基于ANSYS分析的節(jié)能賽車車架結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)

喬　邦，陸忠東

(上海電機(jī)學(xué)院 汽車學(xué)院，上?！?00240)

基于ANSYS分析的節(jié)能賽車車架結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)

喬邦，陸忠東

(上海電機(jī)學(xué)院 汽車學(xué)院，上海200240)

摘要：以第一代節(jié)能賽車車架為研究對(duì)象，運(yùn)用CATIA軟件建立其車架三維模型,并運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行3種不同材料、不同截面尺寸的剛度、強(qiáng)度分析，在有限元分析的基礎(chǔ)上，對(duì)車架進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)；同時(shí)，對(duì)改進(jìn)后的車架進(jìn)行自由模態(tài)分析，獲得車架低階固有頻率(前6階)及振型.分析結(jié)果表明，車架避開了與發(fā)動(dòng)機(jī)怠速、常用車速下的頻率重合，實(shí)現(xiàn)了車架的輕量化.

關(guān)鍵詞：車架；有限元；靜態(tài)分析；模態(tài)分析

伴隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，燃油緊缺、環(huán)境污染問題日益凸顯[1]，為確保汽車工業(yè)的可持續(xù)性，節(jié)能、環(huán)保勢在必行[2]. 2007年在我國舉辦的本田杯節(jié)能車大賽，正是在這種大背景下產(chǎn)生的.汽車的輕量化是實(shí)現(xiàn)節(jié)能的有效途徑[3].節(jié)能賽車輕量化設(shè)計(jì)是在滿足賽車必要的強(qiáng)度、剛度的基礎(chǔ)上，減輕賽車的總質(zhì)量[4],這不但節(jié)約了賽車在制造過程中對(duì)原料的使用[5],而且可以減少賽車在使用過程中的有害排放[6].目前主要有兩種途徑來實(shí)現(xiàn)車輛輕量化：一是應(yīng)用現(xiàn)代復(fù)合材料和輕金屬等輕質(zhì)材料，達(dá)到減輕質(zhì)量的目的[7]；二是利用有限元法和優(yōu)化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，以減少車身骨架、發(fā)動(dòng)機(jī)和車身鋼板等部件總成質(zhì)量[8].

1車架結(jié)構(gòu)模型的建立

依據(jù)項(xiàng)目組的設(shè)計(jì)方案書，并參考國內(nèi)外同類型的車架實(shí)體結(jié)構(gòu)尺寸，在三維軟件(CATIA)平臺(tái)上，建立了節(jié)能車車架結(jié)構(gòu)三維模型(圖1).參賽節(jié)能車要求不少于3車輪，本車架的布置方式選定為前1后2，兩后輪為驅(qū)動(dòng)輪，前輪為轉(zhuǎn)向輪，有利于布置直接轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，車架長1.6 m，寬0.55 m,軸距1.25 m，可滿足本田杯節(jié)能賽車的設(shè)計(jì)要求.

圖1　車架的三維模型

采用二節(jié)點(diǎn)的兩單元Beam188，對(duì)節(jié)能賽車的車架三維數(shù)模結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散化.根據(jù)比賽過程中的實(shí)際受力情況，使用手動(dòng)局部加密方法對(duì)車架的三維數(shù)模進(jìn)行網(wǎng)格劃分.在車架中后部位有賽車手、發(fā)動(dòng)機(jī)、差速器等，所承受載荷較大，對(duì)其所在管件的網(wǎng)格劃分相對(duì)細(xì)密，其單元尺寸范圍是3～5 mm；在車架的前部，主要安裝轉(zhuǎn)向柱、儀表等，承受載荷相對(duì)較小，對(duì)其管件在單元網(wǎng)格劃分時(shí)，相對(duì)粗一些，單元尺寸范圍是9～15 mm.其優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算速度快，分析結(jié)果精確.整體車架劃分的單元總數(shù)為438個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為1680個(gè).對(duì)車架各管件采用氬弧焊焊接，在模擬分析時(shí)，定性為剛性連接.

2車架有限元分析

車架的輕量化設(shè)計(jì)從材料上著手，本文選用鋁合金、鈦合金、4130合金鋼3種不同的車架材料，由于車架、載荷的復(fù)雜性，很難用數(shù)學(xué)的計(jì)算方法得到準(zhǔn)確的解值，所以使用有限元法對(duì)同種結(jié)構(gòu)車架進(jìn)行分析.車架材料的截面特性(截面形狀、尺寸)是可以調(diào)整的.當(dāng)車架所用材料及材料的截面尺寸不同時(shí)，計(jì)算得出的車架強(qiáng)度、剛度值也不相同，通過對(duì)比即可選出在滿足車架強(qiáng)度、剛度要求的條件下，使車架質(zhì)量最輕時(shí)相對(duì)應(yīng)的車架材料及其截面尺寸.

