基于ANSYS的智能換電小車(chē)底盤(pán)結(jié)構(gòu)靜態(tài)分析

楊 勤 ，趙慧亮，趙冠浩 ，閆愛(ài)政，羅盛照

（1.貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550003；2.貴陽(yáng)普天物流技術(shù)股份有限公司，貴州 貴陽(yáng)550008）

隨著汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，電動(dòng)汽車(chē)以其能量轉(zhuǎn)換效率高、舒適清潔、噪聲低、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，成為汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的潮流。電池快換系統(tǒng)通過(guò)對(duì)進(jìn)站電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行整車(chē)電池的分箱更換，達(dá)到快速進(jìn)站充電、快速出站運(yùn)行的目的，有效解決了充電站面積有限和充電時(shí)間長(zhǎng)等制約性問(wèn)題和減小車(chē)輛充電時(shí)間及電動(dòng)汽車(chē)在場(chǎng)站內(nèi)的滯留現(xiàn)象，同時(shí)可利用夜間進(jìn)行電池的集中充電，實(shí)現(xiàn)了電力負(fù)荷的“調(diào)峰填谷”，提高了電力設(shè)備的綜合利用效率，獲得了電動(dòng)汽車(chē)廠家、電池企業(yè)和充換電運(yùn)營(yíng)商的普遍認(rèn)可[1]。本文以智能換電小車(chē)底盤(pán)為研究對(duì)象，基于ANSYS有限元方法對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜態(tài)分析，在充分保證工作可靠性的前提下，實(shí)現(xiàn)小車(chē)底盤(pán)輕量化，進(jìn)而為乘用車(chē)電池快換系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)提供借鑒參考，降低成本，提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益[2]。

1 智能換電小車(chē)及底盤(pán)介紹

1.1 智能換電小車(chē)

智能電池快換車(chē)是乘用車(chē)電池快換系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，如圖1所示，用于對(duì)電池的裝卸和轉(zhuǎn)運(yùn)，其由動(dòng)力機(jī)構(gòu)（圖1中A所示）、底盤(pán)、氣動(dòng)舉升機(jī)構(gòu)（圖1中B所示）、位置檢測(cè)裝置、輸送機(jī)構(gòu)（圖1中C所示）等構(gòu)成。電機(jī)驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力機(jī)構(gòu)為小車(chē)一端兩輪提供動(dòng)力，速度由減速器進(jìn)行調(diào)節(jié)，四個(gè)輪兩側(cè)的軌道下方均有定位輪，防止小車(chē)偏離軌道；氣動(dòng)舉升機(jī)構(gòu)由安裝于底部的氣壓泵對(duì)氣缸提供動(dòng)力源，實(shí)現(xiàn)升降平臺(tái)升降；位置檢測(cè)裝置通過(guò)位移傳感器從沿著軌道安裝的檢測(cè)板上檢測(cè)出具體的位置信息，并反饋到控制系統(tǒng)來(lái)對(duì)電機(jī)和氣動(dòng)控制閥進(jìn)行適時(shí)控制；輸送機(jī)構(gòu)用于減少電池轉(zhuǎn)移過(guò)程的摩擦。智能電池快換小車(chē)?yán)蒙灯脚_(tái)（圖1中D所示）取下待沖電池，平臺(tái)下移至輸送滾柱下方，智能小車(chē)沿軌道行至垂直升降滾柱輸送機(jī)接口處，電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾柱將電池移至滾柱輸送線上，完成待沖電池卸下操作；滿荷電池安裝與此相反。

圖1 智能電池快換車(chē)

1.2 智能換電小車(chē)底盤(pán)結(jié)構(gòu)介紹

智能換電小車(chē)底盤(pán)主要是智能換電小車(chē)上部操作模塊的支撐結(jié)構(gòu)，如圖2所示，其結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度影響整體模塊的穩(wěn)定性，底盤(pán)結(jié)構(gòu)由熱軋普通工字鋼焊接而成，主要由對(duì)稱主梁兩組、側(cè)梁兩對(duì)、固定行動(dòng)輪的固定板、上部結(jié)構(gòu)安裝板組成，小車(chē)底盤(pán)上安裝驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速器、傳動(dòng)軸組成，沿軌道勻速行駛，底盤(pán)結(jié)構(gòu)是智能電池快換小車(chē)的承載部件，所以底盤(pán)的各個(gè)結(jié)構(gòu)都有承載作用。行動(dòng)輪固定板支撐整機(jī)的重量，上部結(jié)構(gòu)安裝板支撐和固定液壓舉升平臺(tái)及滾柱輸送平臺(tái)的重量。

圖2 智能換電小車(chē)底盤(pán)

