基于有限元法的五座觀光車(chē)車(chē)架分析及優(yōu)化

張嚴(yán)芬，溫博倫，石明順

（安徽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 淮南 232000）

前言

近年來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)得到快速增長(zhǎng)，各項(xiàng)建設(shè)取得巨大成就，但也付出了環(huán)境和資源的代價(jià)。節(jié)能減排工作受到更加廣泛地關(guān)注，電動(dòng)車(chē)具有零排放、能效高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在未來(lái)將占據(jù)著舉足輕重的地位。

車(chē)架作為電動(dòng)觀光車(chē)的基體，承受著來(lái)自于外界的載荷，不僅要有良好的剛度和強(qiáng)度，還要保證足夠的行駛距離。電動(dòng)車(chē)的行駛里程受限于電池容量和自身質(zhì)量。目前電池容量技術(shù)還待攻破。因此在達(dá)到剛度、強(qiáng)度的要求下，采用拓?fù)鋬?yōu)化對(duì)原車(chē)架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[1]，找到最合理的布置，進(jìn)一步減輕自身質(zhì)量，提高車(chē)架的行駛里程。

1 車(chē)架模型的建立

1.1 車(chē)架三維模型的建立

本文研究的車(chē)架是典型的邊梁式車(chē)架，該車(chē)架主要由空心方鋼焊接而成，全長(zhǎng)為2687mm，寬為940mm，高為250mm，建立車(chē)架的實(shí)體模型采用SolidWorks 軟件如圖1 所示。

1.2 網(wǎng)格劃分

有些部件僅僅是為了加工或者使用要求而設(shè)計(jì)的，對(duì)計(jì)算和分析沒(méi)有太大影響，反到增加了計(jì)算的復(fù)雜度。因此將車(chē)架進(jìn)行合理簡(jiǎn)化。

圖1 電動(dòng)車(chē)車(chē)架三維模型

網(wǎng)格劃分在有限元分析中至關(guān)重要，網(wǎng)格劃分產(chǎn)生的所有節(jié)點(diǎn)和單元決定著有限元分析的運(yùn)算速度和計(jì)算結(jié)果的正確性與精確性[2]。將單元尺寸參數(shù)設(shè)置為5mm，電動(dòng)觀光車(chē)車(chē)架網(wǎng)格的劃分結(jié)果：?jiǎn)卧獢?shù)為590554，節(jié)點(diǎn)數(shù)為84848。

2 靜力學(xué)分析

在靜力學(xué)分析中，車(chē)架主要承受垂直于地面的載荷，為了分析車(chē)架的可靠性，模擬出車(chē)架工作時(shí)的彎曲工況。其中電動(dòng)機(jī)、離合器等集中施加在車(chē)架的單元點(diǎn)上，乘客、駕駛員力為12000N，均勻分布在兩邊的縱梁上，且觀光車(chē)均勻行駛，路面情況較好，分析車(chē)架的應(yīng)力和應(yīng)變?cè)茍D[3]。設(shè)置車(chē)架所用材料為Q235 碳鋼，材料屬性為：泊松比=0.3，彈性模量=210GPa，密度=7850kg/m3。滿載情況下的應(yīng)力和應(yīng)變?nèi)鐖D2、3 所示：

圖2 應(yīng)變分布云圖

從云圖2 中可知，彎曲工況下，整車(chē)前后變形都比較小，中間變形較大，車(chē)架所受最大位移為0.21mm，發(fā)生在車(chē)架的第三、四根橫梁與左右兩根豎梁接口處。主要是因?yàn)轳{駛室、座位等部件安裝離此處較近。總體而言，變形較小，具有較強(qiáng)的抵抗變形的能力。

圖3 應(yīng)力分布云圖

由云圖3 可知車(chē)架所受的最大應(yīng)力為44.959Mpa，分布在車(chē)架的左右兩根橫梁及左右兩根橫梁與左右兩根豎梁接口處。車(chē)架的強(qiáng)度校核公式：

式中：n 安全系數(shù)；σs屈服極限；σmax最大應(yīng)力。

查閱資料Q235 碳鋼的屈服極限為235MPa，最大應(yīng)力強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的屈服極限，因此強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。計(jì)算得車(chē)架的安全系數(shù)n=5.22，查閱《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》了可知碳鋼的安全系數(shù)n=1.2～1.6，安全系數(shù)值較高，因此對(duì)車(chē)架需要進(jìn)一步優(yōu)化。

3 拓?fù)鋬?yōu)化

3.1 優(yōu)化理論

在連續(xù)體拓?fù)鋬?yōu)化中，以約束結(jié)構(gòu)體積最小化，即剛度最大化為條件，由折衷規(guī)劃法出發(fā)，可以建立多目標(biāo)拓?fù)鋬?yōu)化的數(shù)學(xué)模型[4]：

式中：ρ1，ρ2，…，ρn為單元密度值，C（ρ）為靜載綜合拓?fù)鋬?yōu)化目標(biāo)函數(shù)；k 為載荷工況；ωk為k=1,2,…時(shí)工況的權(quán)衡因子；Ck（ρ）為第k 個(gè)工況下的柔度目標(biāo)函數(shù)；、為對(duì)應(yīng)工況下的柔度目標(biāo)的最小值和最大值。

通過(guò)上式建立的數(shù)學(xué)模型，在軟件中進(jìn)行參數(shù)的設(shè)定，對(duì)車(chē)架進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化求解。軟件通過(guò)計(jì)算得到車(chē)架的優(yōu)化結(jié)構(gòu)。

3.2 驗(yàn)證車(chē)架模型

為了保證車(chē)架的設(shè)計(jì)要求，結(jié)合拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果，通過(guò)SolidWorks 軟件，針對(duì)原車(chē)架進(jìn)行局部調(diào)整，構(gòu)造出車(chē)架的三維模型。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，車(chē)架通過(guò)打小孔的方式，質(zhì)量減輕20%。

圖4 優(yōu)化后應(yīng)力云圖

圖5 優(yōu)化后位移云圖

將調(diào)整后的車(chē)架重新進(jìn)行靜力學(xué)分析，應(yīng)力圖和位移圖分別如圖4、圖5 所示。

由圖4 可知，優(yōu)化后的車(chē)架在彎曲工況下的最大變形為174.77MPa，產(chǎn)生于第三、四根橫梁與縱梁連接處，與之前相比，強(qiáng)度有所提高，但是小于材料的最大屈服強(qiáng)度，滿足車(chē)架材料的強(qiáng)度要求。優(yōu)化后安全系數(shù)降低至1.3，在安全系數(shù)范圍之內(nèi)，安全值滿足設(shè)計(jì)要求。車(chē)架的最大變形為0.11mm，優(yōu)化后的位移相對(duì)之前減小。最大變形發(fā)生在車(chē)架的兩側(cè)。

4 結(jié)論

本文將電動(dòng)觀光車(chē)的三維模型，導(dǎo)入到WorkBench 中，進(jìn)行靜力學(xué)分析。仿真結(jié)構(gòu)表明車(chē)架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求，但是安全系數(shù)值高于最大安全系數(shù)1.6，不滿足設(shè)計(jì)要求。利用拓?fù)鋬?yōu)化對(duì)車(chē)架進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化前后車(chē)架的安全系數(shù)降低至1.3，滿足要求。

通過(guò)優(yōu)化車(chē)架的整體質(zhì)量減輕20%。實(shí)現(xiàn)優(yōu)化目標(biāo)，因此滿足設(shè)計(jì)要求。