基于Hypermesh的電動(dòng)汽車車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

李 紅，張海峰，王憶望，李寒毅

（揚(yáng)州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127）

電動(dòng)汽車比較適合在城市內(nèi)短距離使用，這種區(qū)域內(nèi)的交通工具宜采用中低速的速度范圍，以適應(yīng)運(yùn)行過程中復(fù)雜的交通環(huán)境.為減輕車身質(zhì)量，電動(dòng)汽車在設(shè)計(jì)過程中大多采用輕質(zhì)材料［1］，這樣車架就成為所有動(dòng)力、傳動(dòng)部件的安裝基體，并承載、傳遞著各類重力與驅(qū)動(dòng)力［2］；因此，車架的可靠性將關(guān)系到整車能否正常運(yùn)行，在設(shè)計(jì)過程中必須保證車身骨架的剛度和強(qiáng)度符合要求.同時(shí)，受其動(dòng)力源的限制，電動(dòng)汽車的輸出功率與扭矩遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)燃油汽車.［3－5］通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）技術(shù)，對(duì)整車的承載結(jié)構(gòu)件（車身骨架）進(jìn)行有限元分析，可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)最優(yōu)化，減輕整車的質(zhì)量，從而使整車的動(dòng)力性能得到提升.［6］目前，國(guó)內(nèi)外的研究方向主要是對(duì)承載式車身的結(jié)構(gòu)分析優(yōu)化，而關(guān)于電動(dòng)汽車車架的結(jié)構(gòu)有限元分析與優(yōu)化的文獻(xiàn)報(bào)道較少.［7－9］在本文中，筆者擬通過有限元技術(shù)，對(duì)電動(dòng)汽車在運(yùn)行過程中車架的受力狀況進(jìn)行有效評(píng)價(jià)并作出相應(yīng)的優(yōu)化，突破傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)主導(dǎo)的設(shè)計(jì)思路，為設(shè)計(jì)工作提供有效的參考.

1 車架有限元模型的建立

1.1 幾何模型的建立

根據(jù)企業(yè)提供的研究對(duì)象的二維參數(shù)，將車架實(shí)際結(jié)構(gòu)必要簡(jiǎn)化后運(yùn)用CATIA軟件對(duì)其進(jìn)行三維建模，比直接在有限元軟件中建立模型效率更高.［10］圖1給出了車架的幾何模型.

圖1 車架幾何模型Fig.1 Frame geometry model

1.2 車架有限元模型的建立

三維模型建立后，將其文件轉(zhuǎn)換為IGES格式，并導(dǎo)入到Hypermesh中.

1）幾何模型的清理與簡(jiǎn)化.由于有限元結(jié)構(gòu)只是對(duì)實(shí)際情況的近似模擬，因此在建立有限元模型時(shí)，可在不影響模型整體力學(xué)特性的基礎(chǔ)上對(duì)其幾何模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，刪除一些對(duì)結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析無影響或影響較小的細(xì)節(jié).

2）網(wǎng)格劃分.單元類型的選擇也會(huì)對(duì)計(jì)算精度產(chǎn)生很大的影響.在建模過程中，往往采用四邊形單元為主、三角單元相適應(yīng)的方式對(duì)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分.

3）網(wǎng)格質(zhì)量的檢驗(yàn).根據(jù)車架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用殼單元建立車架模型.經(jīng)過對(duì)車架網(wǎng)格的多次劃分與比較后，確定選擇單元邊長(zhǎng)為10mm的四邊形網(wǎng)格進(jìn)行劃分.對(duì)一些可能發(fā)生局部應(yīng)力較大的細(xì)節(jié)采用三角單元進(jìn)行離散逼近，充分發(fā)揮三角單元適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，以優(yōu)化網(wǎng)格的連接質(zhì)量.網(wǎng)格劃分完成以后，單元個(gè)數(shù)為57 040，節(jié)點(diǎn)為55 843，其中三角單元個(gè)數(shù)為3 194，所占比例為5.6%.單元質(zhì)量檢查規(guī)范見表1.

表1 單元質(zhì)量檢查規(guī)范Tab.1 The quality inspection standard of cells

表2 硬質(zhì)鋁合金的材料屬性Tab.2 The material properties of hard aluminum alloy

1.3 材料定義

受電動(dòng)汽車動(dòng)力源的限制，擬采用輕質(zhì)材料焊接車架.電動(dòng)汽車的車架采用硬質(zhì)鋁合金，其具體材料屬性如表2所示.

