微型新能源汽車底盤結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度分析及優(yōu)化設(shè)計

王道勝，史振萍

（德州學(xué)院汽車工程學(xué)院，山東 德州 253023）

微型新能源汽車底盤結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度分析及優(yōu)化設(shè)計

王道勝，史振萍

（德州學(xué)院汽車工程學(xué)院，山東 德州 253023）

文章主要針對微型新能源汽車三種危險工況下底盤結(jié)構(gòu)的屈曲強(qiáng)度分析，并對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。采用solidworks軟件建模，導(dǎo)入ansys中進(jìn)行屈曲強(qiáng)度分析，得到微型新能源汽車應(yīng)力和變形變化情況并以此為依據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，有效的保證了微型新能源汽車的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，延長了工作壽命。

新能源汽車；有限元分析；屈曲強(qiáng)度；結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

CLC NO.: U469.7 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)01-21-03

前言

隨著全球能源日趨短缺，環(huán)境污染及全球變暖問題日趨嚴(yán)重，新能源汽車被各國普遍關(guān)注，甚至被提高到關(guān)乎未來國家產(chǎn)業(yè)競爭力的高度。在電動汽車的各結(jié)構(gòu)中底盤結(jié)構(gòu)是最基本的，負(fù)責(zé)連接其它零部件,是主要的承載部件，各種載荷都作用在底盤結(jié)構(gòu)上,底盤結(jié)構(gòu)的性能指標(biāo)在電動車設(shè)計中十分關(guān)鍵，所以底盤結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化設(shè)計意義重大[1]。

1、有限元理論基礎(chǔ)

有限元法是把結(jié)構(gòu)整體分解成一定數(shù)量離散單元進(jìn)行分析計算再由微小單元結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和變化組合成整體強(qiáng)度和變形的過程，有限元法的主要分析過程包括：結(jié)構(gòu)離散化、離散單元有限元分析、集成分析和結(jié)果分析[2]。主要分析流程圖如圖1所示。

圖1 有限元分析流程圖

有限元法在計算時的特點(diǎn)為化整為零和化零為整，鑒于汽車結(jié)構(gòu)受力的復(fù)雜性，汽車底盤結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化若使用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析則需要反復(fù)優(yōu)化和計算，有限元法的運(yùn)用則大大縮減了計算過程和工作量[3]。

2、微型新能源汽車底盤結(jié)構(gòu)受載分析

微型電動車底盤主要由主底盤、副底盤兩部分構(gòu)成，主底盤由兩側(cè)兩根長縱梁、兩根短縱梁和若干根橫梁組成，副底盤由兩根縱梁和四根橫梁組成，這種主副底盤結(jié)構(gòu)可以使底盤空間利用率最大化。該底盤長 2450mm，寬 1280mm，主、副底盤采用標(biāo)準(zhǔn)的矩型管型材焊接而成。具體電動車整車參數(shù)如表 1 所示：

表1 微型新能源汽車主要參數(shù)

微型新能源汽車電動車的主要危險工況包含三種：包括對角兩輪懸空、轉(zhuǎn)彎和緊急剎車，分別稱為I、II、III工況。

2.1 電動車有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

三種工況下分別對其進(jìn)行屈曲強(qiáng)度分析和變形分析，電動車骨架底盤主要由Q235材料焊接而成，材料參數(shù)如表2。

表2 底盤材料屬性及力學(xué)性能

底盤采用solid187單元建模，以尺寸為5mm的六面體網(wǎng)格劃分，在工作狀態(tài)下電車一般保持50km/h速度前行，前端主要載荷為發(fā)動機(jī)和控制器重量；中間部位載荷為座椅和乘客質(zhì)量；后端主要為蓄電池重量，單元數(shù)量為4989個，網(wǎng)格數(shù)量為24781個。I工況應(yīng)力分析云圖如圖2，變形云圖如圖3，由于篇幅限制，工況Ⅱ、Ⅲ的應(yīng)力及應(yīng)變云圖不再展示。

圖2 底座最大應(yīng)力云圖

圖3 底座最大變形云圖

分析可知：微型新能源汽車在工作工程中，主要的受力和變形主要出現(xiàn)在中間兩橫梁位置，I工況下最大應(yīng)力為199MPa，最大變形為5.78mm。Q235材料所允許的屈曲強(qiáng)度235MPa，若取動載系數(shù)為1.3，則許用強(qiáng)度為180MPa，新能源汽車底盤最大強(qiáng)度已大于許用強(qiáng)度，影響了汽車正常壽命。綜合三種工況受力在底盤中間部分焊接一根連接架連接中間兩橫梁，后半部分減震連接處加焊兩根支撐梁，可以有效的減小應(yīng)力集中現(xiàn)象。

