基于ANSYS的新能源輕量化汽車(chē)車(chē)架分析與設(shè)計(jì)

陳和娟

(無(wú)錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214153)

0 引言

隨著新能源汽車(chē)快速崛起，汽車(chē)產(chǎn)業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力在變革，低碳、電動(dòng)、智能化成為未來(lái)新能源汽車(chē)的發(fā)展方向。新能源汽車(chē)動(dòng)力來(lái)源有兩種：一種是油電混合動(dòng)力，另一種是純電動(dòng)類(lèi)型。油電混合動(dòng)力類(lèi)型是以燃油發(fā)動(dòng)機(jī)作為主要?jiǎng)恿?，電?dòng)機(jī)作為輔助動(dòng)力；純電動(dòng)類(lèi)型是以特斯拉為代表的純電車(chē)型。

世界鋁業(yè)協(xié)會(huì)研究表明，車(chē)身質(zhì)量對(duì)能量消耗具有很大影響，車(chē)質(zhì)量每減少10%，能耗隨之減少6%～8%[1]。相比油電混合動(dòng)力車(chē)型，純電動(dòng)汽車(chē)徹底擺脫了燃油發(fā)動(dòng)機(jī)。因此，在保證強(qiáng)度和安全性能的前提下，電動(dòng)汽車(chē)需盡可能地降低整車(chē)質(zhì)量。車(chē)架是汽車(chē)的核心零部件之一，承載了大部分零部件和貨物的質(zhì)量，強(qiáng)度和剛度必須滿足一定的要求。車(chē)架輕量化技術(shù)應(yīng)用是提升新能源汽車(chē)性能的創(chuàng)新應(yīng)用，在汽車(chē)工業(yè)中具有廣闊的前景。

1 技術(shù)要求

車(chē)架輕量化材料主要分為兩類(lèi)，一類(lèi)是高強(qiáng)鋼材料，包括普通高強(qiáng)鋼、先進(jìn)高強(qiáng)鋼以及超高強(qiáng)鋼；另一類(lèi)是低密度材料，包括鋁合金、鎂合金、塑料、復(fù)合材料等。在結(jié)構(gòu)方面，車(chē)架設(shè)計(jì)需兼顧賽車(chē)手駕駛時(shí)操作空間舒適性、車(chē)輛發(fā)生碰撞時(shí)保護(hù)賽車(chē)手安全性以及制造過(guò)程裝配工序和使用過(guò)程維修處理的方便性等環(huán)節(jié)。根據(jù)“2020全國(guó)新能源汽車(chē)關(guān)鍵技術(shù)技能大賽”的賽制要求，車(chē)架采用下鋁、上鋼、復(fù)合材料覆蓋的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，底板框架采用強(qiáng)度不低于6063無(wú)縫鋁合金管件的輕量化材料焊接而成，底板框架貫穿車(chē)輛前后并清晰可見(jiàn)，防滾架和車(chē)架均要求采用鋼管桁架式結(jié)構(gòu)，車(chē)架的水平輪廓尺寸不得小于底板框架的大小；駕駛艙與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、動(dòng)力電池之間須有一個(gè)防火墻。駕駛艙整個(gè)底部裝配車(chē)身底板，保證賽車(chē)手在任何情況下都不接觸地面，并防止雜物進(jìn)入駕駛艙[2]。

2 方案步驟

車(chē)架要輕量化，還要有一定的強(qiáng)度和剛度。車(chē)架設(shè)計(jì)時(shí)，首先確定車(chē)架整體輪廓和尺寸，再根據(jù)人機(jī)工程性能，確定駕駛艙座椅、方向盤(pán)、加速踏板、制動(dòng)踏板的位置，然后進(jìn)行有限元分析，確定最佳設(shè)計(jì)方案[3]。

3 分析與設(shè)計(jì)

