采用榫鉚結(jié)構(gòu)的鋁合金車架靜力學(xué)性能分析

單清云 高群 熊會元

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。

1. 提取關(guān)鍵點(diǎn)及線條

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。

1. 中巴框架靜態(tài)特性分析

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，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。

1. 計(jì)算結(jié)果及分析

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)動的桿件，桿件受到的最大彎矩為495576N·mm，也就是495.576N·m。

1. 結(jié)論

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)臺結(jié)構(gòu)的靜動態(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：電動汽車。