某商用車(chē)純電動(dòng)改裝方案中車(chē)架性能分析

王源紹，唐徐平，喬克婷，許 凌

(南京工業(yè)大學(xué)浦江學(xué)院, 江蘇 南京 211134)

商用車(chē)由于其貨物運(yùn)輸屬性的要求，依然廣泛采用非承載式車(chē)身結(jié)構(gòu)。車(chē)架作為輕卡、輕貨、輕客、皮卡等商用車(chē)型的主要受力部件，具有支承連接汽車(chē)的各零部件、承受來(lái)自車(chē)內(nèi)外各種載荷的功用，并對(duì)整車(chē)承載性能、安全性能等起到至關(guān)重要的作用。

國(guó)家“十三五”規(guī)劃中，確定實(shí)施“純電驅(qū)動(dòng)”技術(shù)轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略，實(shí)現(xiàn)各類(lèi)電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)化。目前純電動(dòng)商用車(chē)更多的是在城市及近郊使用，對(duì)續(xù)航里程的要求略低于乘用車(chē)，并能降低污染，因此純電動(dòng)商用車(chē)研發(fā)制造的吸引力在逐漸增加。

受制于成本、技術(shù)等因素，更多的企業(yè)選擇在當(dāng)前傳統(tǒng)燃油車(chē)的基礎(chǔ)上進(jìn)行電動(dòng)汽車(chē)的改裝。但是純電動(dòng)汽車(chē)由于原理和結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，與傳統(tǒng)汽車(chē)相比對(duì)車(chē)身結(jié)構(gòu)等性能要求均存在差異，因此對(duì)傳統(tǒng)汽車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析計(jì)算，確定最終車(chē)身結(jié)構(gòu)改進(jìn)的可行性，以便更好地滿(mǎn)足純電動(dòng)汽車(chē)的技術(shù)要求。

國(guó)內(nèi)許多研究人員利用多種有限元分析軟件對(duì)車(chē)架及電動(dòng)車(chē)相關(guān)部件進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。盛建等[1]對(duì)某純電動(dòng)客車(chē)車(chē)架結(jié)構(gòu)模態(tài)進(jìn)行分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用SolidWorks等軟件對(duì)車(chē)架進(jìn)行了模態(tài)分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，為車(chē)架的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供了依據(jù)和參考。邵超城等[2]對(duì)所設(shè)計(jì)的車(chē)架進(jìn)行了強(qiáng)度、剛度分析和模態(tài)分析，驗(yàn)證了車(chē)架的強(qiáng)度要求，找出了車(chē)架中局部變形和應(yīng)力過(guò)大區(qū)域，為車(chē)架結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供了重要依據(jù)。尹安東和李紅等[3-4]，均利用HyperWorks等軟件重點(diǎn)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)車(chē)架進(jìn)行了靜態(tài)分析和模態(tài)分析，并通過(guò)理論分析尋找薄弱環(huán)節(jié)，為改良設(shè)計(jì)等提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。本文結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)，對(duì)某一需要改裝的車(chē)架進(jìn)行研究，并在基本性能分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化，為后續(xù)的輕量化設(shè)計(jì)等提供理論依據(jù)和改進(jìn)方向。

1 建模

1.1 幾何模型

根據(jù)所研究車(chē)型的車(chē)架實(shí)物以及圖紙尺寸，利用三維設(shè)計(jì)軟件CATIA對(duì)車(chē)架進(jìn)行幾何建模，建立車(chē)架三維模型，對(duì)后續(xù)分析影響不大的元件和孔洞等進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。將車(chē)架三維模型導(dǎo)入HyperMesh軟件，利用其提供的強(qiáng)大的幾何清理功能，生成所需要的簡(jiǎn)化模型，用于網(wǎng)格劃分、分析。最終經(jīng)過(guò)處理后的三維車(chē)架模型如圖1所示。

1.2 有限元模型

在有限元軟件中對(duì)車(chē)架不同零部件進(jìn)行裝配，并采用恰當(dāng)?shù)膭傂詥卧Ｐ湍M真實(shí)焊接、螺栓等連接方式及布置位置，最終形成完整的某商用車(chē)車(chē)架有限元分析模型，如圖2所示。車(chē)架總節(jié)點(diǎn)數(shù)、單元數(shù)和焊點(diǎn)數(shù)分別為18 252，16 916，561。設(shè)定材料參數(shù)：彈性模量E=210GPa，泊松比μ=0.30，密度ρ=7.84×10-6kg/mm3。

