微型新能源汽車底盤結構靜強度分析及優化設計

王道勝，史振萍

（德州學院汽車工程學院，山東 德州 253023）

微型新能源汽車底盤結構靜強度分析及優化設計

王道勝，史振萍

（德州學院汽車工程學院，山東 德州 253023）

文章主要針對微型新能源汽車三種危險工況下底盤結構的屈曲強度分析，并對其結構進行優化。采用solidworks軟件建模，導入ansys中進行屈曲強度分析，得到微型新能源汽車應力和變形變化情況并以此為依據進行結構優化，有效的保證了微型新能源汽車的結構強度，延長了工作壽命。

新能源汽車；有限元分析；屈曲強度；結構優化設計

CLC NO.: U469.7 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)01-21-03

前言

隨著全球能源日趨短缺，環境污染及全球變暖問題日趨嚴重，新能源汽車被各國普遍關注，甚至被提高到關乎未來國家產業競爭力的高度。在電動汽車的各結構中底盤結構是最基本的，負責連接其它零部件,是主要的承載部件，各種載荷都作用在底盤結構上,底盤結構的性能指標在電動車設計中十分關鍵，所以底盤結構的結構分析及優化設計意義重大[1]。

1、有限元理論基礎

有限元法是把結構整體分解成一定數量離散單元進行分析計算再由微小單元結構強度和變化組合成整體強度和變形的過程，有限元法的主要分析過程包括：結構離散化、離散單元有限元分析、集成分析和結果分析[2]。主要分析流程圖如圖1所示。

圖1 有限元分析流程圖

有限元法在計算時的特點為化整為零和化零為整，鑒于汽車結構受力的復雜性，汽車底盤結構分析及優化若使用傳統結構分析則需要反復優化和計算，有限元法的運用則大大縮減了計算過程和工作量[3]。

2、微型新能源汽車底盤結構受載分析

微型電動車底盤主要由主底盤、副底盤兩部分構成，主底盤由兩側兩根長縱梁、兩根短縱梁和若干根橫梁組成，副底盤由兩根縱梁和四根橫梁組成，這種主副底盤結構可以使底盤空間利用率最大化。該底盤長 2450mm，寬 1280mm，主、副底盤采用標準的矩型管型材焊接而成。具體電動車整車參數如表 1 所示：

表1 微型新能源汽車主要參數

微型新能源汽車電動車的主要危險工況包含三種：包括對角兩輪懸空、轉彎和緊急剎車，分別稱為I、II、III工況。

2.1 電動車有限元分析及結構優化

三種工況下分別對其進行屈曲強度分析和變形分析，電動車骨架底盤主要由Q235材料焊接而成，材料參數如表2。

表2 底盤材料屬性及力學性能

底盤采用solid187單元建模，以尺寸為5mm的六面體網格劃分，在工作狀態下電車一般保持50km/h速度前行，前端主要載荷為發動機和控制器重量；中間部位載荷為座椅和乘客質量；后端主要為蓄電池重量，單元數量為4989個，網格數量為24781個。I工況應力分析云圖如圖2，變形云圖如圖3，由于篇幅限制，工況Ⅱ、Ⅲ的應力及應變云圖不再展示。

圖2 底座最大應力云圖

圖3 底座最大變形云圖

分析可知：微型新能源汽車在工作工程中，主要的受力和變形主要出現在中間兩橫梁位置，I工況下最大應力為199MPa，最大變形為5.78mm。Q235材料所允許的屈曲強度235MPa，若取動載系數為1.3，則許用強度為180MPa，新能源汽車底盤最大強度已大于許用強度，影響了汽車正常壽命。綜合三種工況受力在底盤中間部分焊接一根連接架連接中間兩橫梁，后半部分減震連接處加焊兩根支撐梁，可以有效的減小應力集中現象。

2.2 優化后模態分析

模態分析的具體工作方法是獲取材料結構特征值和特征矢量，特征值就是要知道結構振動的一些基本振型對應的頻率[4]，在實際應用中，有時為了加強振動，應盡量接近基本頻率，有時為了避免共振，應避開這些基本頻率。基本頻率是辨別結構變形快慢的參考，也是結構整體剛度的代表，如果結構的基本頻率低，代表結構剛度很低，相反，如果頻率很高，則代表結構剛度很高[5]。振型的變化是材料在相應激振頻率下的變形趨勢，可以根據變形趨勢改變其結構剛度。優化后底盤雖然可以有效降低其應力強度和變形，但對于其是否會產生共振仍不能保證，為保證其良好工作性能，對優化后底盤進行十階模態分析，獲取其十階模態下固有頻率，跟汽車工作過程中激震頻率對比，驗證其動態結構特性[6]。

微型新能源汽車在工作過程中，主要受電機工作頻率和路面激勵為主，其中電機工作頻率為40HZ-60HZ，路面激震頻率為15HZ。跟表4對比可以發現，易發生共振的區域主要出現在二階到四階之間，但其與固有頻率均不會出現重合。

3、結論

鑒于新能源汽車壽命較短的問題，在三種工況下對新能源汽車中間部分和后輪部分進行優化并對優化后微型新能源汽車進行十階模態分析，有效的提高了微型新能源汽車壽命并驗證其不會產生共振的特性。

[1] 胡雪芳.基于有限元法的某SUV后部碰撞分析研究[J].鄭州大學學報(工學版),2016,01:1.

[2] 游建軍.基于有限元法的方柱美化天線強度校核[J].機電工程技術,2016,Z1:124-127.

[3] 曾耀明,史忠良.中外新能源汽車產業政策對比分析[J]. 企業經濟,2011,02:107-109.

[4] 孫浩然.日本新能源汽車產業發展分析[D].吉林大學,2011.

[5] 蔡力鋼,馬仕明,趙永勝,劉志峰,楊文通. 多約束狀態下重載機械式主軸有限元建模及模態分析[J]. 機械工程學報,2012,03: 165-173.

[6] 劉昌領,陳建義,李清平,仇晨,羅曉蘭. 基于ANSYS的六缸壓縮機曲軸模態分析及諧響應分析[J]. 流體機械,2012,08:17-21-26.

Analysis on Buckling Strength of Chassis Structure of New Energy Minicar and its Optimal Design

Wang Daosheng, Shi Zhenping
( Texas college of automotive engineering institute, Shandong Dezhou 253023 )

A This paper focuses on the analysis on buckling strength of chassis structure of new energy minicar under three kinds of dangerous working conditions, and the optimization of its structure. It adopts solidworks software for modeling, then leads it into ansys to conduct buckling strength analysis, then gets the changing situation of stress and deformation of new energy minicar, and on this basis, carries out structure optimization, thus effectively guarantees the structure strength of new energy minicar and prolongs its working life.

New Energy Car; Finite Element Analysis; Buckling Strength; Optimal Design of Structure

U469.7

A

A1671-7988 (2017)01-21-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.01.009

王道勝（1990.08—），男，本科，就讀于德州學院。