基于HyperWorks的輕型電動(dòng)物流車車廂骨架結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

李斌 胡學(xué)軍

LI Bin et al

河南森源重工有限公司 河南長(zhǎng)葛 461500

1 前言

電動(dòng)物流車以其零排放、使用成本低等優(yōu)點(diǎn)成為城市配送主要車型。而隨著人們對(duì)電動(dòng)物流車裝載量及續(xù)駛里程問(wèn)題的日益關(guān)注，車廂輕量化越來(lái)越受到主機(jī)廠以及客戶的重視。因此在設(shè)計(jì)之初就要在滿足強(qiáng)度目標(biāo)的前提下，盡可能地減輕其自重 [1]。

本文以電動(dòng)物流車車廂骨架作為優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)象，應(yīng)用CAE分析軟件HyperWorks對(duì)滿載狀態(tài)的電動(dòng)物流車車廂在彎曲、轉(zhuǎn)彎、制動(dòng)、扭轉(zhuǎn)4種工況下進(jìn)行受力分析，得到車廂骨架的應(yīng)力云圖。依據(jù)“薄弱處加強(qiáng)、強(qiáng)固處削弱”的原則，對(duì)車廂骨架進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，并對(duì)其合理性進(jìn)行分析校核，保證在滿足強(qiáng)度要求的同時(shí)達(dá)到降重目標(biāo)。

2 車廂骨架有限元模型

在CATIA中建立車廂骨架的三維模型，將其導(dǎo)入HyperMesh軟件中劃分網(wǎng)格，并建立有限元模型，利用OptiStruct計(jì)算其強(qiáng)度。模型采用的是四邊形單元網(wǎng)格，單元尺寸為4～5mm。模型單元總數(shù)量為1 320 061，節(jié)點(diǎn)數(shù)量為1 143 214,材料屬性見表1,整車網(wǎng)格模型如圖1所示。

圖1 整車網(wǎng)格模型

表1 車廂骨架材料屬性能參數(shù)

3 車廂骨架靜力學(xué)分析

3.1 邊界條件

根據(jù)靜力等效原則，將駕駛室、電池箱、托盤貨物等各自的相應(yīng)位置等效為各自的集中載荷，車架載荷分布如表2所示。

表2 車架載荷分布

按照轉(zhuǎn)彎、制動(dòng)、扭轉(zhuǎn)不同工況對(duì)底盤車架施加不同的邊界條件進(jìn)行仿真模擬[2]。

彎曲工況約束左前輪輪胎與地面接觸點(diǎn)的全部自由度，約束其余輪胎與地面接觸點(diǎn)的平動(dòng)自由度；扭轉(zhuǎn)工況在左前輪施加強(qiáng)制位移20 mm，右后輪懸空，釋放右后輪支撐，其他約束與彎曲工況相同；制動(dòng)時(shí)除了承受重力外，還要受到縱向慣性力的作用。取最大附著系數(shù)為0.5，并在車輛行駛方向的相反方向上附加0.5g；轉(zhuǎn)彎時(shí)由于離心力的作用而產(chǎn)生側(cè)向載荷，就必須要求車架具有足夠的側(cè)向承載能力。取地面附著系數(shù)為0.5，在轉(zhuǎn)彎方向上施加0.5g。

4種典型工況下各輪中心點(diǎn)的約束如表3所示，建立的車架及廂體有限元模型如圖2所示。

表3 約束方式

圖2 整車有限元模型

3.2 計(jì)算結(jié)果及評(píng)價(jià)

本文主要從彎曲、扭轉(zhuǎn)、制動(dòng)、轉(zhuǎn)彎4種工況對(duì)廂體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算分析[3]。廂體骨架在4種工況下的應(yīng)力云圖如圖3～6所示。

圖3 滿載彎曲工況應(yīng)力云圖

圖4 制動(dòng)工況應(yīng)力云圖

圖5 扭轉(zhuǎn)工況應(yīng)力云圖

圖6 轉(zhuǎn)彎工況應(yīng)力云圖

在4種工況下，車廂骨架強(qiáng)度得到了較為全面的驗(yàn)證，最危險(xiǎn)工況為扭轉(zhuǎn)工況，其最大應(yīng)力出現(xiàn)在縱梁與橫梁連接處，最大應(yīng)力為266.24 MPa，小于所用材料的屈服強(qiáng)度345 MPa，其他工況應(yīng)力均在100 MPa以下，因此，整個(gè)骨架能夠符合設(shè)計(jì)要求。

4 車廂骨架輕量化設(shè)計(jì)

根據(jù)車廂骨架彎曲、扭轉(zhuǎn)、制動(dòng)、轉(zhuǎn)彎4種工況應(yīng)力云圖進(jìn)行綜合分析發(fā)現(xiàn)，車廂骨架所受應(yīng)力情況良好，安裝孔外圍幾乎不受力。

根據(jù)上述分析結(jié)果，利用OptiStruct對(duì)車廂骨架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

本文優(yōu)化設(shè)計(jì)將車廂縱梁、橫梁、底板厚度定義為設(shè)計(jì)變量dv1、dv2、dv3，將車廂質(zhì)量最小作為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)廂體骨架厚度進(jìn)行削減。確保廂體骨架在滿足剛度的前提下，將廂體骨架質(zhì)量設(shè)計(jì)成最小，表4所示為設(shè)計(jì)變量?jī)?yōu)化結(jié)果[4]。優(yōu)化后的應(yīng)力云圖如圖7～9所示。

表4 設(shè)計(jì)變量?jī)?yōu)化結(jié)果

表5對(duì)優(yōu)化結(jié)果與原車廂進(jìn)行了比較，通過(guò)比較可知，優(yōu)化后車廂骨架應(yīng)力應(yīng)變有所增大，但均在材料許用應(yīng)力范圍之內(nèi)，說(shuō)明車廂骨架優(yōu)化后的強(qiáng)度剛度仍能滿足設(shè)計(jì)要求。同時(shí)車廂骨架質(zhì)量減少，達(dá)到了輕量化目標(biāo)。

圖7 彎曲工況應(yīng)力云圖

圖8 制動(dòng)工況應(yīng)力云圖

圖9 扭轉(zhuǎn)工況應(yīng)力云圖

表5 優(yōu)化前后結(jié)果比較

從表5中可以看出，優(yōu)化前后車廂在彎曲工況下的最大應(yīng)力幾乎沒(méi)有改變。由于車廂橫梁和縱梁尺寸做了優(yōu)化改進(jìn)，所以優(yōu)化前后車廂骨架在制動(dòng)工況下變動(dòng)量較大。車廂骨架整體質(zhì)量由461kg下降為379.8 kg，下降了17.61%，符合設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以某純電動(dòng)物流車廂骨架作為輕量化設(shè)計(jì)對(duì)象，通過(guò)三維模型制作、有限元模型建立、強(qiáng)度分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方法，將物流車廂骨架降重17.62%。并通過(guò)CAE分析校核，進(jìn)一步確保了輕量化設(shè)計(jì)方案的可行性和合理性，在保證強(qiáng)度可靠的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了廂體骨架的輕量化目標(biāo)。