小型電動汽車車架輕量化設計與仿真 論文

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目錄目 錄摘要.Abstract.第1章 緒論.11.1 輕量化設計背景.11.2 輕量化設計意義.11.3 國內外汽車輕量化研究的現狀.21.4 本章小結.3第2章 車架輕量化設計的理論基礎和方法.42.1 輕量化設計的理論基礎.42.2 有限單元法簡介.42.3 ANSYS軟件介紹.52.4 本章小結.6第3章 車架結構有限元建模.73.1 建立車架幾何模型.73.2 將車架幾何模型導入Workbench.113.3 定義車架材料并進行網格劃分.133.4 施加載荷與約束.143.5 本章小結.16第4章 車架結構有限元靜態(tài)分析.174.1 選擇計算工況.17 4.2 水平行駛工況的模擬與分析.174.3 車輪懸空工況的模擬與分析.194.4 本章小結.22第5章 車架結構的模態(tài)分析.2315.1 模態(tài)分析的概念.235.2 模態(tài)分析理論.235.3 車架模態(tài)分析過程.245.4 本章小結.28第6章 車架結構優(yōu)化設計.296.1 優(yōu)化設計的概念.296.2 車架的優(yōu)化設計思路.296.3 優(yōu)化后車架幾何模型.306.4 優(yōu)化后車架有限元靜態(tài)分析與對比.336.5 優(yōu)化后車架動態(tài)分析與對比.356.6 本章小結.36第7章 全文總結.37參考文獻.39致謝.41II Abstract21IV Abstract小型電動汽車車架輕量化設計與仿真摘 要目前，隨著科技革命的推動以及人們環(huán)保意識的增強，發(fā)展新能源汽車已成為汽車行業(yè)的必然要求和大勢所趨。我國作為汽車生產、消費大國，也必然需要抓住新能源汽車發(fā)展的機遇，以發(fā)展新能源汽車為契機，實現我國汽車產業(yè)的“彎道超車”，縮小與國外汽車產業(yè)的差距。新能源汽車種類豐富，包括電動汽車，氫燃料汽車等。但是，新能源汽車相比于傳統(tǒng)能源汽車，續(xù)航里程是始終繞不開的課題，這也是制約新能源汽車發(fā)展的桎梏之一。“輕量化”為解決這一問題提供了可靠思路。不僅對于新能源汽車，輕量化技術對于傳統(tǒng)能源汽車也具有重要意義。輕量化材料、輕量化設計與輕量化制造是輕量化學科的三大要素。其中，占據核心地位的是輕量化設計。1本文將以某小型電動汽車的車架設計為例，遵循輕量化設計思路，運用CATIA軟件對車架進行參數建模，運用ANSYS軟件對車架進行分析，得到輕量化設計的優(yōu)化結果。關鍵詞：電動汽車；車架；輕量化；建模;仿真1 摘要Lightweight design and simulation of small electric vehicle frameAbstractFor the time being,with the promotion of technological revolution and the enhancement of peoples awareness of environmental protection, the development of new energy vehicles has become an inevitable requirement and trend of the automotive industry.As a big car production and consumption country, China must seize the opportunity of the development of new energy vehicles, in order to develop new energy vehicles as an opportunity to realize the curve overtaking of Chinas auto industry, and to narrow the gap with the foreign automobile industry.There are many new energy vehicles, including electric vehicles, hydrogen fuel vehicles and so on. However, compared with traditional energy vehicles, the mileage of new energy vehicles is always a problem that cannot be avoided. This is also one of the shackles that restrict the development of new energy vehicles.Lightweight provides a reliable way to solve this problem. Not only for new energy vehicles, lightweight technology for traditional energy vehicles is also of great significance.Lightweight materials, lightweight design and lightweight manufacturing are three important elements of lightweight chemistry. Among them, the core position is lightweight design. 