采用榫鉚結構的鋁合金車架靜力學性能分析

單清云 高群 熊會元

摘要：

本文研究對象是由東莞中山大學研究院和深圳五洲龍集團研發的新型輕量化純電動中巴。在本次分析，整個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，實際上是在底盤大梁附近，因此實際情況可能優于本次分析的情況。具體差別有待后續對車身框架進行更加詳細的分析比較。

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處理，以確保該位置足以承受端點的側向彎矩

關鍵詞：結構分析;ANSYS 靜態特性有限元

引言

現代汽車絕大多數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、電機和電池包等的承載體。車架的強度、剛度直接影響整車的使用壽命、舒適性、車內噪聲、操縱穩定性等基本性能[1]。因此，驗證客車車架在一定載荷條件下是否滿足設計要求，對于其結構的優化設計，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研究院和深圳五洲龍集團研發的新型輕量化純電動中巴。根據分析需要，首先應用CAD技術完成三維實體建模，并對模型進行簡化;然后，應用有限元方法對該客車結構進行靜力學性能分析、并提出合理化的建議。這項工作對全面掌握該客車的力學特性、提高設計水平和設計效率、縮短開發周期、提高我國在車身方面的自主開發能力具有積極的作用。

1.中巴車架建模

本文運用Pro/ENGINEER軟件對中巴車架進行三維實體建模，并使用圓桿代替復雜截面來對車架進行簡化，獲得關鍵點坐標以及線條劃分;運用命令流將車架的關鍵點坐標和線條劃分導人有限元分析軟件ANSYS 12.1中，形成中巴車架的有限元模型。

1.1中巴車架三維實體建模

由東莞中山大學研究提供的設計圖紙及相關技術參數，運用Pro/ENGINEER軟件進行三維實體建模，獲得中巴框架模型如圖1所示。使用直徑為20mm的圓桿代替有復雜截面的鋁合金桿件，以此對中巴框架進行簡化處理。

1. 提取關鍵點及線條

簡化框架共提取關鍵點276個，線段477條。由于穿梭中巴并非左右對稱的結構，因而需要對整個框架進行建模。使用命令流的方法，將關鍵點坐標及劃分的線段導入ANSYS中，獲得模型。

1. 中巴框架靜態特性分析

2.1邊界約束、載荷處理及網格劃分

在右前懸掛支撐點設置限制所有自由度的約束，以此為基準點。其他3個懸掛的支撐點只限制Z軸方向（即車身上下方向）上的運動，允許其他5個自由度。

在座椅支架上方分布20個乘客（包括司機）的載荷，單個乘客的質量為75Kg，施加3倍重力，力的方向沿Z軸負方向，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，其中車身右側在車門兩側各放置一個80Kg的電池包，車身右后側放置一個50Kg的電池包;在車身左側中部放置3個80Kg的電池包，電池包同樣施加3倍重力，力的方向沿Z軸負方向，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，由于電機是屬于簧下質量，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，對線框單元進行劃分網格。

1. 計算結果及分析

經過ANSYS的計算求解，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。因為乘客載荷是直接加載在座椅支架上，所以車身左側支架上的軸力響應要比底盤的響應要明顯，但9030N的軸力是鋁型材可以接受的范圍之內。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，實際上是在底盤大梁附近，因此實際情況可能優于本次分析的情況。

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水平轉軸轉動的桿件，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水平轉軸轉動的桿件，桿件受到的最大彎矩為495576N·mm，也就是495.576N·m。

1. 結論

由于本次分析對該中巴的結構進行了較大幅度的簡化，而且載荷加載相對于該中巴的實際情況來說，過于集中于幾個關鍵節點，因此分析結果會與實際情況有所出入，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，實際上是在底盤大梁附近，因此實際情況可能優于本次分析的情況。具體差別有待后續對車身框架進行更加詳細的分析比較。

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處理，以確保該位置足以承受端點的側向彎矩。

[1]周中堅，盧耀祖.機械與汽車結構的有限元分析[M].上海：同濟大學出版社，1997.

[2]尹衍麗.三軸測試轉臺結構的靜動態特性分析及實驗研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2000.

[3]高衛民，王宏雁.汽車結構分析有限元法[J].汽車研究與開發，2000（6）：30-62.

作者簡介：單清云（1988-），男，山東濰坊人，學歷：本科，主要研究方向：電動汽車。