李東，沙文瀚，王飛，劉琳，滕冬冬

奇瑞新能源汽車工程研究院，安徽蕪湖 241000)

0 引言

框梁組件的主要作用是固定汽車的動力總成及其他附件系統(tǒng)，并承受相應(yīng)的沖擊載荷，限制動力總成的位移等。傳統(tǒng)汽車主要用于固定發(fā)動機和變速箱，而相對于電動汽車，支撐的部件為電機和減速器，框梁的承受工況會有所差異?？蛄耗芊裨陔妱悠嚨墓r下滿足使用要求，就需要做嚴(yán)格的動力學(xué)分析。

針對電動汽車與傳統(tǒng)汽油車框梁上承載的動力總成差異，本文作者基于ANSYS軟件對電動汽車的前艙框梁組件作了諧響應(yīng)及隨機振動分析，可以模擬框梁組件在承受電機動、靜載荷下的響應(yīng)，為設(shè)計過程中規(guī)避結(jié)構(gòu)疲勞、共振等不良影響提供設(shè)計依據(jù)[1]。

1 理論分析

1.1 架構(gòu)分析

電動汽車最核心功能是電力驅(qū)動，采用電能作為驅(qū)動能源，電機作為驅(qū)動部件，電池作為儲能元件。其中電機及其驅(qū)動系統(tǒng)作為整車的動力模塊，根據(jù)整車控制器的控制指令，輸出相應(yīng)的扭矩經(jīng)減速器、半軸到達車輪驅(qū)動車輛行駛。其他組成部分包括電機控制器、壓縮機、DCDC、PTC和配電盒，分別實現(xiàn)空調(diào)制冷、制熱、12 V供電、高壓配電等功能。而這些部件大部分都布置在前艙框梁上。

1.2 工況分析

對電動汽車框梁承載部件進行質(zhì)量統(tǒng)計，如表1所示，其中動力總成系統(tǒng)為框梁的主要承載模塊。

基于架構(gòu)分析及部件重力，對電動汽車框梁的主要受力工況進行了分析，包括：

(1)高壓部件及附件系統(tǒng)固定在懸置框梁上，框梁需要承受部件的重力作用；

(2)驅(qū)動電機固定在懸置支架上，當(dāng)車輛工作時，電機控制器會將動力電池輸入的直流電流轉(zhuǎn)換為三相正弦交流電，輸入給電機產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，帶動車輪轉(zhuǎn)動，這時會對框梁有個反向周期性載荷；

(3)框梁固定在車身縱梁上，與之形成穩(wěn)態(tài)連接，行駛過程中通過不同狀態(tài)的顛簸路況，會存在隨機的振動載荷，通過車輪、車身作用于框梁上。

2 模型建立

利用CATIA軟件對框梁進行建模，如圖1所示，框梁的材料采用高強度結(jié)構(gòu)鋼，沖壓成型，可以承受較大載荷工況，彈性模量為25MPa，泊松比為0.3，密度為7 890 kg/m3，屈服強度達到420 MPa。在懸置上梁上開孔，用于固定電機控制器、高壓配電盒、DCDC等部件。兩邊在上下梁開穿孔，用于與車身固定。Y向上設(shè)計有電機支架，與框梁采用兩個螺栓進行連接，用于固定電機模塊。中部設(shè)計有減速器支架固定減速器，減速器與電機Y向進行連接。

圖1 框梁模型

同時采用四面體的網(wǎng)格劃分方法，并設(shè)定最小網(wǎng)格尺寸為10 mm。

3 諧響應(yīng)

3.1 理論基礎(chǔ)

諧響應(yīng)分析是指線性結(jié)構(gòu)在承受隨時間按正弦(簡諧)規(guī)律變化的載荷時的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的一種分析方法，諧響應(yīng)分析的目的是確保一個給定的結(jié)構(gòu)能經(jīng)受住不同頻率的各種正弦載荷(例如不同扭矩輸出下電動機反向作用)；探測共振響應(yīng)，必要時可避免其發(fā)生共振現(xiàn)象[2-3]。