圖1 車(chē)架三維模型

圖2 車(chē)架有限元模型

2 性能分析

本文重點(diǎn)對(duì)車(chē)架性能進(jìn)行靜力分析。在滿(mǎn)載條件下，分別模擬彎曲、扭轉(zhuǎn)工況下車(chē)架的位移、應(yīng)力等。本文在進(jìn)行彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度分析時(shí)，不考慮懸架的影響。

2.1 載荷分布

將傳統(tǒng)燃油商用車(chē)車(chē)架所承受的載荷分配到相應(yīng)節(jié)點(diǎn)上，模擬真實(shí)載荷情況。

傳統(tǒng)汽車(chē)進(jìn)行純電動(dòng)改裝之后，由于沒(méi)有了傳統(tǒng)的動(dòng)力總成和油箱，取而代之的是動(dòng)力電池模塊，因此在載荷分布上存在較大差異。大多數(shù)廠(chǎng)家將電池放在車(chē)身底部或車(chē)架上方。本文所研究的某商用車(chē)根據(jù)車(chē)身結(jié)構(gòu)和實(shí)際用途，選擇電池質(zhì)量約為220kg，放置在駕駛室底部。電動(dòng)機(jī)等相關(guān)附屬設(shè)施質(zhì)量約為120kg，放在發(fā)動(dòng)機(jī)艙位置。駕駛室、貨箱、載人、載貨等質(zhì)量保持不變。原車(chē)架承受載荷見(jiàn)表1，改裝后車(chē)架承受載荷見(jiàn)表2。

表1 原車(chē)架主要承受載荷

表2 改裝車(chē)架主要承受載荷

2.2 彎曲工況

彎曲工況模擬滿(mǎn)載狀態(tài)下四輪著地時(shí)汽車(chē)在良好路面勻速直線(xiàn)行駛的狀態(tài)[4]。

彎曲工況模擬時(shí)，對(duì)4個(gè)車(chē)輪的支撐點(diǎn)進(jìn)行自由度約束，即約束左前支撐點(diǎn)x，y及z向自由度；約束右前支撐點(diǎn)x及z向自由度；約束左后支撐點(diǎn)y及z向自由度；約束右后支撐點(diǎn)z向自由度；釋放支撐點(diǎn)的全部轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。

分別對(duì)原車(chē)架和電動(dòng)改裝后的車(chē)架受力情況進(jìn)行彎曲工況計(jì)算模擬，得到車(chē)架的應(yīng)力云圖和位移云圖如圖3～6所示。

圖3 原車(chē)架彎曲工況應(yīng)力云圖

圖4 電動(dòng)改裝后車(chē)架彎曲工況應(yīng)力云圖

圖5 原車(chē)架彎曲工況位移云圖

圖6 電動(dòng)改裝后車(chē)架彎曲工況位移云圖

通過(guò)圖3、圖4可以得到車(chē)架在彎曲工況下的最大應(yīng)力數(shù)值及位移。可以看出，彎曲工況下，最大應(yīng)力發(fā)生位置大致相同，但應(yīng)力分布存在差異，由于整車(chē)電池布置位置在車(chē)輛中部附近，導(dǎo)致純電動(dòng)商用車(chē)車(chē)架中部應(yīng)力較傳統(tǒng)動(dòng)力總成車(chē)輛有所增加。原車(chē)架最大彎曲應(yīng)力為93.5MPa，而進(jìn)行電動(dòng)改裝之后，車(chē)架最大彎曲應(yīng)力為93.6MPa。二者差異很小，說(shuō)明此車(chē)架在彎曲工況下，強(qiáng)度滿(mǎn)足純電動(dòng)改裝需求。

通過(guò)圖5、圖6可以得到車(chē)架在彎曲工況下的最大位移數(shù)值。由于電池的影響，進(jìn)行純電動(dòng)改裝后，車(chē)架最大位移增加，由1.85mm增加至2.14mm，但依然符合此車(chē)架最初的產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。

綜上，純電動(dòng)改裝之后，此車(chē)架在彎曲工況下依然滿(mǎn)足強(qiáng)度及剛度要求。

2.3 扭轉(zhuǎn)工況

車(chē)架扭轉(zhuǎn)工況模擬滿(mǎn)載狀態(tài)下，一輪懸空時(shí)車(chē)架的扭轉(zhuǎn)變形。結(jié)合此車(chē)型具體受力情況，當(dāng)其右后輪懸空時(shí)，處于極限狀況，選擇此極限工況進(jìn)行分析。

