節(jié)能車車架有限元強(qiáng)度分析

雷浩

摘 要：節(jié)能車是為高校參加全國(guó)或世界節(jié)能競(jìng)技大賽，為車輛節(jié)能環(huán)保作出貢獻(xiàn)而生的專業(yè)車輛，為提高其燃油經(jīng)濟(jì)性能，車架的強(qiáng)度、質(zhì)量、疲勞壽命成為了設(shè)計(jì)關(guān)鍵；本文通過使用建模軟件Rhino簡(jiǎn)化模型，有限元分析軟件ANSYS完成車架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，并基于此進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，對(duì)小型車輛的節(jié)能設(shè)計(jì)、開發(fā)具有一定的理論和實(shí)踐意義。

關(guān)鍵詞：節(jié)能車；車架；有限元；強(qiáng)度分析

中圖分類號(hào)：U463 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0.引言

隨著汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，全球能源危機(jī)日益凸顯。于此背景下，Honda于廣州國(guó)際賽車場(chǎng)舉辦了每年一屆的Honda節(jié)能競(jìng)技大賽。為達(dá)到降低油耗的目的，大賽規(guī)定參賽團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)制作的節(jié)能車需規(guī)定時(shí)間、規(guī)定賽程路線下，行駛要求距離（于指定時(shí)間內(nèi)繞賽場(chǎng)行駛3圈），并由所得結(jié)果換算出節(jié)能車每升油能夠行駛的公里數(shù)。為設(shè)計(jì)、制造出油耗低、實(shí)用性高的節(jié)能車輛，質(zhì)量輕、強(qiáng)度高的車架是優(yōu)勝的關(guān)鍵。

利用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法很難綜合考慮車架復(fù)雜受力及變形情況，且經(jīng)常需要依賴長(zhǎng)時(shí)間的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和制作經(jīng)驗(yàn)，而Finite Element Method（有限單元法）正好是輔助解決這一問題的關(guān)鍵。通過有限元靜強(qiáng)度分析，可得出車架抗彎和抗扭特性，對(duì)比材料特性，其分析結(jié)果中的最大應(yīng)力需低于材料許用應(yīng)力極限與安全系數(shù)的比值。而車架開發(fā)具體流程為：二維草圖設(shè)計(jì)—三維模型設(shè)計(jì)—車架網(wǎng)格劃分—邊界條件的施加—選擇合理的求解方式—分析求解結(jié)果—參照結(jié)果進(jìn)行多次優(yōu)化。依照以上設(shè)計(jì)流程，使用的軟件工具為ANSYS APDL完成車架強(qiáng)度分析和優(yōu)化。由于車架使用規(guī)則截面不銹鋼型材搭接焊接制造，因而可使用過ANSYS APDL軟件改變車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如減小梁橫截面積和厚度，于關(guān)鍵受載位置進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化（更改該位置材料屬性或型材特性）等措施，方便地通過更改實(shí)常數(shù)和截面參數(shù)更改車架整體屬性，快速完成車架可控變量輕量化過程。

1.車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

選擇型材搭接焊接的雙層結(jié)構(gòu)車架的強(qiáng)度和剛度最為牢靠，且由于車架結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，故使得車架難被模仿設(shè)計(jì)，但同時(shí)增加了設(shè)計(jì)和分析的難度。車架設(shè)計(jì)方面使用了CAD類設(shè)計(jì)軟件，如常用的Solidworks、AutoCAD、UG、CATIA等軟件完成車架的三維設(shè)計(jì)。

為簡(jiǎn)化三維車架模型，使用CAD類工業(yè)設(shè)計(jì)軟件Rhino對(duì)車架進(jìn)行簡(jiǎn)化（為便于在ANSYS軟件中使用BEAM梁截面單元對(duì)車架進(jìn)行網(wǎng)格劃分，而需通過Rhino對(duì)車架提取其梁截面中線）。而導(dǎo)入模型目的是提取車架梁截面中線作為有限元分析中梁截面網(wǎng)格劃分的參照依據(jù)，使用BEAM188梁?jiǎn)卧獙?duì)車架進(jìn)行網(wǎng)格擬合，其中車架存在兩種截面，分別為長(zhǎng)與寬16mm，厚度1.5mm型材，和長(zhǎng)16mm與寬8mm，厚度1.5mm截面型材，材料均為未經(jīng)特殊處理的不銹鋼型材。