3.1 車(chē)架輪廓與尺寸

車(chē)架由豎桿和橫桿組成，其形式主要有邊梁式和中梁式兩種。邊梁式車(chē)架由兩根位于兩邊的豎桿和若干根橫桿組成，將豎桿與橫桿焊接連接成堅(jiān)固的剛性構(gòu)架；底板框架的最大長(zhǎng)度(外緣)≥ 2160mm，最大寬度(外緣)≥550mm，輪距≥1600mm。從俯視圖上看，鼻翼不得超出前輪輪胎前端 600mm，要求和前輪輪胎外緣等齊；尾翼不得超出后輪胎后端500mm，要求和后輪輪胎外緣等齊；鼻翼的橫向部分距離地面的高度不得超過(guò) 250mm。所有空氣動(dòng)力學(xué)裝置的連接方式，都必須能保持足夠的強(qiáng)度，以保證賽車(chē)在行駛時(shí)不會(huì)出現(xiàn)過(guò)度的震動(dòng)或掉落。車(chē)架設(shè)計(jì)外形輪廓和尺寸如圖1、表1所示。

圖1 車(chē)架輪廓

表1 車(chē)架設(shè)計(jì)輪廓尺寸

3.2 內(nèi)部構(gòu)件位置

駕駛的舒適性、視野對(duì)賽車(chē)手技能的發(fā)揮起著至關(guān)重要的作用。為了使駕駛艙適合賽車(chē)手舒適，利于賽車(chē)手隨時(shí)靈活應(yīng)對(duì)賽場(chǎng)狀態(tài)，設(shè)計(jì)要求主駕位置左右護(hù)欄中心線的最大寬度≥1000mm，賽車(chē)手位置左右護(hù)欄的最高點(diǎn)距離座椅上平面最低點(diǎn)的垂直距離≥300mm。座椅要符合人體工程學(xué)，對(duì)受力集中的部位進(jìn)行局部加強(qiáng)，賽車(chē)手頭盔與防滾架、車(chē)架構(gòu)成的外側(cè)平面之間的距離≥200mm，與防滾架最高外緣水平面的距離≥180mm，距離防滾架最高構(gòu)件與前部橫梁的連線之間的垂直距離(相當(dāng)于車(chē)輛四輪水平朝天)≥100mm；賽車(chē)手肩部、軀干、臀部、大腿、膝蓋、手臂、手肘、手與防滾架構(gòu)成的內(nèi)側(cè)平面之間的距離≥100mm；方向盤(pán)最高邊緣距離防滾架最高構(gòu)件與前部橫梁的連線之間的垂直距離(相當(dāng)于車(chē)輛四輪水平朝天)≥50mm。駕駛艙主要尺寸如表2所示。

表2 駕駛艙主要尺寸

3.3 有限元分析

在滿足上述設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上，校驗(yàn)車(chē)架的強(qiáng)度和剛度。利用SolidWorks建立賽車(chē)車(chē)架三維實(shí)體幾何模型，將模型離散化，并將結(jié)構(gòu)體所受實(shí)際載荷分別作用到各單元體上，最后求出各單元體節(jié)點(diǎn)力和位移[4]。有限元分析可進(jìn)一步指導(dǎo)設(shè)計(jì)師對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性、操縱穩(wěn)定性、可靠性、安全性等性能進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)一步解決結(jié)構(gòu)輕量化的問(wèn)題。

1)網(wǎng)格劃分

車(chē)架底盤(pán)選用Φ25mm×25mm×1mm 6063鋁方管；主梁、輔梁分別選用Φ25mm×1.6mm、20mm×1.2mm 4130航空管。4130航空管彈性模量為211GPa，泊松比為0.279，質(zhì)量密度為7850kg/m3[5]，完成賽車(chē)架幾何建模及清理的模型如圖2所示。將三維建模導(dǎo)入ANSYS有限元軟件，劃分網(wǎng)格。網(wǎng)格類(lèi)型為三角形網(wǎng)格和四邊形網(wǎng)格混用。網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖2 幾何模型

圖3 網(wǎng)格劃分

2)剛度分析與測(cè)試

車(chē)架的剛度包含彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度。彎曲剛度體現(xiàn)了車(chē)架在受到垂向載荷作用時(shí)抵抗彎曲變形的能力，扭轉(zhuǎn)剛度體現(xiàn)了車(chē)架在崎嶇不平路況下行駛時(shí)車(chē)身結(jié)構(gòu)抵抗扭轉(zhuǎn)變形的能力[6]。根據(jù)賽制要求，進(jìn)行彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度分析計(jì)算，并完成了抗扭轉(zhuǎn)性能測(cè)試。

