四輪微型電動(dòng)車車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)校核及有限元分析

姚貴英，吳 蒙

（河北工程大學(xué)機(jī)械與裝備工程學(xué)院，河北 邯鄲056038）

四輪微型電動(dòng)車車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)校核及有限元分析

姚貴英，吳 蒙

（河北工程大學(xué)機(jī)械與裝備工程學(xué)院，河北 邯鄲056038）

車架作為整車的重要承載部件，必須保證其具有可靠的安全性能。本文使用三維設(shè)計(jì)軟件SolidWorks對(duì)車架進(jìn)行三維實(shí)體建模，并利用ANSYS-Workbench有限元分析軟件，選擇彎曲和扭轉(zhuǎn)兩種工況，針對(duì)四輪微型電動(dòng)車車架進(jìn)行安全性能的理論分析，得到車架相關(guān)力學(xué)特性參數(shù)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化；然后，基于可靠性理論，分析計(jì)算出其安全性能的可靠度，其結(jié)果對(duì)相關(guān)領(lǐng)域人員有一定參考價(jià)值。

四輪微型電動(dòng)車；車架；有限元分析；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

作為一個(gè)新興的朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)，四輪微型電動(dòng)車的市場(chǎng)尚不成熟，準(zhǔn)入門檻低，在我國(guó)長(zhǎng)三角，珠三角地區(qū)聚集著一大批生產(chǎn)制造這些不太規(guī)范的四輪微型電動(dòng)車的小作坊詳細(xì)了解之下就可以發(fā)現(xiàn)，他們沒(méi)有較規(guī)范的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)和檢測(cè)程序，帶來(lái)的結(jié)果是安全保障也較為欠缺，其質(zhì)量以及安全系數(shù)較低，很可能給使用者帶來(lái)一系列的問(wèn)題和安全隱患。這些微型電動(dòng)車外觀看上去與普通轎車無(wú)異，款式種類繁多，外殼材料以玻璃鋼、鐵為主。細(xì)致地了解了這些微型電動(dòng)車就會(huì)發(fā)現(xiàn)，實(shí)際上在不錯(cuò)的外表下，內(nèi)里卻不怎樣；制動(dòng)功能較差，懸架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單導(dǎo)致防震性能較差，尤其整車最為關(guān)鍵的車架更是松松散散，安全性毫無(wú)保障，問(wèn)及是否做過(guò)可靠的結(jié)構(gòu)分析，有沒(méi)有相關(guān)的分析數(shù)據(jù)，基本沒(méi)一家廠商可以提供。就在這樣沒(méi)有較為可靠的生產(chǎn)許可和生產(chǎn)規(guī)范的情況下，廠商們短時(shí)間內(nèi)可以生產(chǎn)出來(lái)大量的微型電動(dòng)車，再加上使用者多為老年人群，就這樣開(kāi)著上路可謂是隱患重重。

1 四輪微型電動(dòng)車車架的參數(shù)化建模

1.1 車架三維實(shí)體建模流程概述

車架有邊梁式、中梁式、綜合式和承載式等四種結(jié)構(gòu)類型，由于本文所設(shè)計(jì)的是一種微型電動(dòng)車，采用承載式結(jié)構(gòu)可以減輕質(zhì)量，通過(guò)采用螺栓、焊接等連接形式將各橫梁、縱梁就能簡(jiǎn)便進(jìn)行裝配，并且也可以提供很好的安全性。車架的整體對(duì)車架本身設(shè)計(jì)的合理性、車架所用材料的選擇以及車架的焊接質(zhì)量均提出了較高的要求。四輪微型電動(dòng)車車架總長(zhǎng)1 734 mm，總寬620 mm，在車架安裝點(diǎn)的安裝過(guò)程中應(yīng)該使結(jié)構(gòu)盡量地簡(jiǎn)化，而不影響強(qiáng)度和裝配要求，力求達(dá)到車架外觀與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的和諧統(tǒng)一，整體車架的參數(shù)化建模及優(yōu)化流程如圖1所示。