由于此車是在良好的賽道上中低速行駛(平均車速25 km/h以上)，較少受到外界大的沖擊，對(duì)車架承受的載荷，根據(jù)作用方式不同，按集中載荷和均布載荷來處理.發(fā)動(dòng)機(jī)(220 N)和賽車手(500 N)的重力，簡化為集中載荷作用在支撐點(diǎn)上；對(duì)車架自質(zhì)量及轉(zhuǎn)向系、制動(dòng)系等其它零部件則簡化為均布載荷作用在相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上.

在選用不同材料、不同截面尺寸對(duì)車架進(jìn)行彎曲、扭轉(zhuǎn)工況分析時(shí)，對(duì)車架的約束不同.

車架的彎曲工況主要是用來分析滿載時(shí)賽車在良好的賽道上四輪著地勻速前行(或靜止)，車架因受到彎曲載荷而產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變，此時(shí)，車輪處于同一平面，對(duì)前輪約束UY方向的自由度，兩后輪則約束UX、UY、UZ 3個(gè)方向的自由度；而車架在扭轉(zhuǎn)工況下，允許車輪作小范圍的上下跳動(dòng)，此時(shí)，對(duì)跳動(dòng)的車輪釋放其所有自由度，約束前輪UX、UY、UZ 3個(gè)自由度及另一側(cè)車輪的UX、UY 2個(gè)自由度，車架扭轉(zhuǎn)工況下的動(dòng)載系數(shù)在分析時(shí)取值為1.3.

車架在扭轉(zhuǎn)工況下所受到的應(yīng)力、應(yīng)變較大，本文選3種不同的車架材料對(duì)其進(jìn)行彎曲、扭轉(zhuǎn)工況分析，以此來作為對(duì)車架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度判斷的依據(jù).圖2、圖3是選擇鈦合金為車架材料的扭轉(zhuǎn)工況時(shí)車架的應(yīng)力、應(yīng)變情況.

圖2　滿載時(shí)車架扭轉(zhuǎn)工況應(yīng)力云圖

圖3　車架扭轉(zhuǎn)工況應(yīng)變?cè)茍D

從車架彎曲工況下的應(yīng)力云圖來看，車架所受載荷的最大應(yīng)力是281 MPa，最大應(yīng)力出現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)與后車架的支撐位置處，小于材料的屈服極限335 MPa，車架在扭轉(zhuǎn)工況下的強(qiáng)度滿足要求.從車架扭轉(zhuǎn)工況下的應(yīng)變?cè)茍D上來看，車架的較大變形量分別出現(xiàn)在賽車手座椅右后安裝支點(diǎn)和發(fā)動(dòng)機(jī)前安裝支點(diǎn),車架的最大變形量為1.36 mm，車架的剛度足夠.3種不同材料車架的彎扭工況分析結(jié)果見表1.

表1　不同車架材料彎扭工況數(shù)值表

參照有限元分析結(jié)果，在第一代車架結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對(duì)車架進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì).由于鈦合金的剛度、強(qiáng)度能夠滿足要求，其密度小，車架質(zhì)量輕，為此，車架選用19 mm×1.5 mm的鈦合金材料；同時(shí)，在車架變形量較大部位，即賽車手座椅的兩后安裝支點(diǎn)和發(fā)動(dòng)機(jī)前安裝支點(diǎn)處，采用加強(qiáng)筋進(jìn)行加固.

3新車架模態(tài)分析

節(jié)能車需要有合理的動(dòng)態(tài)特性來控制其振動(dòng).在賽道上行駛的節(jié)能車，由于賽道的不平度而產(chǎn)生激振；同時(shí)，由于賽車的行駛，振動(dòng)的發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)車架也會(huì)產(chǎn)生隨機(jī)的激振.如果上述兩種情況激振的頻率恰巧與賽車車架的某一固有頻率吻合，則賽車在比賽過程中會(huì)出現(xiàn)因共振現(xiàn)象而造成車架損壞的危險(xiǎn)情況，所以，為克服共振現(xiàn)象發(fā)生，有必要分析賽車車架固有的振動(dòng)頻率及振型，通過合理設(shè)計(jì)車架結(jié)構(gòu)來避開上述兩種振源的激振頻率.