車架模型經(jīng)Rhino軟件簡(jiǎn)化后，導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行模型前處理（包括編輯、賦予材料屬性、劃分網(wǎng)格、施加邊界條件）；其中網(wǎng)格類型選擇Beam188梁?jiǎn)卧?，Beam188梁?jiǎn)卧?節(jié)點(diǎn)單元，每個(gè)節(jié)點(diǎn)含6個(gè)自由度，包括3個(gè)沿X軸，Y軸，Z軸方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，該單元適合較細(xì)或中等厚度的梁結(jié)構(gòu)，分析車架可獲得較好的效果，且計(jì)算簡(jiǎn)便。而且車輪和車架是剛性連接，所以無需模擬懸架。

2.車架分析前處理

車架前處理包括賦予網(wǎng)格相應(yīng)的材料屬性，網(wǎng)格劃分，載荷的確定和施加。本文主要考慮車架在受到最大載荷情況下的最大應(yīng)力值及所處位置作為判別車架強(qiáng)度是否滿足要求的基準(zhǔn)，若最大應(yīng)力出現(xiàn)于駕駛員腳蹬位置及非車架搭接焊縫和座艙、發(fā)動(dòng)機(jī)及其周圍位置（非主要載荷作用位置，非容易導(dǎo)致失效的位置及可能產(chǎn)生應(yīng)力集中的結(jié)構(gòu)形狀突變位置等），則可相應(yīng)地降低安全系數(shù)值以更利于考慮車架的輕量化。

車架網(wǎng)格局部使用ANSYS自適應(yīng)網(wǎng)格劃分的方法，即將車架梁截面網(wǎng)格根據(jù)車架型材長(zhǎng)短而劃分的網(wǎng)格長(zhǎng)度相應(yīng)改變，對(duì)于關(guān)鍵部分進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整單元長(zhǎng)度進(jìn)行劃分。

節(jié)能車車架在劃分完網(wǎng)格前，需考慮到以下實(shí)際情況向理想情況的等效簡(jiǎn)化考慮（非完全等效，因而使用的材料許用應(yīng)力為材料自身最大許用應(yīng)力與安全系數(shù)的比值），如將車架搭接焊接和螺栓緊固連接部位視為剛性連接，發(fā)動(dòng)機(jī)和駕駛員在車架上的分布位置與實(shí)際情況大致相同，駕駛員對(duì)車架的垂向載荷主要分布于座椅支撐位置和腳蹬位置，此外由于發(fā)動(dòng)機(jī)自身工作狀態(tài)下產(chǎn)生振動(dòng)而對(duì)連接的車架部位造成一定的沖擊，故將發(fā)動(dòng)機(jī)垂向載荷乘以一安全系數(shù)（據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)確定安全系數(shù)數(shù)值），以模擬其振動(dòng)變載荷的幅值，同樣車手在快速進(jìn)出車內(nèi)可能對(duì)車架造成一定沖擊，也同樣需確定其安全系數(shù)數(shù)值。車架所受最大工況載荷數(shù)值及作用位置：發(fā)動(dòng)機(jī)垂向載荷（120N，發(fā)動(dòng)機(jī)固定位置），駕駛員垂向座艙載荷（495N，車架座艙位置），駕駛員垂向腳蹬載荷（52.5N，車架前端部腳蹬位置），重力（9800mm/s2，全局）。

車架材料采用普通未經(jīng)過特殊表面處理的不銹鋼型材，型材截面屬性為16mm×16mm，厚度1.5mm，單位采用ANSYSAPDL中的MPA單位制（即長(zhǎng)度、力、壓強(qiáng)、質(zhì)量單位為mm、N、MPa、t）。Q235不銹鋼的性能參數(shù)：密度（7.85×10-9t/mm3），彈性模量（2.05×105MPa），拉伸強(qiáng)度（25℃時(shí)，312.5MPa），泊松比（0.28），屈服強(qiáng)度

（25℃時(shí)，195.83MPa）（其中安全系數(shù)數(shù)值為根據(jù)以往設(shè)計(jì)、分析經(jīng)驗(yàn)設(shè)定，以滿足車架在實(shí)際使用要求）。

此外，本文中車架為據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，故該鋼結(jié)構(gòu)仍有可優(yōu)化空間。本文試算了該車架在型材截面屬性為16mm×16mm，厚度1mm下的車架，進(jìn)行車架可優(yōu)化空間預(yù)估。