圖1 建模優(yōu)化過(guò)程

1.2 車架三維實(shí)體參數(shù)化建模及優(yōu)化

本文使用SolidWorks三維建模軟件完成車架整體建模。在SolidWorks里進(jìn)行初始建模時(shí)，可以在車架縱梁及橫梁的壁厚尺寸特性前加入DS_字樣的前綴，形成在一種可變的參數(shù)從而可以使ANSYSWorkbench識(shí)別完成車架的優(yōu)化調(diào)整，完成四輪微型電動(dòng)車車架的參數(shù)化建模。

為了確保整個(gè)車架的模型可以在ANSYS-Work－bench軟件中順利進(jìn)行分析和運(yùn)算，簡(jiǎn)化運(yùn)算步驟和減少運(yùn)算量，需要在SolidWorks中盡可能地簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)好的幾何模型。

建模時(shí)，在SolidWorks中直接將四輪微型電動(dòng)車架模型建立好并且通過(guò)SolidWorks與ANSYSWorkbench的接口程序無(wú)縫導(dǎo)入到ANSYS-Workbench中，這樣對(duì)稍后要進(jìn)行車架的網(wǎng)格劃分提供了良好的基礎(chǔ)，車架幾何模型如圖2所示。

圖2 車架三維模型

2 車架有限元模型的建立

2.1 材料的選擇

本文所研究的電動(dòng)車車架工作環(huán)境一般為較為平整的城市路面，承載較輕，由于采用低功率的電驅(qū)動(dòng)，又要保證車輛的輕便和安全，所以采用 Q235，材料特性如表1所示。

表1 材料特性

2.2 單元網(wǎng)格的劃分及數(shù)值計(jì)算

車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成好并且在ANSYS-Workbench中輸入完Q235材料屬性后，進(jìn)行有限元網(wǎng)格的劃分。建立有限元分析型時(shí)，應(yīng)該遵循簡(jiǎn)化應(yīng)力區(qū)，準(zhǔn)確劃分應(yīng)力梯度區(qū)的準(zhǔn)側(cè)。針對(duì)以上問(wèn)題，結(jié)合微型電動(dòng)車的車架小的特點(diǎn)，在ANSYS-Workbench里單元網(wǎng)格的劃分方式選擇時(shí)，使用四面體網(wǎng)格劃分方法，四面體網(wǎng)格是一種有四個(gè)節(jié)點(diǎn)四個(gè)面的網(wǎng)格單元，網(wǎng)格大小設(shè)定為45 mm，通過(guò)ANSYS-Workbench的智能網(wǎng)格劃分計(jì)算后，共得到8 565個(gè)單元，18 695個(gè)節(jié)點(diǎn)。

2.3 施加載荷

合適的載荷處理方案作為有限元分析中最為重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，它的施加方式直接關(guān)系到最后有限元計(jì)算的準(zhǔn)確性。車架的重力基本是以均布載荷的形式分布在車架上不同部位的，分為前、中、后三部分。而車架本身的重力可以通過(guò)在ANSYS中設(shè)置好材料后自動(dòng)生成。車架所受載荷列表如表2所示。

表2 載荷列表

3 基本工況的車架有限元分析

3.1 彎曲工況

此工況為檢驗(yàn)整車安全強(qiáng)度的最基本工況，這時(shí)要求全部車輪與路面接觸，采用的約束方法是：將車架與前后懸架連接孔處的全部自由度完全約束，這時(shí)模擬的是車輛完全靜止在路面上時(shí)車架受各部分的重力形變情況，需要在車架上施加的載荷如表2所示。經(jīng)ANSYS-Workbench的處理運(yùn)算得到彎曲工況下車架應(yīng)力分布情況如圖3所示，車架最大的應(yīng)變?yōu)?.029 mm，位于車架中部和后部橫梁的位置；最大應(yīng)力為9.2 MPa，位于車架與前、后懸架接觸處，其他部位應(yīng)力分布基本平均。