1 this article will take a small electric vehicle frame design as an example, follow the light weight design idea, use CATIA software to model the frame parameters, use ANSYS software to carry on the analysis of the frame, and get the optimization result of the lightweight design.Key words: Electric vehicle; Frame; Lightweight; Modeling22 摘要第1章 緒論1.1輕量化設計背景在中國制造2025中，國家部委已明確指出，將輕量化作為我國汽車產業(yè)發(fā)展的重要方向。節(jié)能減排作為當下汽車行業(yè)發(fā)展的必然要求，汽車輕量化是解決節(jié)約能源和保護環(huán)境的重要思路。許多汽車公司，也早就意識到這一問題，提前布局，在輕量化研究上投入了大量的資金與科研力量，取得了一定的成就。相較于二、三十年前的汽車，目前汽車的平均重量已經降低了約一半。但是，在如今新能源汽車成為發(fā)展主流，尤其是電動汽車發(fā)展勢頭迅猛的情況下，汽車輕量化仍有深度發(fā)展的空間。根據相關實驗，表明汽車約四分之三的油耗都與其質量有關，比如滾動阻力、加速阻力、梯度阻力等。汽車整備質量每下降10%，油耗即可下降6-8%，排放下降4%；車輛質量降低100千克，汽車百公里油耗即可降低0.3-0.6升2。因此，對于傳統(tǒng)能源汽車，汽車輕量化也具有十分重要的研究價值。輕量化是一門跨多學科的工程科學，由材料力學、計算技術、材料學和制造技術等領域的知識基礎構成。輕量化的目標是在給定的邊界條件下，實現結構自重的最小化，同時滿足一定的壽命和可靠性要求。31.2 輕量化設計意義當前，節(jié)能、減排和安全是世界汽車產業(yè)需要面對的共性問題。因此，人們形成了減少汽車自重，降低燃油消耗，減少廢氣排放的共識。為了應對世界各地區(qū)日益嚴格的關于車輛安全、燃油消耗和汽車排放的規(guī)范，各大汽車企業(yè)都意識到汽車輕量化技術的重要性。此外，從產品角度分析，降低整車自重提高了行駛穩(wěn)定性和乘坐舒適性，也提高了產品的可靠性壽命。從國情角度分析，發(fā)展汽車輕量化技術，既能縮小我國汽車產業(yè)在傳統(tǒng)能源汽車領域與國外先進汽車企業(yè)之間的差距，也是我國在新能源汽車領域實現彎道超車的必經技術路徑。421.3 國內外汽車輕量化研究的現狀1.3.1國外汽車輕量化研究現狀國外汽車行業(yè)對于車身輕量化的研究始于上世紀70年代的石油危機。石油危機對歐美汽車行業(yè)的沖擊使得歐美汽車企業(yè)重新省視市場需要和自身的產品設計思路。此外，為滿足汽車產品的安全性，排放合規(guī)，乘坐舒適性等要求，汽車需要安裝的附件逐漸增加，導致汽車自重不斷上升?；谝陨显颍囕p量化逐漸成為汽車行業(yè)的普遍追求。根據美國國家公路交通安全管理局公布的統(tǒng)計數據，在過去的四十年間，美國新款乘用車的自重呈不斷下降趨勢。其中，1977年美國乘用車的平均自重為1651kg，1982年的平均自重為1275kg，降幅約為23%。預計到2020年全球乘用車的平均質量將降至1600kg左右4。鑒于當前汽車工業(yè)的技術水平和汽車產品的成本因素，可以預見，在未來的相當一段時間內，鋼材仍將是汽車產品普遍采用的原材料。因此，對于汽車鋼材的輕量化研究就具有十分重要的意義。在20世紀90年代，國際鋼鐵協(xié)會成立了超輕鋼車身項目組（ULSAB），成員包括世界上18個國家和地區(qū)的35家鋼鐵企業(yè)。該項目組主要研究通過重新設計車身結構和改進生產制造工藝來實現整車的車身輕量化。此外，鋁合金輕量化車身也是國外汽車企業(yè)研發(fā)的重點。鋁具有良好的機械性能、耐蝕性、導熱性和加工性，其密度僅為鋼鐵的1/3，因此在汽車車身輕量化領域具有廣闊的應用前景。根據國際鋁業(yè)協(xié)會統(tǒng)計數據顯示，自上世紀90年代以來，鋁合金在汽車上的用量增加了2倍。目前，汽車車身通常采用的的鋁合金包括2000系（Al-Cu-Mg），5000系（Al-Mg），6000系（Al-Mg-51）。