2 智能換電小車(chē)底盤(pán)有限元靜態(tài)分析

ANSYS 軟件是當(dāng)前應(yīng)用較為成熟的有限元軟件，主要包括3個(gè)部分[3]：

（1）前處理模塊：提供強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具，構(gòu)造有限元模型；

（2）分析計(jì)算模塊：包括結(jié)構(gòu)分析（可進(jìn)行線性、非線性和高度非線性分析）、流體動(dòng)力學(xué)分析、電磁場(chǎng)分析、聲場(chǎng)分析、壓電分析以及多物理場(chǎng)的禍合分析，模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力；

（3）后處理模塊：將計(jì)算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示（可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部）等圖形方式顯示出來(lái)，也可將計(jì)算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。

2.1 ANSYS的靜態(tài)分析過(guò)程

ANSYS workbench中對(duì)底盤(pán)進(jìn)行靜態(tài)學(xué)分析的分為以下8個(gè)步驟[4]：

（1）導(dǎo)入由CAD設(shè)計(jì)軟件創(chuàng)建的實(shí)體幾何模型；

（2）設(shè)置材料特性；

（3）對(duì)于組件定義接觸區(qū)域（對(duì)裝配體才需要）；

（4）定義網(wǎng)格控制并劃分網(wǎng)絡(luò)；

（5）施加載荷和邊界條件；

（6）設(shè)定求解結(jié)果參數(shù)。確定要解決那些物理量；

（7）對(duì)問(wèn)題進(jìn)行求解；

（8）進(jìn)行結(jié)果評(píng)價(jià)和分析。

2.2 底盤(pán)結(jié)構(gòu)模型簡(jiǎn)化

當(dāng)導(dǎo)入 CAD 軟件建立的幾何模型含有復(fù)雜曲面時(shí)，還需要對(duì)幾何模型進(jìn)行修復(fù)，以保證能夠成功地進(jìn)行網(wǎng)格劃分。另外，簡(jiǎn)化底盤(pán)模型之前分清主要承載結(jié)構(gòu)體，受較小力的輔助結(jié)構(gòu)體，以及沒(méi)有力加載僅起到裝飾作用的結(jié)構(gòu)體。

本文從以下4個(gè)方面對(duì)底盤(pán)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化：

（1）對(duì)于與底盤(pán)結(jié)構(gòu)相連接的結(jié)構(gòu)，在相連接的接觸面進(jìn)行固定力的加載，減掉底盤(pán)底部的行動(dòng)輪部分以減少網(wǎng)格劃分的數(shù)量，保證計(jì)算的精確度；

（2）對(duì)于不會(huì)明顯影響底盤(pán)整體剛度、強(qiáng)度的底部的輪軸座安裝孔和頂部的液壓舉升平臺(tái)連接孔給予特征簡(jiǎn)化，另外取消底盤(pán)上下支撐板上的圓角和倒角；

（3）取消底盤(pán)兩頭的緩沖墊安裝板；

（4）由于底盤(pán)為熱軋槽鋼整體焊接結(jié)構(gòu)，智能電池快換小車(chē)在沿軌道行駛過(guò)程中受力較均勻，底盤(pán)結(jié)構(gòu)之間沒(méi)有相互運(yùn)動(dòng)，在有限元分析過(guò)程不考慮焊縫的影響。底盤(pán)模型簡(jiǎn)化后如圖3所示。

圖3 簡(jiǎn)化后底盤(pán)模型

2.3 底盤(pán)模型導(dǎo)入

將通過(guò)CATIA三維軟件建立的底盤(pán)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型，另存為.Stp格式，在ANSYS中可清晰地表達(dá)幾何邊界，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無(wú)縫轉(zhuǎn)換[5-6]。模型導(dǎo)入到DM環(huán)境下后，在材料庫(kù)添加Q235的楊氏模量、泊松比、密度、極限強(qiáng)度等參數(shù)即可。底盤(pán)模型導(dǎo)入后，如圖4所示。

圖4 導(dǎo)入ANSYS底盤(pán)模型

2.4 底盤(pán)模型網(wǎng)格劃分

底盤(pán)工字鋼框架采用一體化建模，保證了具有焊縫銜接的工字鋼之間的網(wǎng)格具有公共節(jié)點(diǎn)，根據(jù)工字鋼焊接件網(wǎng)格類型為四面體和其它結(jié)構(gòu)件的網(wǎng)格類型均為六面體，在ANSYS Workbench中對(duì)底盤(pán)模型采用自動(dòng)劃分的方法進(jìn)行網(wǎng)格劃分，調(diào)整網(wǎng)格單元尺寸(Element Size)數(shù)值為3mm，最終底盤(pán)裝配件模型網(wǎng)格劃分結(jié)果為：節(jié)點(diǎn)數(shù)為1500722，單元數(shù)為355783，模型網(wǎng)格劃分情況，如圖5所示。