圖3 車架彎曲總變形應(yīng)力云圖

3.2 扭轉(zhuǎn)工況

這種工況適用于車輛在較為顛簸路面行駛時(shí)的工況。在此工況下，車輪有的和地面接觸有的不和地面接觸，造成車架處于扭轉(zhuǎn)變形的狀態(tài)，本文中采取除將左前輪懸空以外，其余與地面接觸的車輪完全約束的方式。載荷處理方式根據(jù)車架前、中、后不同的部位將表2中的質(zhì)量平均分布。

經(jīng)過(guò)ANSYS-Workbench的處理得到扭轉(zhuǎn)工況應(yīng)力分布如圖4所示：車架最大的應(yīng)變?yōu)?.8 mm；最大應(yīng)力為61 MPa，位于車架右前輪與前懸架接觸處的連接孔出，其余部位應(yīng)力基本平均分布。

圖4 車架形變總應(yīng)力云圖

3.3 強(qiáng)度和剛度的校核

根據(jù)ANSYS-Workbench分析計(jì)算結(jié)果可知：本文所研究的車架在這兩種工況最大應(yīng)力分別為9.2 MPa和61 MPa.所以在彎曲和扭轉(zhuǎn)工況下的最大受力點(diǎn)處需校核其強(qiáng)度和剛度，研究是否滿足Q235的屈服強(qiáng)度。本文研究的車架所用的材料是Q235，這是一種塑性材料所以一旦出現(xiàn)塑性變形將對(duì)車架可能產(chǎn)生不可逆的損害。這就要求應(yīng)使車架所受的最大應(yīng)力應(yīng)不能大于 Q235的許用應(yīng)力[σ]，由材料力學(xué)可知：

式中σs為材料屈服極限（MPa）；ns為安全因數(shù)；[σ]為材料許用應(yīng)力（MPa）。

微型電動(dòng)車車架的材料為Q235，其屈服應(yīng)力為235 MPa.微型電動(dòng)車主要形式在平整路面，且駕駛?cè)艘话銥槔夏耆耍捎诔蓡T具有一定的特殊性，因此，根據(jù)材料力學(xué)取較大的安全因數(shù)2.0，可得到許用應(yīng)力：

由此可知在上述兩種工況下車架的最大應(yīng)力均小于Q235的許用應(yīng)力，該車架強(qiáng)度滿足要求，并且車架在此二種工況下只有很小的形變量，固滿足剛度要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以有限元分析的基本理論為基礎(chǔ)，利用SolidWorks進(jìn)行三維設(shè)計(jì)，再利用ANSYS-Workbench有限元分析軟件對(duì)四輪微型電動(dòng)車車架進(jìn)行了簡(jiǎn)化，并且定義了載荷和約束條件，最后建立了車架有限元分析模型。通過(guò)ANSYS-Workbench軟件對(duì)所建車架有限元模型進(jìn)行求解，得到車架的應(yīng)力分布及車架變形，并且進(jìn)行了力學(xué)性能的校核，為接下來(lái)的深入分析和動(dòng)力學(xué)性能的仿真分析提供參考和數(shù)據(jù)，也可以可為微型電動(dòng)車車架結(jié)構(gòu)的受力分析提供思路和方法，其結(jié)果對(duì)相關(guān)領(lǐng)域人員有一定參考價(jià)值。

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Design and Finite Element Analysis of Four-wheel Mini-electric Vehicle Frame Structure

YAO Gui-ying，WU Meng
（College of Mechanical and Electrical Engineering，Hebei University of Engineering，Handan Hebei 056038，China）

As an important bearing part of the vehicle，the frame must ensure its reliable safety performance.This article uses the 3d design software SolidWorks 3d entity modeling was carried out on the frame，and by using finite element analysis software ANSYS，Workbench，select，bending and torsion conditions for four-wheel vehicle chassis safety performance of the theory analysis，get the frame related mechanics parameters，on the basis of the structure optimization.Based on the reliability theory，the reliability of its safety performance is calculated and its results have some reference value to related field personnel.

four-wheel mini electric vehicle；the frame；finite element analysis；structure optimization

TH114

A

1672-545X（2017）10-0207-03

2017-07-09

姚貴英（1960-），女，河北石家莊人，學(xué)士，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向是機(jī)電設(shè)備的研究與設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)仿真與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。