單清云 高群 熊會(huì)元
摘要:
本文研究對象是由東莞中山大學(xué)研究院和深圳五洲龍集團(tuán)研發(fā)的新型輕量化純電動(dòng)中巴。在本次分析,整個(gè)框架皆是用同一種截面的桿件來搭建,而承受扭矩最大的地方,實(shí)際上是在底盤大梁附近,因此實(shí)際情況可能優(yōu)于本次分析的情況。具體差別有待后續(xù)對車身框架進(jìn)行更加詳細(xì)的分析比較。
車身框架所受最大繞Z軸彎矩最大的地方在車身立柱與副車架連接的部位,因此在該部位的連接需要做特別的加強(qiáng)處理,以確保該位置足以承受端點(diǎn)的側(cè)向彎矩
關(guān)鍵詞:結(jié)構(gòu)分析;ANSYS 靜態(tài)特性有限元
引言
現(xiàn)代汽車絕大多數(shù)都具有作為整車骨架的車架。車架處于車身和車橋之間,也是乘員、車身、水箱、電機(jī)和電池包等的承載體。車架的強(qiáng)度、剛度直接影響整車的使用壽命、舒適性、車內(nèi)噪聲、操縱穩(wěn)定性等基本性能[1]。因此,驗(yàn)證客車車架在一定載荷條件下是否滿足設(shè)計(jì)要求,對于其結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì),提高客車車架的工作效率和使用壽命都是非常重要和必要的[2,3]。
本文研究對象是由東莞中山大學(xué)研究院和深圳五洲龍集團(tuán)研發(fā)的新型輕量化純電動(dòng)中巴。根據(jù)分析需要,首先應(yīng)用CAD技術(shù)完成三維實(shí)體建模,并對模型進(jìn)行簡化;然后,應(yīng)用有限元方法對該客車結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)性能分析、并提出合理化的建議。這項(xiàng)工作對全面掌握該客車的力學(xué)特性、提高設(shè)計(jì)水平和設(shè)計(jì)效率、縮短開發(fā)周期、提高我國在車身方面的自主開發(fā)能力具有積極的作用。
1.中巴車架建模
本文運(yùn)用Pro/ENGINEER軟件對中巴車架進(jìn)行三維實(shí)體建模,并使用圓桿代替復(fù)雜截面來對車架進(jìn)行簡化,獲得關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)以及線條劃分;運(yùn)用命令流將車架的關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)和線條劃分導(dǎo)人有限元分析軟件ANSYS 12.1中,形成中巴車架的有限元模型。
1.1中巴車架三維實(shí)體建模
由東莞中山大學(xué)研究提供的設(shè)計(jì)圖紙及相關(guān)技術(shù)參數(shù),運(yùn)用Pro/ENGINEER軟件進(jìn)行三維實(shí)體建模,獲得中巴框架模型如圖1所示。使用直徑為20mm的圓桿代替有復(fù)雜截面的鋁合金桿件,以此對中巴框架進(jìn)行簡化處理。
簡化框架共提取關(guān)鍵點(diǎn)276個(gè),線段477條。由于穿梭中巴并非左右對稱的結(jié)構(gòu),因而需要對整個(gè)框架進(jìn)行建模。使用命令流的方法,將關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)及劃分的線段導(dǎo)入ANSYS中,獲得模型。
2.1邊界約束、載荷處理及網(wǎng)格劃分
在右前懸掛支撐點(diǎn)設(shè)置限制所有自由度的約束,以此為基準(zhǔn)點(diǎn)。其他3個(gè)懸掛的支撐點(diǎn)只限制Z軸方向(即車身上下方向)上的運(yùn)動(dòng),允許其他5個(gè)自由度。
在座椅支架上方分布20個(gè)乘客(包括司機(jī))的載荷,單個(gè)乘客的質(zhì)量為75Kg,施加3倍重力,力的方向沿Z軸負(fù)方向,總大小為F1=20×75×3×9.8=44100N。
在電池包放置的地方分布電池包的載荷,其中車身右側(cè)在車門兩側(cè)各放置一個(gè)80Kg的電池包,車身右后側(cè)放置一個(gè)50Kg的電池包;在車身左側(cè)中部放置3個(gè)80Kg的電池包,電池包同樣施加3倍重力,力的方向沿Z軸負(fù)方向,總大小為F2=(5×80+50)×3×9.8=13230N。
車架總體施加壓力為F=F1+F2=57330N,由于電機(jī)是屬于簧下質(zhì)量,所以并未加上載荷。
以R=20mm的圓形截面,采用Beam188單元,單元邊長為50mm,對線框單元進(jìn)行劃分網(wǎng)格。
經(jīng)過ANSYS的計(jì)算求解,得到桿件軸力圖、桿件扭矩圖、繞Y軸彎矩圖,繞Z軸彎矩圖。
由分析可知,車身框架所受最大軸向壓力為9030N,受最大軸向拉力為7358N。因?yàn)槌丝洼d荷是直接加載在座椅支架上,所以車身左側(cè)支架上的軸力響應(yīng)要比底盤的響應(yīng)要明顯,但9030N的軸力是鋁型材可以接受的范圍之內(nèi)。車身框架所受最大扭矩為666081N·mm,也就是666.081N·m。在本次分析,整個(gè)框架皆是用同一種截面的桿件來搭建,而承受扭矩最大的地方,實(shí)際上是在底盤大梁附近,因此實(shí)際情況可能優(yōu)于本次分析的情況。
具體到車身框架,在受到繞Y軸彎矩最大的地方,即車身地板上繞桿件端點(diǎn)水平轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的桿件,桿件所受最大繞Y軸彎矩為146000N·mm,也就是146N·m。由圖10可知,車身框架所受最大繞Z軸彎矩最大的地方,即車身立柱繞立柱端點(diǎn)水平轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的桿件,桿件受到的最大彎矩為495576N·mm,也就是495.576N·m。
由于本次分析對該中巴的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了較大幅度的簡化,而且載荷加載相對于該中巴的實(shí)際情況來說,過于集中于幾個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn),因此分析結(jié)果會(huì)與實(shí)際情況有所出入,但對于該中巴框架的載荷分布大致情況,可以有較為直觀的了解。
在本次分析,整個(gè)框架皆是用同一種截面的桿件來搭建,而承受扭矩最大的地方,實(shí)際上是在底盤大梁附近,因此實(shí)際情況可能優(yōu)于本次分析的情況。具體差別有待后續(xù)對車身框架進(jìn)行更加詳細(xì)的分析比較。
車身框架所受最大繞Z軸彎矩最大的地方在車身立柱與副車架連接的部位,因此在該部位的連接需要做特別的加強(qiáng)處理,以確保該位置足以承受端點(diǎn)的側(cè)向彎矩。
[1]周中堅(jiān),盧耀祖.機(jī)械與汽車結(jié)構(gòu)的有限元分析[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,1997.
[2]尹衍麗.三軸測試轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)的靜動(dòng)態(tài)特性分析及實(shí)驗(yàn)研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2000.
[3]高衛(wèi)民,王宏雁.汽車結(jié)構(gòu)分析有限元法[J].汽車研究與開發(fā),2000(6):30-62.
作者簡介:單清云(1988-),男,山東濰坊人,學(xué)歷:本科,主要研究方向:電動(dòng)汽車。