奧迪是最早研究全鋁車身的汽車公司，其于1994年開發(fā)了第一代全鋁車身，相較于傳統(tǒng)鋼制車身，質量降低了約40%，而車身的靜態(tài)扭轉剛度提高了40%。目前，奧迪的全鋁車身主要應用于其A8豪華車型和R8超跑車型。除了高強度鋼和鋁合金外，鎂合金、復合材料等輕質材料在汽車上也得到了一定程度的應用。鎂合金在輕量化方面的應用，主要用來制造離合器殼體、轉向柱架、制動器踏板支架等。在車身覆蓋件和配件方面，纖維增強塑料（FRP）和碳纖維增強材料（CFRP）由于其密度小，耐腐蝕、耐沖擊等特性，應用較多。但碳纖維增強材料價格昂貴，多用于高檔轎車和跑車。寶馬公司于2014年推出的i3純電動汽車，是碳纖維材料在普通乘用車上大量應用的典型。i3的Life模塊，創(chuàng)造性地將碳纖維材料用于制造乘員艙，極大的提高了車輛的續(xù)航里程。1.3.2 國內汽車輕量化研究現狀我國作為汽車制造大國，已連續(xù)6年成為汽車產銷量世界第一。但是應該清楚得認識到，我國的汽車產業(yè)，與國外同行相比存在著較大差距。國內汽車行業(yè)對于車身輕量化的研究，開始于20世紀90年代，在一些高校和科研單位展開。近年來，國內汽車企業(yè)也逐漸增強了車身輕量化的認識，與高校展開合作進行研究。2008年，在浙江寧波成立了我國汽車輕量化技術創(chuàng)新戰(zhàn)略聯盟，以攻克和掌握輕量化核心關鍵技術為目標開展研究。與國外相比，我國在車身輕量化方向的研究尚處于起步階段，研究理論和研究方法還不成熟。比如：我國車企的產品在設計初期就采用輕量化輔助的范例很少，未能做到設計與分析同步。此外，國內缺乏關于輕量化設計過程中新的現代化算法的研究，分析內容通常只局限于剛度、強度和模態(tài)三個方面，不能綜合考慮汽車的其他指標。目前，我國汽車企業(yè)正加大對輕量化領域研究的投入，并且取得了較大的收獲。以輕量化系數為指標，吉利帝豪EC7的輕量化系數為5.92，博瑞為4.97，上汽榮威350為3.63，這一指標，雖與國外品牌的一線產品尚有差距，但也見證了國產汽車的進步與發(fā)展。1.4 本章小結本章主要介紹了汽車輕量化概念產生的背景，探討了汽車輕量化對于革新汽車產品，緩解環(huán)境污染等方面的意義，以及國內外汽車輕量化發(fā)展的現狀。通過本章的介紹，對于輕量化的概念有了初步的了解。第2章 車架輕量化設計的理論基礎和方法2.1輕量化設計的理論基礎輕量化設計的目的在于保證甚至提高車身整體的剛度，強度的同時，盡量將汽車的自重降至最低。汽車輕量化設計，最先考慮的要素還是汽車的功能性、安全性和耐用性，在此基礎得以保證的情況下，運用輕量化方法，降低汽車的自重。目前汽車輕量化設計常采用的原則有：（1）采用先進的構造；（2）應用質量更輕且強度更高的材料；（3）采用先進的制造技術（4）在產品設計之初，通過高水平的分析方法分析掌握應力載荷與不穩(wěn)定的情形5依照以上原則，輕量化設計的方法可簡單歸納如下：（1）形狀輕量化：在設計產品整體構型，以及選擇產品所用型材的幾何形狀時，依據力的傳遞路徑，綜合考慮力學性能，選用質量最優(yōu)化的產品形狀設計方案。（2）材料輕量化：在選擇應用于產品所需材料時，盡量選擇性能參數更優(yōu)，但質量更輕的材料。（3）制造輕量化：充分利用所有的技術潛能，實現在最少的材料使用和最少的連接點下的功能集成。2.2 有限單元法簡介有限單元法的核心思想是物體離散化。物體離散化是指將某個工程結構進行單元剖分，離散成由各種連接單元組成的計算模型。將物體離散化后，單元與單元之間利用單元的節(jié)點相互連接起來。依據問題的性質，問題所需的計算精度以及所要描述的變形形態(tài)，確定單元節(jié)點的設置、性質、數目等參數。通常情況下，越細致的單元劃分，將得出越精確的計算結果和更接近實際變形情況的變形描述，但也意味著更繁復的計算工作量。簡而言之，運用有限元方法分析，其分析的物體和結構已經不是原有的物體和結構，而是離散為眾多單元體，是由同樣材料組成的眾多單元體以一定方式連接形成的離散集合體。因此，利用有限元法分 第3章 車架結構有限元建模析問題所得的結果只是近似于真實結果，而如果將物體進行細致而合理的單元剖分，得到的結果將基本近似于真實結果。有限單元法分析問題是對真實問題的模擬，所得結果也是近似于真實情況的結果，是通過對分析對象劃分網格，求解有限個數值來近似模擬真實情況的無限個未知量。6利用有限單元法分析問題，其過程包含3個主要步驟7：1. 創(chuàng)建有限元模型（1）創(chuàng)建或讀入幾何模型（2）定義材料屬性（3）對物體或結構劃分網格（包括節(jié)點、單元）2. 施加載荷并求解（1）施加載荷和載荷選項，對物體設定約束條件（2）對問題求解3. 查看結果（1）查看分析結果 （2）檢驗結果2.3 ANSYS軟件介紹ANSYS軟件是由美國ANSYS公司開發(fā)的大型通用有限元分析軟件(FEA),是目前世界范圍內發(fā)展速度最快，應用范圍最廣的計算機輔助工程類（CAE）軟件。該軟件以其多物理場耦合分析的先進技術和理念，在工業(yè)領域和科研方向都有著廣泛的應用。ANSYS能對結構、流體、熱、電磁情況和相互耦合的情況進行分析。