1.4 約束及載荷的定義

1）約束的定義.對(duì)車架進(jìn)行分析時(shí)，為了使數(shù)值有解且唯一，系統(tǒng)要求必須消除結(jié)構(gòu)的剛體位移，以保證結(jié)構(gòu)總體剛度矩陣非奇異.［11］本研究按照電動(dòng)汽車實(shí)際運(yùn)行情況，主要對(duì)車架進(jìn)行彎曲與彎扭組合工況下的有限元分析.車架彎曲與彎扭組合工況的約束如表3所示.

2）載荷的模擬.載荷的模擬是否與實(shí)際相符或接近直接關(guān)系到計(jì)算結(jié)果的真實(shí)性.［12］在進(jìn)行車身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析時(shí)，車架所受的載荷主要包括駕駛室的重力、電池組的重力、車身重力以及操縱系統(tǒng)的重力等，如圖2所示.

表3 車架彎曲與彎扭組合工況的約束Tab.3 The constraints of the frame under bending condition and the bending and twisting condition

具體的模擬方式：①動(dòng)力電池組安放在1，5處，各2組，按集中載荷施加，每組質(zhì)量50kg.②駕駛室安裝在第一根與第二根橫梁中間2處，按集中載荷施加，每邊質(zhì)量為120kg.③車身固定在3處，按均布載荷施加在兩縱梁上，總質(zhì)量為200kg.④ 操縱裝置安裝在4處，質(zhì)量為20kg，按集中載荷施加.靜態(tài)優(yōu)化分析時(shí)兼顧動(dòng)態(tài)載荷的影響，取電動(dòng)汽車動(dòng)載荷因子為1.5，則修正后重力加速度為1.47×104mm·s－2.

圖2 整車載荷分布Fig.2 The load distribution of vehicle

2 車架的結(jié)構(gòu)剛度分析

滿載車架在彎曲工況下計(jì)算的應(yīng)力與位移云圖如圖3所示.彎曲工況下車架的應(yīng)力分布如圖3（a）所示，可知車架的變形主要以彎曲為主，應(yīng)力分布中的極值點(diǎn)出現(xiàn)在車架中部乘客區(qū)，大小為208MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于硬質(zhì)鋁合金材料的屈服強(qiáng)度（其屈服極限為390～405MPa）.從圖3（b）中可看出，車架中部承載駕駛員與乘客，位移相對(duì)較大；車架后部載荷較小，會(huì)因中部下沉而導(dǎo)致上翹，位移達(dá)到最大值，因此結(jié)果分析與實(shí)際情況相符.車架前部與前橋及轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)連接，較小的變形可以有效保證電動(dòng)汽車在運(yùn)行過程中的行駛性能與轉(zhuǎn)向特性；車架后部的大變形則有利于改善車架整體的應(yīng)力狀況，并能起到一定的緩沖作用.

圖3 滿載車架彎曲工況下的應(yīng)力與位移云圖Fig.3 The stress and displacement cloud chart of the frame under bending condition with fully loaded

彎扭組合工況由于后輪懸空，最大應(yīng)力發(fā)生在車架中部與后部的連接處，最大壓應(yīng)力約為213MPa，亦滿足車架的強(qiáng)度要求，如圖4所示.

經(jīng)上述分析可知，該車架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，大部分應(yīng)力遠(yuǎn)小于車架材料的抗拉強(qiáng)度，性能穩(wěn)定.在保證或提高車架性能的前提下，可通過優(yōu)化的方法改進(jìn)車架結(jié)構(gòu)，減輕車架自質(zhì)量.

3 車架的優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 優(yōu)化參數(shù)選擇

1）設(shè)計(jì)變量（DV）.即自變量.車架模型單元類型為殼單元，因此設(shè)計(jì)變量選擇為厚度值，其上下限定義考慮制造工藝要求，并以原始厚度為參考.初步分析的大應(yīng)力部位選為設(shè)計(jì)變量組，并且選擇盡可能多的設(shè)計(jì)變量組.

2）狀態(tài)變量（SV）.用來體現(xiàn)優(yōu)化的邊界條件，也是設(shè)計(jì)變量的函數(shù).這里主要研究車架的強(qiáng)度與剛度問題，以模型計(jì)算分析的薄弱環(huán)節(jié)的單元等效應(yīng)力與整個(gè)模型中能充分描述其彎曲及扭轉(zhuǎn)剛度的關(guān)鍵位置的位移為狀態(tài)變量，而且在每個(gè)設(shè)計(jì)變量組上都應(yīng)選用大應(yīng)力單元為狀態(tài)變量，以防止優(yōu)化部件厚度單調(diào)最小化.