2.2 優(yōu)化后模態(tài)分析

模態(tài)分析的具體工作方法是獲取材料結(jié)構(gòu)特征值和特征矢量，特征值就是要知道結(jié)構(gòu)振動的一些基本振型對應(yīng)的頻率[4]，在實(shí)際應(yīng)用中，有時為了加強(qiáng)振動，應(yīng)盡量接近基本頻率，有時為了避免共振，應(yīng)避開這些基本頻率。基本頻率是辨別結(jié)構(gòu)變形快慢的參考，也是結(jié)構(gòu)整體剛度的代表，如果結(jié)構(gòu)的基本頻率低，代表結(jié)構(gòu)剛度很低，相反，如果頻率很高，則代表結(jié)構(gòu)剛度很高[5]。振型的變化是材料在相應(yīng)激振頻率下的變形趨勢，可以根據(jù)變形趨勢改變其結(jié)構(gòu)剛度。優(yōu)化后底盤雖然可以有效降低其應(yīng)力強(qiáng)度和變形，但對于其是否會產(chǎn)生共振仍不能保證，為保證其良好工作性能，對優(yōu)化后底盤進(jìn)行十階模態(tài)分析，獲取其十階模態(tài)下固有頻率，跟汽車工作過程中激震頻率對比，驗(yàn)證其動態(tài)結(jié)構(gòu)特性[6]。

微型新能源汽車在工作過程中，主要受電機(jī)工作頻率和路面激勵為主，其中電機(jī)工作頻率為40HZ-60HZ，路面激震頻率為15HZ。跟表4對比可以發(fā)現(xiàn)，易發(fā)生共振的區(qū)域主要出現(xiàn)在二階到四階之間，但其與固有頻率均不會出現(xiàn)重合。

3、結(jié)論

鑒于新能源汽車壽命較短的問題，在三種工況下對新能源汽車中間部分和后輪部分進(jìn)行優(yōu)化并對優(yōu)化后微型新能源汽車進(jìn)行十階模態(tài)分析，有效的提高了微型新能源汽車壽命并驗(yàn)證其不會產(chǎn)生共振的特性。

[1] 胡雪芳.基于有限元法的某SUV后部碰撞分析研究[J].鄭州大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版),2016,01:1.

[2] 游建軍.基于有限元法的方柱美化天線強(qiáng)度校核[J].機(jī)電工程技術(shù),2016,Z1:124-127.

[3] 曾耀明,史忠良.中外新能源汽車產(chǎn)業(yè)政策對比分析[J]. 企業(yè)經(jīng)濟(jì),2011,02:107-109.

[4] 孫浩然.日本新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展分析[D].吉林大學(xué),2011.

[5] 蔡力鋼,馬仕明,趙永勝,劉志峰,楊文通. 多約束狀態(tài)下重載機(jī)械式主軸有限元建模及模態(tài)分析[J]. 機(jī)械工程學(xué)報,2012,03: 165-173.

[6] 劉昌領(lǐng),陳建義,李清平,仇晨,羅曉蘭. 基于ANSYS的六缸壓縮機(jī)曲軸模態(tài)分析及諧響應(yīng)分析[J]. 流體機(jī)械,2012,08:17-21-26.

Analysis on Buckling Strength of Chassis Structure of New Energy Minicar and its Optimal Design

Wang Daosheng, Shi Zhenping
( Texas college of automotive engineering institute, Shandong Dezhou 253023 )

A This paper focuses on the analysis on buckling strength of chassis structure of new energy minicar under three kinds of dangerous working conditions, and the optimization of its structure. It adopts solidworks software for modeling, then leads it into ansys to conduct buckling strength analysis, then gets the changing situation of stress and deformation of new energy minicar, and on this basis, carries out structure optimization, thus effectively guarantees the structure strength of new energy minicar and prolongs its working life.

New Energy Car; Finite Element Analysis; Buckling Strength; Optimal Design of Structure

U469.7

A

A1671-7988 (2017)01-21-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.01.009

王道勝（1990.08—），男，本科，就讀于德州學(xué)院。