ANSYS軟件包含ANSYS Classical界面和新一代的CAE仿真平臺ANSYS Workbench。ANSYS Workbench作為新一代的模擬仿真平臺，擁有類似Windows操作方式的人機交互界面，由參數化直接驅動的CAD接口，兼容常見的CAD作圖軟件，具有優(yōu)秀的靈活性，易用性和功能性。2.4 本章小結本章主要介紹了輕量化設計的理論基礎，包括汽車輕量化設計的原則和對應的設計方法，包括形狀輕量化，材料輕量化和制造輕量化。此外，本章還介紹了有限單元法的概念，有限單元法分析問題的思路和有限元分析軟件ANSYS。第3章 車架結構有限元建模3.1建立車架幾何模型在ANSYS Workbench平臺中，其Geometry模塊中包含了建立三維模型的操作，使用者可通過其提供的命令，繪制簡單的三維幾何模型。ANSYS Workbench作為專業(yè)的CAE軟件，在有限元分析方面具有強大的功能性，但是在建立三維模型時，相較于其他大型專業(yè)計算機輔助設計軟件，如：AutoCAD，CATIA，CREO等，在建立復雜三維模型時缺乏操作便利性。圖3-1 ANSYS Workbench Geometry繪圖界面圖3-2 CATIA零件繪制界面鑒于ANSYS Workbench擁有強大的CAD文件格式兼容能力，在繪制電動汽車車架時，本課題選擇使用CATIA來建立車架的三維模型。CATIA作為高檔的CAD軟件，具有先進的幾何建模概念，豐富的幾何造型命令，目前已被國內外大多數汽車生產廠商采用，擁有龐大的用戶群。圖3-3 本文參考車型本文設計的電動車車架，以我校車輛系實驗廠房后的電動汽車為藍本，借鑒其車架設計思路，結合輕量化設計思想，掌握小型電動汽車車架輕量化設計的流程和常用方法。通過對參考車型的觀察與研究，綜合考慮所設計的電動汽車的性能，設計工作的難易程度以及電動汽車成本，決定本文所設計的車架形式為兼具邊梁式車架與中梁式車架特點的綜合式車架，采用鋼管焊接而成的桁架式車架結構。車架整體構型如圖四。圖3-4 車架整體構型對于小型電動汽車，車架是汽車的主要結構件和承載件，車身，座椅，懸架，動力系統(tǒng)，懸架裝置等都是以車架為安裝基礎。車架承受了電動汽車行駛時大部分的內外載荷，因此，車架的布置形式和制造工藝，應保證車架在基本工況和極端工況下的強度和剛度。出于以上考慮，本次設計采用具有邊梁式車架和中梁式車架特點的綜合式車架。設計時，車架上布置有多根橫梁，既能保證車架的扭轉剛度，承受縱向載荷，而且還可以支撐，安裝汽車上的主要部件，如前后排的座椅，電池架，懸架等。在選擇制造車架所用材料以及制造工藝時，參考市場上銷售的小型電動汽車常用材料，綜合考慮采購成本和制造便利性，選用Q235材質的方形鋼管。為保證車架性能與使用壽命，制造時采用氬弧焊技術進行焊接。 圖3-5 車架前部組成 圖3-6 車架中部組成 圖3-7 車架后部組成（1）車架前部組成：安裝前懸架，轉向器（2）車架中部組成：安裝前后排座椅，固定車身，安裝電氣線路（3）車架后部組成：安裝后懸架，電池架建立車架三維模型后，在CATIA的模型樹中為各部件定義材料屬性，輸入Q235鋼的機械性能參數。表一 Q235鋼的機械性能參數8密度7.85g/cm3彈性模量200-210Gpa泊松比0.25-0.33抗拉強度370-500Mpa屈服強度235MpaQ235鋼，又稱A3鋼，是應用廣泛的普通碳素結構鋼。Q235鋼含碳量適中，強度，塑性和焊接等特性可得到較好配合，綜合性能較好。3.2 將車架幾何模型導入Workbench建立車架三維幾何模型后，須將其導入Workbench軟件生成有限元模型。具體操作步驟如下：（1） 在CATIA中將車架三維幾何模型另存為三維軟件通用格式 .igs格式；（2） 啟動Workbench軟件；（3） 在工具箱Toolbox中選擇靜力學分析模塊Static Structural,拖至工作面板，生成靜力學分析文件；圖3-8 Workbench工具箱及工作面板（4） 定義材料：右鍵Engineering data，選擇編輯Edit，進入材料選擇與定義截面，單擊材料庫按鈕，找到通用材料General materials，雙擊，勾選結構鋼Structural Steel,在結構鋼屬性面板輸入表一所列Q235鋼的機械性能參數；圖3-9 定義Q235鋼的機械性能參數（5） Return to project（6） 導入三維幾何模型：右鍵Geometry，選擇導入幾何模型import Geometry,瀏覽并選擇之前保存為.igs格式的車架三維模型；為防止建立有限元模型時造成錯誤，導入車架三維模型后，進入幾何模型編輯模塊，單擊Generate生成模型，檢查導入的模型是否有幾何元素丟失，若發(fā)生此情況，找到可能的原因，重回CATIA編輯模型后重新導入Workbench。（7） 至此，車架的三維幾何模型已成功導入Workbench。圖3-10 導入車架三維幾何模型3.3 定義車架材料并進行網格劃分車架三維幾何模型導入Workbench軟件后，需對車架零件的材料進行定義，再對車架進行網格劃分，才能在軟件中生成有限元模型。