3）目標(biāo)函數(shù)（OBJ）.優(yōu)化目標(biāo).它必須是設(shè)計(jì)變量的函數(shù)，而且只能求其最小值.考慮到輕量化目標(biāo)，在車架的優(yōu)化計(jì)算中，選用模型的質(zhì)量為優(yōu)化目標(biāo)，也可以車架模型體積為目標(biāo)函數(shù)，以獲取最佳車架管材的厚度，使其在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度要求的前提下達(dá)到結(jié)構(gòu)輕量化.

3.2 優(yōu)化結(jié)構(gòu)分析

為了綜合分析各設(shè)計(jì)部件應(yīng)力和車身關(guān)鍵位置位移的優(yōu)化結(jié)果，最終優(yōu)化值的選取綜合考慮了彎曲工況與彎扭組合工況的設(shè)計(jì)部件厚度的優(yōu)化結(jié)果，一般取其較大的優(yōu)化結(jié)果，得出最佳的車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案.車架結(jié)構(gòu)模型優(yōu)化后如圖5所示，其最終管材尺寸參數(shù)見表4.

圖5 優(yōu)化后車架模型Fig.5 The frame model after optimization

經(jīng)過優(yōu)化后，彎曲工況車架縱梁上關(guān)鍵點(diǎn)垂直位移最大值為0.776mm，小于設(shè)定的工程上限0.9mm；車架的等效應(yīng)力最大值為156MPa，發(fā)生在車架中部；彎扭組合工況車架尾部控制點(diǎn)垂直方向上的最大位移為7.683mm，小于工程上限9mm；車架的等效應(yīng)力最大值為221MPa，發(fā)生在車架中后部連接處，均小于材料的彈性極限值405MPa.優(yōu)化后，模型的實(shí)際質(zhì)量為61kg，較優(yōu)化前質(zhì)量減輕了5kg.優(yōu)化前后整車性能指標(biāo)對(duì)比見表5.

表4 各部件優(yōu)化厚度值Tab.4 The optimization thickness values of all parts mm

表5 優(yōu)化前后整車性能指標(biāo)對(duì)比Tab.5 The comparison of vehicle performance index before and after optimization

［1］高云凱.汽車車身結(jié)構(gòu)分析 ［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2006：119－122.

［2］劉云，蹇興東.基于Hypermesh和ANSYS的拖拉機(jī)駕駛室模態(tài)分析 ［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2010，10（5）：1221－1224.

［3］李金國(guó)，王慧，劉紅.基于 Hypermesh的有限元前置優(yōu)化設(shè)計(jì) ［J］.機(jī)械工程師，2005（7）：126－127.

［4］胡杰.客車車身結(jié)構(gòu)性能分析及其輕量化改進(jìn)設(shè)計(jì) ［D］.揚(yáng)州：揚(yáng)州大學(xué)，2008.

［5］MERKLEIN M，GEIGER M.New materials and production technologies for innovative lightweight constructions［J］.J Mater Process Tech，2002，125／126（9）：532－536.

［6］鄭翔，方開榮，王成，等.四缸柴油發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體有限元模態(tài)仿真及其測(cè)試 ［J］.揚(yáng)州大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，13（1）：42－46.

［7］HILMANN J，PAAS M，HAENSCHKE A，et al.Automatic concept model generation for optimization and robust design of passenger cars［J］.Adv Eng Software，2007，38（11／12）：795－801.

［8］ZHANG Rui，JU Jian－min.Finite element analysis based on Pro／E，Hyper Mesh and ANSYS［C］／／International Conference on Computer Science and Software Engineering.Wuhan，Hubei：IEEE，2008：622－625.

［9］SUN Ya－zhong，CHEN Zuo－bing.Date interactive technique in Pro／E and Hyper Mesh and ANSYS and its application in structural analysis ［C］／／International Conference on Computer Modeling and Simulation.Macau：IEEE，2009：273－276.

［10］XU Jiang－tao，SONG Yan－dong，DING Ji－bin，et al.Analysis of a front sub－frame fatigue strength based on Miner theory［C］／／International Conference on Computer Application and System Modeling.Taiyuan：IEEE，2010，9：191－193.

［11］ZHANG Xiao－feng，LIN Bin，WANG Tai－yong.Finite－element analysis of aerostatic lubrication with porous restrictors based on HYPERMESH ［J］.J Vac Sci Technol B，2009，27（3）：1555－1558.

［12］盧立富，岳玲，黃雪濤.基于Hypermesh的車架結(jié)構(gòu)模態(tài)分析 ［J］.電腦知識(shí)與技術(shù)，2008，4（12）：569－570.