基于ANSYS的汽車遮雨裝置的設(shè)計(jì)研究

歐陽婧璇，寇 允，王 淦，高靖萱，郭千楚，徐華東

(東北林業(yè)大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引 言

在我國人口老齡化加速，老年人出行問題受到越來越多關(guān)注的情況下，老年代步車從根本上提升了老年人的出行質(zhì)量，深受老年人歡迎[1]。當(dāng)前老年人的知識(shí)結(jié)構(gòu)、日常行為需求和生活水平較之以往有很大變化，這類用戶對(duì)于駕駛體驗(yàn)的要求越來越高[2]。為進(jìn)一步優(yōu)化老年電動(dòng)代步車相關(guān)設(shè)計(jì)，進(jìn)一步下雨天提高老年人的行車舒適感，智能遮雨裝置的設(shè)計(jì)和研發(fā)尤為重要。

目前，許多研究者設(shè)計(jì)出了具有特定功能的智能汽車遮雨裝置。梁爽[3]等設(shè)計(jì)了一款可以自動(dòng)收縮的汽車遮雨行李架，實(shí)現(xiàn)在下雨時(shí)通過開關(guān)能夠打開遮雨器起到保護(hù)行李的作用。張丹[4]設(shè)計(jì)了一種新型公共汽車遮雨棚，通過車門開關(guān)傳感器帶動(dòng)安裝在公共汽車車門上方的折疊遮雨棚運(yùn)作，提高出行舒適感。李成銘[5]設(shè)計(jì)了一種汽車遮雨裝置，通過遮雨板對(duì)汽車前擋玻璃進(jìn)行遮擋，有效保證了駕駛員雨天出行時(shí)的良好視野。

綜合上述國內(nèi)研究，各汽車遮雨裝置都能夠較好的實(shí)現(xiàn)其特定功能。然而傳統(tǒng)的汽車遮雨設(shè)備，無法滿足在雨天時(shí)，對(duì)老年人打開車門后進(jìn)行遮雨，這會(huì)使得雨水滴落到老年人的身上，給老年人帶來不便。因此，設(shè)計(jì)一種安裝在老年電動(dòng)代步車上的汽車遮雨裝置[6]對(duì)提高老年人的行車舒適感具有重要意義。

1 汽車遮雨裝置結(jié)構(gòu)

1.1 樣車數(shù)據(jù)采集

根據(jù)山東邁巴車業(yè)生產(chǎn)的邁巴X系列X3老年代步車，研究樣車原來的車頂功能，測(cè)量樣車數(shù)據(jù)，作為邊界數(shù)據(jù)。如表1所列。

表1 樣車及三維模型邊界數(shù)據(jù) /mm

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)方式：電機(jī)驅(qū)動(dòng)?？紤]到該裝置翻轉(zhuǎn)力矩不大，且電源易提供，故采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式。

遮雨方式：兩塊智能翻轉(zhuǎn)板。各板都帶有太陽能電池板對(duì)蓄電池充電，綠色環(huán)保。

安裝方式：強(qiáng)力吸盤。考慮到老年電動(dòng)代步車車速不高，且體積不大，行駛阻力小，故采用帶有高低調(diào)節(jié)裝置的強(qiáng)力吸盤吸附在車頂，且不對(duì)車體造成損害。

1.3 設(shè)計(jì)思路

汽車遮雨裝置的總體方案布局主要由控制器、驅(qū)動(dòng)組件以及遮雨結(jié)構(gòu)三部分組成。其總體方案布局如圖1所示。

圖1 汽車遮雨裝置總體方案布局

控制器設(shè)有無線通信模塊，并與控制系統(tǒng)、雨量壓力傳感器電連接?？刂破鳙@得開啟指令后，即接收到控制系統(tǒng)的汽車解鎖信號(hào)以及雨量壓力傳感器檢測(cè)到有雨水的信號(hào)后，控制驅(qū)動(dòng)組件開啟。驅(qū)動(dòng)組件通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)遮雨結(jié)構(gòu)自汽車頂部收納位置向最大伸展位置移動(dòng)，即電機(jī)驅(qū)動(dòng)翻轉(zhuǎn)軸，使得太陽能翻轉(zhuǎn)板向外翻轉(zhuǎn)，當(dāng)太陽能翻板移動(dòng)至最大伸展位置時(shí)，驅(qū)動(dòng)組件停止工作。同理，也可控制遮雨結(jié)構(gòu)從最大伸展位置向汽車頂部收納位置移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)遮雨裝置的開閉。