具體操作步驟如下：（1） 在軟件操作界面左側模型樹中，單擊幾何體Geometry,可以呈現車架的各個實體零件solid，單擊每個零件，在下面的零件屬性對話框Details of solid中，找到material選項并修改為結構鋼Structural Steel，即是在章節(jié)3.2中我們已經定義的Q235鋼屬性；（2） 此外，在模型樹中，還包括零件的連接方式Connections。其中包含Bonded（固連），No Separation（無分離），Frictionless（光滑），Rough（粗糙），Frictional（摩擦）五種連接方式。本文設計的車架采用氬弧焊技術，因此選擇連接方式為Bonded（固連）；（3） 右鍵Mesh，點擊Generate mesh，對車架三維幾何模型進行網格劃（4） 至此，車架的三維幾何模型已在Workbench軟件中生成有限元模型。圖3-11 定義車架材料圖3-12 車架三維模型網格化3.4 施加載荷與約束本文所設計的車架，依照參考車型的載荷分布情況，主要承擔來自車身，電池組和車內乘員的載荷。因此可將車架的受力情況簡化為：（1）車身，車內乘員的均布載荷，均勻作用于前、后懸架與車架的連接處；（2）電池組的集中載荷，均勻作用于電池架。在得到車架受力的簡化模型后，依照參考車型數據，計算車架各受力點的數值。表二 電動車數據參數表座位數4座（含駕駛員）外形尺寸（長*寬*高）mm2790*1320*1570軸距(mm)1780輪距(mm)1000整備質量(kg)450最高車速（km/h）45電機功率（kw）1.2-1.8工作電壓（V）60（1） 計算車架各受力點的均布載荷 根據已有數據可知，電動汽車的整備質量是450kg，考慮到電動車的實際使用情況，以電動車滿座，包含4個乘員，人均質量80kg為例，計算車架各受力點的載荷情況。假設各點受力均勻。 F=M*g/N （3.1） F-各受力點所受集中力M-加載于車架上的總質量（包括整備質量與乘員質量） g-重力加速度，取10m/s2 N-受力點個數 計算得前懸架固定面受均布載荷0.09625MPa，后懸架固定端受均布載荷6.13MPa。（2） 計算電池組對電池架的載荷一組12V鉛酸蓄電池組的重量大約為5公斤，本文設計的電動車工作電壓為60V，故車架上搭載了5組鉛酸蓄電池，因此，電池架需承受25kg，即250N的均布載荷。根據計算結果，在Workbench中對車架施加載荷與約束。具體操作步驟如下：（1）在軟件操作界面左側模型樹中，單擊 Static Structural，開始定義各受力點的受力情況。在操作界面上部的工具欄內，找到Loads,選擇符合車架受力情況的載荷類型。Loads選項內包含Pressure（均布壓力），Force（集中力），Hydrostatic Pressure（液體靜壓力），Remote force（力矩）等。依照對車架受力情況的分析，選擇Pressure（均布壓力）；（2）選擇Pressure后，在下方Details of Pressure對話框中，對均布壓力進行定義，包括均布壓力的大小，方向和作用面。（3）對前懸架的固定面施加垂直于面向上的均布壓力，大小為0.09625MPa；后懸架與車架通過螺栓連接，載荷作用于螺栓孔上部表面，大小為6.13MPa；電池組均勻擺放于電池架上，大小為0.001923MPa。圖3-13 載荷定義界面圖3-14 車架載荷分布3.5 本章小結本章的主要內容是參考現有車型，設計小型電動汽車的車架，利用CATIA軟件建立三維模型，將車架的三維模型導入ANSYS Workbench軟件生成有限元模型，對其進行分析前處理，包括定義材料屬性和施加載荷。第4章 車架結構有限元靜態(tài)分析4.1 選擇計算工況強度是金屬材料抵抗外力作用而不變形和破壞的能力，是衡量零件本身承載能力的重要指標。機械部件必須具有足夠的強度，才能在工作時防止出現結構斷裂，塑性變形和表面破壞的情況9。汽車在工作時，需要面對復雜的工作工況。比如加速，制動，轉彎等工況。本文設計研究的車架，是以低速行駛的電動汽車為參照，最高車速為45km/h，因行駛速度較慢，本文選取車輛行駛過程中兩種最常見的工況進行模擬分析。（1） 水平行駛工況水平行駛工況是所設計車輛平時最常見的工況，在此工況下，車架所受載荷主要來自于車身，附件和乘員的垂直載荷。水平行駛工況下，車架扭轉程度有限，路面對車架的垂直反作用力使得車架在水平方向上產生彎曲變形。我們在此工況下，模擬汽車滿載水平行駛時車架的受力與變形情況。（2） 車輪懸空工況車輪懸空工況是指汽車一側車輪的前輪或者后輪懸空，此時車架承受扭轉載荷的作用，車架結構出現劇烈扭轉的情況。此工況多出現在不平整路面，對小型電動汽車而言，屬于極端工況。我們在此工況下，模擬汽車一側車輪的前輪或者后輪懸空時，車架的受力與變形情況。