扭轉(zhuǎn)工況下采用與彎曲工況相同的滿(mǎn)載載荷，載荷設(shè)置方法同彎曲工況下載荷分布。扭轉(zhuǎn)工況邊界條件為：同時(shí)約束左前支撐點(diǎn)的x，y及z向自由度；約束右前支撐點(diǎn)的x及z向自由度；約束左后支撐點(diǎn)的y及z向自由度；釋放左后支撐點(diǎn)的x，y，z向自由度；釋放模型中4個(gè)支撐點(diǎn)的全部轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。

分別針對(duì)原車(chē)架和電動(dòng)改裝后的車(chē)架受力情況進(jìn)行扭轉(zhuǎn)工況計(jì)算模擬，得到車(chē)架的應(yīng)力云圖和位移云圖如圖7～10所示。

圖7 原車(chē)架扭轉(zhuǎn)工況應(yīng)力云圖

圖8 電動(dòng)改裝后車(chē)架扭轉(zhuǎn)工況應(yīng)力云圖

圖9 原車(chē)架扭轉(zhuǎn)工況位移云圖

圖10 電動(dòng)改裝后車(chē)架扭轉(zhuǎn)工況位移云圖

由圖7、圖8可以得到車(chē)架扭轉(zhuǎn)工況下最大應(yīng)力位置和數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，此車(chē)架在承受傳統(tǒng)動(dòng)力總成和純電動(dòng)載荷條件下，扭轉(zhuǎn)應(yīng)力大小和范圍變化很小。最大應(yīng)力由597.8MPa增加為604.2MPa。由圖9和10可以得到最大位移由42.1mm增加至42.3mm。因此，在對(duì)此款商用車(chē)進(jìn)行純電動(dòng)改裝后，車(chē)架在扭轉(zhuǎn)工況條件下滿(mǎn)足強(qiáng)度和剛度要求。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，車(chē)架性能過(guò)剩，存在較大的輕量化空間，本文利用HyperWorks軟件中OptiStruct模塊進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，對(duì)車(chē)架進(jìn)行優(yōu)化分析。將車(chē)架的所有部件設(shè)為優(yōu)化部分，建立體積分?jǐn)?shù)響應(yīng)，以500MPa為最大應(yīng)力約束，以體積分?jǐn)?shù)最小值作為優(yōu)化目標(biāo)，單元密度作為設(shè)計(jì)變量，進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化計(jì)算分析，可以清晰看出不同區(qū)域的密度特點(diǎn)，在保證強(qiáng)度前提下，針對(duì)不同部位采取減少材料進(jìn)行輕量化結(jié)構(gòu)優(yōu)化。通過(guò)調(diào)整密度閾值來(lái)顯示或隱藏某一范圍內(nèi)的材料，可更清晰地看到密度的分布情況，如圖11所示。

以圖11所選的密度閾值，進(jìn)行材料厚度趨勢(shì)判讀。由圖可以看出，由于發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量的減少，前部橫梁可以進(jìn)行較大的減重處理，車(chē)架部分可以進(jìn)行部分減重處理，車(chē)架后部由于載貨等需求，輕量化范圍較小。利用圖11，結(jié)合工藝設(shè)計(jì)，可以在現(xiàn)有車(chē)架的橫梁基礎(chǔ)上進(jìn)行減重處理，以達(dá)到輕量化效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助工程分析方法，針對(duì)某企業(yè)商用車(chē)車(chē)架進(jìn)行性能分析，為其純電動(dòng)化改裝提供理論依據(jù)，為企業(yè)降低開(kāi)發(fā)成本。本文成功應(yīng)用Hyperworks軟件對(duì)某車(chē)架進(jìn)行了不同工況下的性能分析，并對(duì)車(chē)架進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)原車(chē)型和純電動(dòng)車(chē)型的對(duì)比，設(shè)置不同的載荷條件，在彎曲、扭轉(zhuǎn)兩個(gè)典型工況下進(jìn)行強(qiáng)度、剛度分析。通過(guò)分析對(duì)比驗(yàn)證了在此車(chē)架上進(jìn)行純電動(dòng)改裝方案的可行性，為后續(xù)改裝分析提供理論依據(jù)，同時(shí)為進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)，也為其他同類(lèi)車(chē)型改裝優(yōu)化提供參考。通過(guò)對(duì)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果的分析，為后續(xù)輕量化設(shè)計(jì)改進(jìn)提供方向和依據(jù)，為電動(dòng)車(chē)整車(chē)輕量化設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

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