3.2 施加載荷

對懸置施加邊界條件，電機支架用于支撐電機系統(tǒng)及其水管線束等附件，受到重力及反作用扭矩，對電機支架的3個孔位施加350 N載荷，方向為-Z向；減速器支架用于固定減速器和壓縮機，并與半軸連接，承受減速器及壓縮機的重力及轉(zhuǎn)矩和振動，對減速器支架3個固定孔位上施加400 N載荷，方向為-Z向；懸置梁結(jié)構(gòu)用于固定其他高壓部件，主要承受重力載荷，對懸置上梁面上施加500 N載荷，方向-Z向，如圖2所示。

3.3 結(jié)果分析

在ANSYS Settings中設(shè)置頻率范圍和步長，設(shè)置頻率范圍為10～1 000 Hz，步長為20步，進行求解。圖3(a)為應(yīng)變頻譜，圖3(b)為應(yīng)力頻譜，可以看出：應(yīng)力在210和280 Hz左右達到峰值；而應(yīng)變在10～1 000 Hz隨著頻率的降低總趨勢是遞減的，但在480～580 Hz區(qū)間，有個明顯的上升趨勢，可以發(fā)現(xiàn)框梁危險頻率點主要在200和580 Hz。同時可以發(fā)現(xiàn)得到的應(yīng)力應(yīng)變值都遠低于材料的強度限值，滿足當(dāng)前工況的使用要求。

圖2 邊界條件設(shè)置

圖3 響應(yīng)譜曲線

4 隨機振動

4.1 理論分析

隨機振動指那些無法用確定性函數(shù)來描述、但又有一定統(tǒng)計規(guī)律的振動。例如，車輛行進中的顛簸，陣風(fēng)作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，噴氣噪聲引起的艙壁顫動以及海上鉆井平臺發(fā)生的振動等[4]。

4.2 PSD參數(shù)設(shè)置

參考GB/T 28046.3—2011《道路車輛 電氣及電子設(shè)備的環(huán)境條件和試驗 第3部分：機械負荷》中實驗IV——乘用車彈性體(車身)要求，目的是檢測因振動導(dǎo)致的失效和損壞。車身的振動主要是由粗糙路面引起的隨機振動，此實驗的目的是為了檢測因隨機振動引起的疲勞失效[5-6]，PSD功率譜數(shù)值見圖4。

圖4 PSD功率譜

4.3 結(jié)果分析

應(yīng)力應(yīng)變仿真云圖見圖5，可以發(fā)現(xiàn)在承受隨機振動后，最大應(yīng)力位置在電機支架與框梁連接位置周圍，最大應(yīng)力為28 MPa，滿足材料的強度要求，最大應(yīng)變在電機支架上，為0.003 mm，滿足要求，可以發(fā)現(xiàn)車輛隨機振動對框梁的影響很小。

圖5 仿真得到的應(yīng)力應(yīng)變云圖

5 結(jié)論

本文作者根據(jù)電動汽車的框梁承載工況，對框梁組件進行了諧響應(yīng)及隨機振動分析。

分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)：施加10～1 000 Hz正弦載荷時，在210和280 Hz左右框梁應(yīng)力達到峰值，而應(yīng)變在10～1 000 Hz內(nèi)隨著頻率的降低總趨勢單調(diào)減，但在500～580 Hz區(qū)間，有明顯的上升趨勢，在580 Hz達到峰值，可以發(fā)現(xiàn)框梁危險頻率點主要在200和580 Hz。

根據(jù)GB/T 28046.3—2011設(shè)置隨機振動的PSD功率譜參數(shù)，得到隨機振動后的應(yīng)力應(yīng)變云圖，最大應(yīng)力為28 MPa，最大應(yīng)變在電機支架上，為0.003 mm，低于結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的設(shè)計強度。