圖5 模型網(wǎng)格劃分

2.5 底盤(pán)載荷及約束處理

在ANSYS Workbench中對(duì)底盤(pán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行約束和加載，對(duì)于底盤(pán)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程為勻速，可將底盤(pán)所受的力看作恒等靜態(tài)載荷，對(duì)底盤(pán)的主要加載力來(lái)自電池自重、液壓舉升平臺(tái)自重、滾柱輸送機(jī)構(gòu)自重及相應(yīng)的輔助結(jié)構(gòu)自重等，底盤(pán)外力的加載方向垂直向下，與行走輪對(duì)底盤(pán)的支撐輪形成一對(duì)作用力和反作用力。

其中，G電為電池總重量，約為300～600kg；G臺(tái)液壓舉升平臺(tái)結(jié)構(gòu)重量，約為288.53kg；G滾為滾柱輸送機(jī)構(gòu)及支撐結(jié)構(gòu)的重量，約為129.53kg；G其他為其他輔助結(jié)構(gòu)的重量如電機(jī)、傳動(dòng)軸等，約為125kg；則重量總和為1143.06kg，為了增加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和安全性，對(duì)底盤(pán)施加載荷增加到1500kg，即15000N。圖6為底盤(pán)結(jié)構(gòu)受力簡(jiǎn)圖。

圖6 底盤(pán)施加約束和載荷模型

對(duì)底盤(pán)底部行進(jìn)輪支撐的面進(jìn)行約束，對(duì)4個(gè)支撐平面進(jìn)行固定約束(Fixed support)，施加位置如圖中藍(lán)色標(biāo)記A所指；對(duì)底盤(pán)上部的支撐面施加力約束(Force)，采用坐標(biāo)形式進(jìn)行力的矢量加載，在Z軸負(fù)方向施加15000N的力，力的加載方向和位置如圖中紅色標(biāo)記B所指；底盤(pán)其他位置受力較小或不受力，其載荷約束可以省去。

2.6 不同型號(hào)工字鋼底盤(pán)結(jié)構(gòu)靜態(tài)分析

在ANSYS Workbench中將上述加載好的底盤(pán)模型插入等效應(yīng)力云圖(Equivalent Stress)和位移云圖(Total Deformation)進(jìn)行計(jì)算，得出底盤(pán)的最大及最小等效應(yīng)力分部區(qū)域和底盤(pán)結(jié)構(gòu)最大最小位移變形處，查出危險(xiǎn)位置。

（1）14a型工字鋼靜態(tài)分析

14a型工字鋼高h(yuǎn)=140mm、厚度tw=8mm、寬度b=60mm，對(duì)14a型工字鋼進(jìn)行靜態(tài)分析后，得到等效應(yīng)力云圖和位移云圖的計(jì)算結(jié)果，從下圖7可以看出，14a型工字鋼最大等效應(yīng)力為8.949MPa，最小等效應(yīng)力為0.0003MPa，最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在底盤(pán)與液壓舉升平臺(tái)的支撐板位置，最小等效應(yīng)力分部位置在底盤(pán)橫梁中心附近區(qū)域，大部分的應(yīng)力強(qiáng)度均小于1.988MPa，不存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，而材料的屈服強(qiáng)度極限為235MPa，底盤(pán)不會(huì)因材料屈服而導(dǎo)致破壞；對(duì)受力點(diǎn)施加15000N驗(yàn)載荷后，最大變形點(diǎn)出現(xiàn)在加載點(diǎn)處，根據(jù)圖中左側(cè)顏色表示可以看出底盤(pán)的最大變形量為0.018mm，變形較小。

（2）12.6型工字鋼靜態(tài)分析

12.6 型工字鋼高h(yuǎn)=126mm、厚度tw=5.5mm、寬度b=53mm，對(duì)12.6型工字鋼進(jìn)行靜態(tài)分析，得到等效應(yīng)力云圖和位移云圖的計(jì)算結(jié)果，如圖8所示，12.6型工字鋼通過(guò)靜態(tài)分析后最大等效應(yīng)力為15.525MPa，最大變形為0.026mm，不存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)剛度滿足材料的許用應(yīng)力要求。

（3）10型工字鋼靜態(tài)分析

10型工字鋼高h(yuǎn)=100mm、厚度tw=5.3mm、寬度b=48mm，對(duì)10型工字鋼進(jìn)行靜態(tài)分析，得到等效應(yīng)力云圖和位移云圖的計(jì)算結(jié)果，從圖9可以看出，10型工字鋼最大等效應(yīng)力為15.768MPa，最大變形為0.031mm，不存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)剛度滿足材料的許用應(yīng)力要求。

