型卡車車架模態(tài)試驗及有限元模擬分析［J］.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2009，32（Z1）：131－134.

［12］ 譚繼錦，張代勝.汽車結(jié)構(gòu)有限元分析［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2009：145－146.

［13］ 余志生.汽車?yán)碚摚跰］.第4版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006：207－208.

［14］ 楊忠炯，趙曉海，王宇奇.重型礦用汽車車架模態(tài)分析及改進(jìn)［J］.機(jī)械傳動，2009，33（3）：97－99.