3.求解結(jié)果及后處理

車架在完成以上邊界條件的施加，完成求解器設(shè)置后得到了在使用截面屬性為16mm×16mm，厚度1.5mm型材的計(jì)算結(jié)果如圖1中（a）和（b）所示。

型材厚度1.5mm計(jì)算結(jié)果中，總形變?yōu)?.17mm，最大值出現(xiàn)在腳蹬支撐端位置。最大應(yīng)力為83.3MPa，最大值出現(xiàn)在車架首梁座艙位置。車架所得最大Von_mises應(yīng)力為83.3MPa，在安全系數(shù)為1.2的情況下，遠(yuǎn)低于Q235鋼的屈服強(qiáng)度與安全系數(shù)的比值195.83MPa，因而只可能發(fā)生彈性形變而無塑性形變，因而4.17mm的形變值屬?gòu)椥孕巫兎秶鷥?nèi)，且由于車架載荷主要以垂向載荷為主，因而最大形變也出現(xiàn)在垂向方向，因而設(shè)計(jì)方向以考慮增加車架垂向強(qiáng)度的加強(qiáng)筋為主，減少在其他兩個(gè)方向上的加固，車架強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

在使用截面屬性為16mm×16mm，厚度1mm型材的計(jì)算結(jié)果如圖1中（a）和（b）所示。

型材厚度1mm計(jì)算結(jié)果中，車架所得最大Von_mises應(yīng)力為113.7MPa，在安全系數(shù)1.2情況下，同樣遠(yuǎn)低于Q235鋼的屈服強(qiáng)度與安全系數(shù)比值195.83MPa，故只可能發(fā)生彈性形變而無塑性形變，因而與上述型材1.5mm厚度情況類同，車架強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

結(jié)論

本文主要采用有限元軟件，以高效、低成本的方式完成了節(jié)能車原型設(shè)計(jì)車架的強(qiáng)度校核。由分析結(jié)果可以得出，該車架強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，具有足夠的安全裕量，并在試算采用1mm厚度型材情況下，通過車架結(jié)果可知，其強(qiáng)度依然滿足設(shè)計(jì)要求，因而車架在材料選擇、材料特征屬性、材料后處理工藝等方面仍舊有很大的可優(yōu)化空間。但由于節(jié)能車在參賽及日常使用過程中載荷不僅包含垂向載荷，還將出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)方向上的加速度變化，車架所承受垂向載荷的沖擊，及復(fù)雜情況下的隨機(jī)、多變載荷，因而在未來車架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化工程中將需滿足車架所得最大Von_mises應(yīng)力低于經(jīng)驗(yàn)安全系數(shù)下的材料屈服極限，且若材料加工工藝及后期處理工藝出現(xiàn)差異及變化，重新對(duì)材料式樣進(jìn)行強(qiáng)度實(shí)物實(shí)驗(yàn)以得出材料強(qiáng)度極限也將具有一定的必要性。

參考文獻(xiàn)

[1]基于有限元分析的節(jié)能車車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2013，30（10）：99.

[2]電動(dòng)節(jié)能車車架設(shè)計(jì)及有限元分析[J].車輛與動(dòng)力技術(shù)，2013（2）：28.

[3]武柏年，黃小海，王國(guó)麗.節(jié)能車車架設(shè)計(jì)研究[J].車輛與動(dòng)力技術(shù)，2011（4）：43.

[4]周建美，王桂姣. 基于有限元分析的節(jié)能車車架輕量化設(shè)計(jì)[J]. 天津汽車，2008（9）：72-74.

[5] 武柏年，黃小海，王國(guó)麗. 節(jié)能車車架設(shè)計(jì)研究[J]. 車輛與動(dòng)力技術(shù)，2011（4）：42-45.

[6]凌桂龍，李戰(zhàn)芬.ANSYS14.0從入門到精通[M].北京：清華大學(xué)出版社，2013：20-400.

[7] Balasubramanian， S.K.， J.A.Karrh， H.Patwardhan， Audience Response to Product Placement： An Intergrative Framework and Future Research Agenda[J]， Journal of Advertising，2006.

[8]吳魯寧，魯植雄，楊會(huì)亮，等.基于ANSYS Workbench的本田節(jié)能車車架優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2014（2）：14-17.