1.4 三維模型構(gòu)建

根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)，運(yùn)用三維建模軟件Solidworks構(gòu)建汽車遮雨裝置遮雨結(jié)構(gòu)的三維模型。如圖2。

圖2 汽車遮雨結(jié)構(gòu)的三維模型1.主框架 2.翻轉(zhuǎn)軸 3.吸盤 4.墊塊 5.太陽能翻板 6.電機(jī)

2 ANSYS靜力學(xué)分析

目前，將ANSYS分析應(yīng)用于汽車遮雨裝置設(shè)計(jì)的文獻(xiàn)較少，針對(duì)這一領(lǐng)域進(jìn)行研究，并對(duì)其中的主要承重結(jié)構(gòu)和主要連接構(gòu)件進(jìn)行分析，得到滿足特定功能且符合國家生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)的汽車遮雨裝置設(shè)計(jì)。

為保證主框架的承重能力及穩(wěn)定性，避免出現(xiàn)應(yīng)力集中、斷裂等現(xiàn)象，對(duì)主框架進(jìn)行靜力學(xué)分析，掌握裝置應(yīng)力集中的分布區(qū)域，對(duì)確保汽車遮雨裝置的安全性十分重要。同時(shí)，翻轉(zhuǎn)軸是汽車遮雨裝置中連接太陽能翻板和電機(jī)的主要部件。電機(jī)通過翻轉(zhuǎn)軸將動(dòng)力傳遞給太陽能翻板，而太陽能翻板又是遮雨裝置中最重要的工作部分，因此翻轉(zhuǎn)軸的強(qiáng)度和壽命對(duì)裝置的性能影響極大，所以對(duì)翻轉(zhuǎn)軸進(jìn)行強(qiáng)度分析同樣具有重要意義。

ANSYS軟件作為一種廣泛應(yīng)用CAE軟件，應(yīng)用有限元法可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析、熱力學(xué)分析、電磁學(xué)分析、流體分析等多種分析。通過ANSYS軟件的應(yīng)用，可以大大縮零件的設(shè)計(jì)周期，從而減少設(shè)計(jì)成本，并有利于多種型號(hào)產(chǎn)品的開發(fā)[7]。

2.1 主框架應(yīng)力分析

2.1.1 主框架的有限元模型

將汽車遮雨裝置三維實(shí)體模型導(dǎo)入到ANSYS軟件中進(jìn)行有限元分析。主框架材料選用性能較好的45號(hào)鋼，其彈性模量為2.1×1011Pa，泊松比為0.27，屈服極限σs=355 MPa,安全系數(shù)選用ns=1.8，則許用應(yīng)力大小為[σ]=σs/ns=197.22 MPa[8]。根據(jù)汽車遮雨裝置模型的特點(diǎn)，采用高階3維20節(jié)點(diǎn)的Solid 186對(duì)本裝置進(jìn)行網(wǎng)格自由劃分。

2.1.2 載荷及邊界條件的設(shè)定

在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下根據(jù)基本風(fēng)速計(jì)算基本風(fēng)壓的公式可得:

ω0=v02/1600

(1)

式中：ω0為基本風(fēng)壓；v0為基本風(fēng)速

取此工況下v=45 km/h，由式(1)計(jì)算得出此時(shí)風(fēng)壓為77.16 Pa。

根據(jù)汽車遮雨裝置的安裝位置和作用效果，將四個(gè)支腿限制XYZ方向的位移，在寬度方向迎風(fēng)面施加100 Pa的壓力。

2.1.3 仿真結(jié)果分析

將載荷和邊界約束條件施加于模型之后，運(yùn)用ANSYS中的Static Structural模塊求解,得到主框架在此工況下的位移及應(yīng)力分布云圖，如圖3、4所示。