4.2 水平行駛工況的模擬與分析（1）延續(xù)第三章對車架載荷的設置；（2）單擊Solution,在上部的工具欄中選擇Deformation（變形）,Total deformation（總變形）；選擇Strain（應變），equivalent elastic strain（等效彈性應變）；選擇Stress（應力），equivalent stress（等效應力）；求解后即可在工作面板上直觀地看到外力作用下車架的應力，應變，變形；（3）右鍵Static Structural,單擊solve，對車架有限元模型進行求解圖4-1 水平行駛工況下車架的總變形分布圖4-2 水平行駛工況下車架的等效彈性應變分布圖4-3 水平行駛工況下車架的等效應力分布分析：從計算結果看，在車輛滿載的水平行駛工況下，車架的等效彈性應變和等效應力都遠低于Q235鋼的性能極限，最大應力max=162.51MPa，說明在此工況下，車架整體的強度要求是符合甚至遠超該工況下的強度要求的。但是，由實驗結果也看出，車架兩側的縱梁應力與應變較大，因此，在后續(xù)的輕量化優(yōu)化設計中，還是有很大的改進空間的。4.3 車輪懸空工況的模擬與分析滿載左前輪懸空工況下，加載于車架上的載荷由右前輪，兩個后輪承擔。按照第三章的內容，對車架進行受力分析簡化后，算得每個車輪的負載，在Workbench中施加載荷和約束并求解。圖4-4 左前輪懸空工況下車架的總變形分布 圖4-5 左前輪懸空工況下的等效彈性應變分布 第5章 車架結構的模態(tài)分析 圖4-6 左前輪懸空工況下車架的等效應力分布分析：從計算結果可以看出，左前輪懸空工況下，最大變形發(fā)生在右后輪處，其原因在于，當左前輪懸空時，汽車的重心位置發(fā)生變化，右后輪所承受的載荷增加，左前輪所在車架只需承擔車輪與懸架的重量，因而變形量較小，而右后輪承載的負荷較大，導致了車架最大的變形出現在右后輪處。在這種極端工況下，車架的等效應變與等效應力相較于水平行駛工況下都有所增加。值得注意的是，在左前輪懸空工況下，右后輪所在車架出現了應力集中現象，最大應力max=262.05MPa，已經大于Q235鋼的屈服極限，在車架表面出現了表面損壞，長期使用會導致焊接點斷裂，在之后對車架的優(yōu)化設計中需要改進。圖4-7 左前輪懸空工況下的應力集中現象4.4 本章小結本章選取了電動汽車常見的兩種工況，水平行駛工況和車輪懸空工況，計算其對應載荷后，利用Workbench軟件進行靜態(tài)分析，分析結果包括各工況對應的總形變，等效彈性應變和等效應力的云圖。通過分析，對所設計車架的應力分布和變形情況有了初步的了解，為之后優(yōu)化車架設計提供了參考。第5章 車架結構的模態(tài)分析5.1 模態(tài)分析的概念結構動力學分析是用來確定慣性和阻尼起重要作用時結構的動力學行為的技術。10對機械部件進行結構動力學分析的第一步工作通常是在忽略阻尼情況下，計算物體的固有頻率和振型。模態(tài)分析可用于確定結構的固有頻率和振型，也可用于對有預應力的結構的模態(tài)進行分析。機械結構的固有振動特性稱為模態(tài)，每一個模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振形11。通過計算或者實驗分析，我們可以取得這些模態(tài)參數，而這種通過計算和實驗取得模態(tài)參數的過程稱為模態(tài)分析。根據取得模態(tài)參數的方法，模態(tài)分析可分為計算模態(tài)分析和實驗模態(tài)分析。5.2 模態(tài)分析理論對于模態(tài)分析，其經典定義為：將線性定常系統(tǒng)振動微分方程組中的物理坐標變換為模態(tài)坐標，使方程組解耦，成為一組以模態(tài)坐標及模態(tài)參數描述的獨立方程組，以便求出系統(tǒng)的模態(tài)參數。12依照以上定義，坐標變換的變換矩陣為模態(tài)矩陣，其中的每列稱為模態(tài)振型。無阻尼模態(tài)分析是經典的特征值問題，其動力學運動方程可描述為： M+Kx=0 （5.1）結構的自由振動為簡諧振動，即位移為正弦函數： x= xsint （5.2）代入運動方程后可得：（K-2M）x=0 （5.3） 以上方程是經典的特征值問題，該方程的特征值為i2,其開方i就是自振圓頻率，自振頻率為=i/2，特征值對應的特征向量xi為自振頻率=i/2下對應的振型。5.3 車架模態(tài)分析過程電動車在行駛時，受路面激振力影響，會產生各種形式的振動（如車輪的激振，電機的激振等）。這類振動可能導致共振，不僅會導致電動車結構的疲勞破壞，也會產生噪音，影響電動車的操縱安全性和駕乘舒適性。共振會產生噪音和對部件造成疲勞破壞，同時破壞車身表面保護層和車身的密封性。通過Workbench對車架進行進行模態(tài)分析，可以得到車架在每一模態(tài)下的固有頻率和對應振型，研究車架的振動情況，從而對車架進行改進、優(yōu)化。合理的車身模態(tài)分布對提高整車的可靠性和NVH性能等具有十分重要的意義。車架在振動時，存在多階模態(tài)，每一階模態(tài)可用一組模態(tài)參數來表示，包括：車架的固有頻率，固有振型，模態(tài)質量，模態(tài)剛度和模態(tài)阻尼比等13。其中，頻率和振型是最重要的參數。根據模態(tài)參數，我們可以看出在哪些頻率下結構會發(fā)生共振以及相應的變形情況。