彎曲剛度分析時(shí)，假設(shè)車(chē)架縱向張力相同，將車(chē)架簡(jiǎn)化成一根彎曲剛度均勻的簡(jiǎn)支梁，在簡(jiǎn)支梁上任一點(diǎn)施加一垂向載荷，如圖4所示，彎曲剛度載荷如圖5所示，彎曲工況變形如圖6所示，計(jì)算車(chē)架的彎曲剛度[7]如式(1)和式(2)所示。

圖4 車(chē)架彎曲剛度分析示意圖

圖5 彎曲剛度載荷

圖6 彎曲工況變形圖

(1)

(2)

式中:EI為彎曲剛度，N·m2；F為施加的集中載荷，N；L為兩個(gè)支撐點(diǎn)間的縱向距離，m；a為前支撐點(diǎn)到加載點(diǎn)的距離，m；b為后支撐點(diǎn)到加載點(diǎn)的距離，m；Z為載荷施加點(diǎn)處垂向變形量，mm。

施加載荷對(duì)稱(chēng)，經(jīng)計(jì)算得EI= 51100N·m2，由此可判斷車(chē)架彎曲剛度合理。

扭轉(zhuǎn)剛度分析時(shí)，將車(chē)架看成是扭轉(zhuǎn)剛度均勻的桿件，對(duì)其加載設(shè)定如圖7所示，彎曲工況變形如圖8所示。計(jì)算公式如式(3)所示。

圖7 扭轉(zhuǎn)剛度載荷

圖8 扭轉(zhuǎn)工況變形圖

(3)

式中：GJ為車(chē)架扭轉(zhuǎn)剛度值；T為車(chē)架所受力矩；L為轎車(chē)車(chē)身軸距；δ為車(chē)架前、后軸的相對(duì)扭轉(zhuǎn)角。

經(jīng)計(jì)算得GJ=3 731.05 (N·m/deg)，車(chē)架扭轉(zhuǎn)剛度充足。

進(jìn)行抗扭轉(zhuǎn)性能測(cè)試時(shí)，檢測(cè)車(chē)架、車(chē)身、底板的柔性變形和應(yīng)力后恢復(fù)的性能。進(jìn)行抗扭轉(zhuǎn)性能測(cè)試時(shí)，要求駕駛艙的右前、左后角承受合適的向下預(yù)緊力，用液壓千斤頂給車(chē)輛底板的右后角位置施加5min、150～200kg的向上壓力。模擬賽項(xiàng)，在車(chē)輛右后方加載2000N的力，如圖9所示，總變形只有3.6mm，如圖10所示。變形量小，說(shuō)明安全性高。整體設(shè)計(jì)如圖11所示。

圖9 模擬賽項(xiàng)扭轉(zhuǎn)剛度載荷

圖10 模擬賽項(xiàng)扭轉(zhuǎn)工況變形圖

圖11 優(yōu)化后車(chē)架的整體設(shè)計(jì)

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)車(chē)架的設(shè)計(jì)，建立參數(shù)化模型，對(duì)車(chē)架的彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度和模擬賽項(xiàng)扭轉(zhuǎn)剛度進(jìn)行有限元分析，減小鋼管壁厚，增加三角穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。優(yōu)化后的車(chē)架彎曲剛度為51100N·m2，扭轉(zhuǎn)剛度為3731.05N·m/deg，相比前期設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，分別提升了 8%和11%，車(chē)輛的安全性得到了提高。根據(jù)分析篩選的設(shè)計(jì)變量進(jìn)行優(yōu)化，獲得車(chē)架最小質(zhì)量為35kg，按照模擬賽制參加比賽，測(cè)試車(chē)架總變形只有3.6mm，達(dá)到了賽規(guī)設(shè)計(jì)的要求，滿足了對(duì)賽車(chē)進(jìn)行輕量化改進(jìn)的目的。