圖3 主框架變形位移云圖 圖4 主框架等效應(yīng)力云圖

由圖3可知，主框架最大變形量為0.233×10-3mm，出現(xiàn)在寬度方向迎風(fēng)面中間位置；由圖4可知，主框架在前支腿后方應(yīng)力最大。最大應(yīng)力為0.034 MPa<[σ]=197.22 MPa，此位置應(yīng)對(duì)其加固處理。

有限元分析結(jié)果表明，在剛度方面，汽車遮雨裝置主框架的整體變形最大量只有0.233×10-3mm，基本無變形，滿足設(shè)計(jì)要求；在強(qiáng)度方面，主框架在該工況下最大應(yīng)力為0.034 MPa，遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力[σ]=197.22 MPa，滿足了剛度要求。

2.2 翻轉(zhuǎn)軸應(yīng)力分析

2.2.1 翻轉(zhuǎn)軸的有限元模型

該汽車遮雨裝置的翻轉(zhuǎn)軸材料，同樣選用性能較好的45號(hào)鋼，根據(jù)翻轉(zhuǎn)軸的特點(diǎn)，采用高階3維20節(jié)點(diǎn)的Solid 186對(duì)本裝置進(jìn)行網(wǎng)格自由劃分。

2.2.2 載荷及邊界條件的設(shè)定

翻轉(zhuǎn)軸主要承受來自本側(cè)太陽能翻板的重力，該裝置太陽能翻板采用的是單晶硅材料，重力約為86 N。根據(jù)式(2)，翻轉(zhuǎn)軸所受力矩為43 N·m，電機(jī)扭矩T約為65 N·m。

M=G1·L

(2)

根據(jù)翻轉(zhuǎn)軸的工作特點(diǎn)在其兩端進(jìn)行Y和Z方向限制位移，在其表面施加70 N·m的扭矩。

2.2.3 仿真結(jié)果分析

將載荷和邊界約束條件施加于模型之后，運(yùn)用ANSYS中的Static Structural模塊求解,得到旋轉(zhuǎn)軸在此工況下的位移及應(yīng)力分布云圖，如圖5、6所示。

圖5 翻轉(zhuǎn)軸變形位移云圖 圖6 翻轉(zhuǎn)軸等效應(yīng)力云圖

由圖5可知，翻轉(zhuǎn)軸最大變形量為0.158 mm，出現(xiàn)在翻轉(zhuǎn)軸的中間位置；由圖6可知，翻轉(zhuǎn)軸應(yīng)力主要集中在兩端軸承部分，最大值為64 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié) 語

設(shè)計(jì)了一種安裝在老年電動(dòng)代步車上的汽車遮雨裝置，并利用Solidworks的高級(jí)建模功能，在汽車遮雨裝置進(jìn)行參數(shù)化建模的基礎(chǔ)上，對(duì)裝置實(shí)體模型進(jìn)行了有限元模型的建立和有限元分析。得出了遮雨裝置主要承重裝置主框架和主要連接構(gòu)件翻轉(zhuǎn)軸的等效應(yīng)力云圖以及變形位移圖。發(fā)現(xiàn)主框架最大變形量為0.233×10-3mm，出現(xiàn)在寬度方向迎風(fēng)面中間位置，應(yīng)力主要集中在前支腿后方，最大值為0.034 MPa；翻轉(zhuǎn)軸最大變形量為0.158 mm，出現(xiàn)在翻轉(zhuǎn)軸的中間位置，應(yīng)力主要集中在兩端軸承部分，最大值為64 MPa。

通過ANSYS對(duì)汽車遮雨裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析，分析結(jié)果直觀地表示出危險(xiǎn)截面位置以及受力變形情況，為后續(xù)裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。