在Workbench中對車架進行模態(tài)分析，具體操作步驟如下：（1）啟動Workbench軟件，在Analysis System中選擇模態(tài)分析模塊Modal，拖至工作界面，生成模態(tài)分析文件；（2）定義材料：右鍵Engineering data，選擇編輯Edit，進入材料選擇與定義截面，單擊材料庫按鈕，找到通用材料General materials，雙擊，勾選結構鋼Structural Steel,在結構鋼屬性面板輸入表一所列Q235鋼的機械性能參數；（3）Return to project（4）導入三維幾何模型：右鍵Geometry，選擇導入幾何模型import Geometry,瀏覽并選擇之前保存為.igs格式的車架三維模型。導入車架三維模型后退回Workbench主界面；（5）右鍵Model，進入Mechanical界面。在模型樹Outline中，單擊幾何體Geometry,可以呈現車架的各個實體零件solid，單擊每個零件，在下面的零件屬性對話框Details of solid中，找到material選項并修改為結構鋼Structural Steel，即是在章節(jié)3.2中我們已經定義的Q235鋼屬性；（6）右鍵Mesh，點擊Generate mesh，對車架三維幾何模型進行網格劃分；（7）在模型樹Outline中，單擊模態(tài)分析Modal，為車架施加約束。在模態(tài)分析中，邊界條件很重要，會影響零件的振型和固有頻率。對本文設計的車架，根據車架與車身的固定關系，可以假設車架的前輪懸掛固定面以及車架后排座椅的固定面為固定約束Fixed Support,即在此約束面上點、線、面的所有自由度為零； 圖5-1 前懸掛固定面 圖5-2 后排座椅固定面 圖5-3 車架約束分布（8）設置求解項：在模型樹Outline中選擇模態(tài)分析Modal，在其中選擇分析設置Analysis Settings,在對話框中設置模態(tài)分析的最大數目為6，可以求解前6階模態(tài)；（9）在Solution中選擇Deformation（變形），Total Deformation（總變形），依次插入其余5個模態(tài)求解結果。在對應的每個模態(tài)中，定義模態(tài)階數；圖5-4 定義模態(tài)（10）求解并顯示分析結果：右鍵Solution，單擊Solve，對車架進行模態(tài)分析。經過Workbench計算，得到車架的前六階固有頻率如表三所示，車架的前六階固有振型如圖所示。ModeFrequencyHz11.47.24822.47.313表三 車架的六階固有頻率33.59.80244.86.91855.89.68166.94.845 圖5-5 第一階振型 圖5-6 第二階振型 圖5-7 第三階振型 圖5-8 第四階振型 圖5-9 第五階振型 圖5-10 第六階振型分析：為避免車架發(fā)生共振，要求車架的模態(tài)固有頻率與外部載荷的激勵頻率相錯開。外部的激勵源主要包括汽車經過不平整路面時產生的振動、驅動系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、行駛系統(tǒng)、轉向系統(tǒng)等。查閱參考車輛的相關資料，該電動汽車傳動系統(tǒng)和轉向系統(tǒng)部件的最高工作頻率是8Hz。因此，所設計車架的低階模態(tài)固有頻率應控制在8Hz以上才能避免共振發(fā)生。從軟件的計算結果可以看出，車架的第一階模態(tài)的固有頻率最低，為47.248Hz。車架的最低固有頻率明顯高于外部激勵頻率，可以有效避免共振現象。5.4 本章小結本章簡單介紹了模態(tài)分析的概念和模態(tài)分析理論。在Workbench軟件中對所設計的車架進行模態(tài)分析，得到了車架前六階模態(tài)的固有頻率和對應振型。參考外部激勵源頻率，對比車架的固有頻率，可以得出結論，所設計車架在常見外部激勵源頻率影響下，不會發(fā)生共振現象，車架不會出現明顯變形。第6章 車架的優(yōu)化設計6.1 優(yōu)化設計的概念優(yōu)化設計就是將實際工程設計問題轉化為最優(yōu)化問題，然后采用最優(yōu)化方法，從滿足要求的可行設計方案中尋找實現預期目標的最優(yōu)設計方案。14優(yōu)化設計是計算機輔助設計的核心內容，是現代設計方法的體現。優(yōu)化設計的基本原理是：利用數學工具，將實際工程問題轉化為數學方程，利用優(yōu)化設計理論進行反復求解，最終尋找到一種最優(yōu)的設計方案。15優(yōu)化設計的數學模型，可以用如下的形式表示。目標函數：=(x1,x2,x3,.,xn) （6.1）設計變量限制范圍：min(xi)ximax(xi)(i=1,2,.,N) （6.2）約束條件：min(gj)gjmax(gj)(j=1,2,.,M) （6.3）式中，-目標函數 Xi-設計變量 N-設計變量數 gi-狀態(tài)變量 M-狀態(tài)變量數優(yōu)化設計的類型包括拓撲優(yōu)化設計和結構參數優(yōu)化。在產品概念設計階段或對已有設計進行重量縮減的設計時，常采用拓撲優(yōu)化設計方法。拓撲優(yōu)化設計方法主要應用于靜力結構分析問題中，指在一定載荷作用下，以對整體結構的強度不產生負面影響為前提，尋找設計部件中可去除的面積，實現部件質量和體積的減少。