節(jié)能車其主要的激振源有路面激振和發(fā)動(dòng)機(jī)激振.其中路面激振的頻率主要受賽道的路面質(zhì)量影響.參照城市中路面較好的道路，其激振頻率大多數(shù)低于3 Hz，而節(jié)能賽車主要是在賽道上行駛，路面良好，所以，節(jié)能賽車車架結(jié)構(gòu)在低階自由模態(tài)下其固有頻率應(yīng)盡可能高于賽道激振頻率(3 Hz)，以避免發(fā)生共振，

而發(fā)動(dòng)機(jī)激振則主要受其轉(zhuǎn)速影響.參照發(fā)動(dòng)機(jī)激振頻率計(jì)算公式，計(jì)算出賽車處在怠速與正常行駛工況下的激振頻率，以此來界定發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)頻率范圍.

發(fā)動(dòng)機(jī)的激振頻率計(jì)算公式：

發(fā)動(dòng)機(jī)激振頻率.

(1)

分析車架是否滿足振動(dòng)要求，一般用該車車架的低階頻率進(jìn)行結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià).本課題研制的節(jié)能車所用發(fā)動(dòng)機(jī)是由HONDA公司提供的單缸4沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，其怠速與常用轉(zhuǎn)速分別是1500 r/min和2800～4500 r/min，通過式(1)計(jì)算該發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速和常用轉(zhuǎn)速下的兩種激振頻率分別是12．5 Hz和23.5～37.5 Hz.

在設(shè)計(jì)時(shí)要求車架的低階頻率要介于賽道激振頻率和發(fā)動(dòng)機(jī)常用轉(zhuǎn)速時(shí)產(chǎn)生的激振頻率之間.

對(duì)車架模型進(jìn)行自由模態(tài)分析.表1為車架前6階自由模態(tài)的頻率和振型.

表2　車架前6階固有頻率及振型表

根據(jù)分析結(jié)果可知，車架在自由模態(tài)下的前6階固有頻率大于賽道對(duì)車架的激振頻率，從而使賽車有效避開了與賽道發(fā)生低頻共振(<3 Hz)的可能性；在保證賽車車架剛度的同時(shí)，賽車在常用車速情況下對(duì)車架的激振頻率(23.5～37.5 Hz)大于車架前6節(jié)自由模態(tài)下的固有頻率，有效避開了賽車在比賽過程中共振情況的發(fā)生.

4結(jié)語

選用CATIA軟件建立車架的三維模型，通過ANSYS分析軟件，對(duì)3種不同材料、不同壁厚和截面尺寸車架結(jié)構(gòu)的幾何模型進(jìn)行有限元分析，把節(jié)能、減質(zhì)量作為目標(biāo)，對(duì)車架的材料、截面尺寸及壁厚等方面通過計(jì)算做了最優(yōu)選擇，使材料的性能(剛度、塑性)得到最大發(fā)揮.

對(duì)選定材料、截面尺寸及壁厚的車架進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，在應(yīng)力較為集中部位增設(shè)加強(qiáng)筋，即保證了車架的強(qiáng)度、剛度，又有效降低了車架的質(zhì)量，從而實(shí)現(xiàn)了車架結(jié)構(gòu)的輕量化；

根據(jù)自由模態(tài)分析結(jié)果，車架改進(jìn)后其固有頻率與賽車在賽道上行駛時(shí)，賽道對(duì)車架的激振頻率不會(huì)發(fā)生耦合；與賽車在怠速及常用轉(zhuǎn)速時(shí)的頻率不會(huì)發(fā)生耦合，即賽車在正常比賽過程中不會(huì)發(fā)生共振，其舒適性能良好.

本設(shè)計(jì)賽車順利、出色完成比賽，驗(yàn)證所建車架有限元模型、對(duì)載荷的施加方式以及對(duì)邊界條件的約束是正確的，為以后車架的輕量化設(shè)計(jì)積累了經(jīng)驗(yàn).

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(編輯武峰)

中圖分類號(hào)：U469.6+96

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-358X(2015)03-0076-04

收稿日期：2015-06-18

作者簡介：王艷輝(1984-)，男，黑龍江牡丹江人，工程師，碩士，主要從事工程機(jī)械、專用車研究.

通訊作者：姜文光(1966-)，男，黑龍江望奎人，教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事機(jī)械工程數(shù)值模擬研究.

The Lightweight Frame Design of Energy-saving Automobiles Based on ANSYS

QIAO Bang，LU Zhongdong

(Automotive Academy,Shanghai Dianji University，Shanghai 200240， China)

Abstract:Taking the first generation of energy-saving vehicles as the research objects,using the CATIA software to establish the three-dimensional model of the frame,this paper analyzed the stiffness and strength of three different kinds of materials with different section dimensions on the basis of ANSYS and FEM to address improved lightweight frame design.Meanwhile, the low-order frequency(six orders) and vibration mode were also obtained from the free modal analysis.The results showed that the frame avoided the coincidence frequency with engine idle speed and common speed and thus the automobile lightweight fabrication was realized.

Key words:frame; FEM; static analysis; modal analysis