（4）8型工字鋼靜態(tài)分析

8型工字鋼高h(yuǎn)=80mm、厚度tw=5mm、寬度b=43mm，對(duì)8型工字鋼進(jìn)行靜態(tài)分析，得到等效應(yīng)力云圖和總變形云圖的計(jì)算結(jié)果，從圖10可以看出，8型工字鋼最大等效應(yīng)力為15.115MPa，最大變形為0.023mm，不存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)剛度滿足材料的許用應(yīng)力要求。

圖7 14a底盤(pán)結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力云圖和底盤(pán)總變形云圖

圖8 12.6型底盤(pán)等效應(yīng)力云圖和底盤(pán)總變形云圖

圖9 10型底盤(pán)結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力云圖和底盤(pán)總變形云圖

（5）底盤(pán)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核

根據(jù)底盤(pán)等效應(yīng)力云圖可以得出底盤(pán)最大應(yīng)力為σmax=8.9487MPa ，Q235的材料屈服強(qiáng)度為σS=235MPa ，根據(jù)實(shí)際情況取安全系數(shù)S=1.5~2.0，則許用應(yīng)力值則底盤(pán)的最大應(yīng)力小于許用應(yīng)力值即σmax<σ=118MPa，底盤(pán)的最大應(yīng)力滿足強(qiáng)度要求；底盤(pán)其他位置的應(yīng)力均小于1.998MPa，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的需用應(yīng)力值，所以底盤(pán)結(jié)構(gòu)采用的14a型工字鋼可以進(jìn)行尺寸改進(jìn)以達(dá)到結(jié)構(gòu)的輕量化目標(biāo)，以降低材料成本。

3 基于ANSYS的智能換電小車(chē)底盤(pán)結(jié)構(gòu)尺寸改進(jìn)靜態(tài)分析結(jié)果

為優(yōu)選底盤(pán)結(jié)構(gòu)，我們將14a型、12.6型、10型、8型工字鋼底盤(pán)在等效應(yīng)力、變形、重量進(jìn)行對(duì)比，如表1所示。

表1 工字鋼底盤(pán)等效應(yīng)力、變形、重量對(duì)比

由于工字鋼的高度、寬度、壁厚等尺寸均為國(guó)標(biāo)，不同型號(hào)工字鋼的結(jié)構(gòu)尺寸為確定值，利用ANSYS軟件分析后，通過(guò)上表可以看出4種型號(hào)工字鋼的最大等效應(yīng)力均在工字鋼材料許用應(yīng)力范圍內(nèi)，其中12.6型、10型、8型工字鋼最大等效應(yīng)力較為接近；4種工字鋼的最大變形均較小，不作為結(jié)構(gòu)改進(jìn)的考慮因素；對(duì)于底盤(pán)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，根據(jù) Q235的材料密度7.85x103kg/m3，可以計(jì)算出14a型、12.6型、10型、8型工字鋼的質(zhì)量，其中14a型和12.6型質(zhì)量差為4.827kg，14a型和10型的質(zhì)量差為73.689kg，14a型和8型質(zhì)量差為78.516kg，從三組數(shù)據(jù)的質(zhì)量差可以看出，在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，10型和8型工字鋼的結(jié)構(gòu)對(duì)質(zhì)量的減輕效果較大，而10型和8型的質(zhì)量差僅為4.8kg，為了增加底盤(pán)上部的液壓舉升平臺(tái)支撐板和下部行動(dòng)輪安裝板的安裝尺寸，故選擇工字鋼寬度較大點(diǎn)的10型為底盤(pán)的結(jié)構(gòu)鋼，改良后的底盤(pán)質(zhì)量比之前減輕了73.689kg，材料節(jié)省率為34.39%，同時(shí)10型工字鋼通過(guò)靜態(tài)學(xué)分析后滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，為智能電池快換小車(chē)的底盤(pán)模塊節(jié)省了材料。

4 結(jié)論

本文以智能換電小車(chē)底盤(pán)為研究對(duì)象，基于ANSYS有限元方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜態(tài)學(xué)研究。研究表明該方法有利于下一步對(duì)系統(tǒng)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，從而使與關(guān)鍵結(jié)構(gòu)相匹配的結(jié)構(gòu)模塊進(jìn)行相應(yīng)的尺寸優(yōu)化，以達(dá)到其減輕結(jié)構(gòu)重量，為進(jìn)行系統(tǒng)整體提供借鑒和保障，實(shí)現(xiàn)降低系統(tǒng)開(kāi)發(fā)成本的目的。

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