參數優(yōu)化設計主要用于產品詳細設計階段。建立參數化的模型是實現參數優(yōu)化設計的前提。參數包括結構參數、材料性能參數、載荷參數、受力點位置參數等16。6.2 車架的優(yōu)化設計思路車架的優(yōu)化設計，主要從截面的形狀、結構形態(tài)、預變形的優(yōu)化設計和加強筋、肋板、減重孔的布置等方面入手。此外，從輕量化角度考慮，車架的優(yōu)化設計也包括零部件的材料選擇和車架的制造工藝。結合優(yōu)化設計的原理和輕量化設計原則，以及此前在水平行駛工況和車輪懸空工況的實驗結果，車架的優(yōu)化設計思路簡單歸納如下：1、 結合等效應力云圖，選用輕質材料管件（如鋁合金，鎂鋁合金等）組成車架；2、 結合等效應力云圖，對車架的組成管件，依據結構特點和應力水平進行分類優(yōu)化；3、 依照參考車型的固定參數，如懸架類型，懸架高度，電池組安裝位置，電氣線路安裝位置等，對現有車架的組件設計和布置進行重新設計。6.3 優(yōu)化后車架幾何模型依據6.2節(jié)中車架優(yōu)化設計思路，對原車架做出如下改動：1.將原車架的組成管件，按照車架的結構安排和模擬所得的應力情況分類，其中車架中部組成的左右側兩根縱梁，承受后懸架載荷與后部車架結構形成的力矩，為主要承力件，選用直徑40mm，壁厚3mm的Q235無縫鋼管替換原來使用的50303mm的Q235方鋼。此外，為改善小型電動汽車的碰撞安全性，前部車架組成中用于起保險杠作用的方鋼也用此圓鋼替代。附不同截面形狀薄壁梁的碰撞力對比表。由表四中的碰撞力數據可知，不同截面形狀的薄壁梁，承受碰撞時的能力也不同。截面形狀越接近于圓形，結構的吸能量和峰值碰撞力越大，結構的抗撞能力越強。17表四 不同截面形狀薄壁梁的碰撞力對比18截面形狀最大碰撞力/kN平均碰撞力/kN吸能量/J長方形83.9940.2007449.5正方形89.9543.1607579.4六邊形88.9549.6297625.0圓形86.5149.6497639.9 圖6-1 50303mm方鋼 圖6-2 503mm圓鋼2.由水平行駛工況和左前輪懸空工況的等效應力云圖不難發(fā)現，中部車架組成中位于后排座椅下方的兩根縱梁，以及前排座椅下方的兩根傾斜放置的梁，在上述工況中所受應力較小，遠低于Q235鋼的力學性能極限，因此可換用重量較輕的鋁合金材質的方鋼。此外，后排座椅下方的縱梁與中間橫梁的連接部位應力較為集中，最大應力值約為54MPa左右。雖然遠低于Q235鋼的屈服極限，但可對其布置方式進行優(yōu)化，以實現更為合理的載荷分布。 圖6-3 原車架中部組成 圖6-4 優(yōu)化后車架中部組成3.電池架的優(yōu)化設計：電池架主要承載來自電池組的載荷，本文參考車型工作電壓60V，由5組鉛酸蓄電池供電。每一組鉛酸蓄電池的重量約為5kg，全車電池組總重量為25kg，因此電池架需承載250N載荷。相較于車架主要承力桿件所受載荷，對電池架的性能設計要求可相對降低。原電池架與后排座椅固定桿件和后懸架固定桿件共同組成車架后部結構，由多節(jié)短管焊接而成的桁架結構，呈階梯形構造。其中，電池架焊接在后懸架固定桿件上，因此后懸架固定桿受力情況復雜，變形程度大于車架其余部分，這一點在應力云圖中得到驗證。由于焊接工藝和焊接質量的差異，多節(jié)短管焊接而成的后部車架組成，在可靠性與使用壽命方面略顯不足。此外，由人機工程學角度考慮，原電池架與其他管件之間形成的空間狹小，為更換電池或擴大電動車電池數量帶來不便?；谝陨峡紤]，對電池架優(yōu)化設計如下：（1）選用鋁合金方鋼作為電池架的主要承力構件；（2）改變電池架的固定方式，由短管焊接固定于后懸掛安裝支架，變?yōu)槿∠坦?，直接焊接固定于座椅下方的主車架；?）為改善后懸架安裝固定支架的受力情況，水平的固定支架用圓鋼替代，與豎直方向的方鋼直角焊接，直接焊接于主車架的左右兩側縱梁，避免了多次焊接的復雜制造過程與焊接處的應力集中現象；（4）由應力云圖可知，管件相連的焊接處多出現應力集中現象，尤其是面與面之間為直角過渡的情況下。因此，在豎直方向的方鋼與水平的車架縱梁之間增加一傾斜短管，減輕焊接處的應力集中現象。 圖6-5 原電池架與車架后部組成 圖6-6 優(yōu)化后電池架與車架后部組成圖6-7 優(yōu)化后車架整體構型利用CATIA自帶的測量慣量命令，我們可以測得，全部組件采用Q235方鋼的原車架重量為77.186kg，車架在組件材料選擇、管件截面重新設計、管件合理分配等優(yōu)化后，測得重量為50.68kg，相比于初始重量，車架減輕了34%，輕量化設計的成效顯著。6.4 優(yōu)化后車架有限元靜態(tài)分析與對比依照第四章車架結構有限元靜態(tài)分析步驟，將優(yōu)化后車架三位幾何模型導入Workbench軟件，采用與原車架靜態(tài)分析時的相同外部條件，施加載荷與約束，對優(yōu)化后車架進行靜態(tài)分析。水平行駛工況： 圖6-8 車架總變形分布對比 圖6-9 車架等效彈性應變分布對比 圖6-10 車架等效應力分布對比對比與分析：從車架總變形圖分布圖可以看出，原車架前部組成，以及前排座椅下梁的變