基于ANSYS的電動(dòng)巴哈車架優(yōu)化設(shè)計(jì)

鄧世平，王 琦

（武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院，湖北 武漢430070）

1 引言

由于疫情的影響，賽事組委會(huì)最初決定于2020-10下旬開展線下比賽。大部分的院校車隊(duì)直到2020-08底才開始加工，僅僅兩個(gè)月的加工制造和調(diào)試賽車的時(shí)間，是相當(dāng)緊迫的。在此背景下，武漢理工大學(xué)電動(dòng)巴哈車隊(duì)決定根據(jù)新的賽事規(guī)則，對2019賽季參賽賽車的車架（以下簡稱“E1車架”）進(jìn)行改造，以達(dá)到縮短加工周期的目的，從而預(yù)留更多調(diào)試賽車的時(shí)間。

2 車架改造整體思路

2.1 改造目標(biāo)

符合賽事規(guī)則；對部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，在保證車架安全性的條件下盡量使得車架輕量化；改造方便，簡單，周期短。

2.2 改造流程

對照兩年的規(guī)則，找出不同點(diǎn)，確定需要修改以及可以進(jìn)一步優(yōu)化的部分；進(jìn)行三維建模；進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的安全性以及合理性。

2.3 車架改造

通過對E1車架進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)有5處結(jié)構(gòu)需要修改，分別為RHO、FBM、SⅠM、前防撞構(gòu)件、前防撞支撐件，有2處結(jié)構(gòu)可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，為SⅠM支撐件和USM座椅支撐結(jié)構(gòu)件。

3 結(jié)構(gòu)修改

RRH把車架分成兩個(gè)部分，沿X軸正方向部分為前艙，X軸負(fù)方向?yàn)楹笈摚鐖D1所示。

圖1 E1車架左視圖

3.1 前艙

如圖1所示，E1車架為前支撐框架模式車架，前艙每側(cè)都有一根次要構(gòu)件（管件①）支撐FBM。SⅠM和LFS共同定義了駕駛艙的大小。每側(cè)SⅠM下方焊接了一根主要構(gòu)件（管件②），然后通過兩根次要構(gòu)件（管件③、④）支撐SⅠM。

3.1.1 RHO

RHO與CLC、BLC共同定義了車架頂部的平面。RHO與BLC相交于B點(diǎn)，與CLC相交于C點(diǎn)。規(guī)則對C點(diǎn)的位置有要求，同時(shí)也限制了RHO的長度。

RRH平面相對XOY平面向X軸負(fù)方向偏移了5°，其豎直高度為1 075.89 mm。將座椅正方到車架上后，測得座椅底部后緣距ALC的水平距離為100 mm。標(biāo)準(zhǔn)模板底部的半徑為101 mm，模板軸線距C點(diǎn)的水平距離至少為305 mm。因此RHO的長度至少需滿足1 075.89×tan（5°）+100+101+305=600.13 mm，為了更好地符合規(guī)則要求，實(shí)際加工取610 mm。

規(guī)則約束如圖2所示。

3.1.2 FBM

賽事規(guī)則中明確規(guī)定了車架必須為前支撐框架模式或者后支撐框架模式。由于后支撐框架模式結(jié)構(gòu)更加簡潔，同時(shí)根據(jù)武漢理工大學(xué)巴哈車隊(duì)2019賽季的參賽經(jīng)驗(yàn)，可以確定后支撐框架模式的車架完全可以保障車手的安全，以及發(fā)揮賽車的性能，因此決定將E1車架改造成后支撐框架模式的車架。在后支撐框架模式中，F(xiàn)BM從車架上部C點(diǎn)向下與SⅠM相交于D點(diǎn)，再向下延伸到車架底部與LFS相交的F點(diǎn)。FBM為一根連續(xù)的管件，D點(diǎn)以上部分稱為FBMup，D點(diǎn)以下部分稱為FBMlow。

圖2 規(guī)則約束

若兩側(cè)各添加一根FBM支撐桿，則FBMup與垂直方向沒有角度限制；若不添加，則規(guī)則限制FBMup與垂直方向的角度必須控制在45°以內(nèi)。考慮到車架的輕量化，選擇不增加支撐桿。

由于規(guī)則限制SⅠM必須在防滾架內(nèi)定義一個(gè)水平的平面，所以SⅠM兩端的端點(diǎn)D點(diǎn)、S點(diǎn)必須位于同一豎直高度。S點(diǎn)位于RRH上，其豎直高度為343.687 mm，所以D點(diǎn)的豎直高度也必須為343.687 mm。

FBMlow與前防撞構(gòu)件之間有一根安裝上擺臂的管件，要避免擺臂與FBMlow產(chǎn)生干涉。

綜合以上的約束限制，取FBMup與垂直方向的角度為16.5°，D點(diǎn)處的彎曲角度為27.215°。

3.1.3 SIM

SⅠM連接車架的D點(diǎn)與S點(diǎn)，這兩個(gè)點(diǎn)的位置已經(jīng)確定了，還需要設(shè)計(jì)SⅠM上P點(diǎn)的位置。規(guī)則中對SⅠM的寬度有所限制，當(dāng)制動(dòng)踏板自然擺放時(shí)，其端面與SⅠM結(jié)構(gòu)件460 mm交點(diǎn)位置處，測得SⅠM的寬度不得小于550 mm。SⅠM寬度限制如圖3所示。

圖3 SⅠM寬度限制（單位：mm）

因此P點(diǎn)的位置非常重要，它關(guān)系著車手與SⅠM之間是否有足夠的安全距離。綜合規(guī)則的限制以及車手的體型，確定改造后車架P點(diǎn)之間的寬度為670 mm。

3.1.4 前防撞構(gòu)件

前防撞構(gòu)件可以是豎直向上的，也可以是傾斜的，它在一定程度上影響著前艙轉(zhuǎn)向軸的固定位置。為了讓車手腳部有更大的空間，前防撞構(gòu)件設(shè)計(jì)為豎直向上。其頂部G點(diǎn)距離車架底部平面的豎直距離為343.687 mm。

3.1.5 前防撞支撐件

前防撞支撐件連接了D點(diǎn)與G點(diǎn)，前防撞支撐件與GLC、DLC所構(gòu)成的平面決定了VCU控制器外殼的大小。

3.1.6 SIM支撐件

在SⅠM管件修改之后，SⅠM支撐桿可以直接將F點(diǎn)與P點(diǎn)相連，這樣不僅結(jié)構(gòu)簡單，而且加工也更加方便。

3.1.7 USM座椅支撐結(jié)構(gòu)件

E1車架中的USM座椅支撐結(jié)構(gòu)件采用的是兩根平行的結(jié)構(gòu)件，此外在其縱向中心線上還有兩根支撐桿件。該結(jié)構(gòu)非常冗雜，不符合輕量化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。此外考慮到座椅安裝的便利性，最終將USM座椅支撐結(jié)構(gòu)件修改為一縱一橫的布置。

3.2 后艙

后艙上部將RRH上的B點(diǎn)、S點(diǎn)分別與R點(diǎn)相連，構(gòu)成了一個(gè)三角形，同時(shí)后艙側(cè)面有一根次要構(gòu)件（如圖1中的管件⑤）將底部與尾部相連，保證了車架的強(qiáng)度與剛度。

BESC規(guī)則要求電池箱，電機(jī)等部件必須位于車架的外包絡(luò)面以內(nèi)，所以E1后艙底部均設(shè)計(jì)為矩形框架。底部采用了分塊模式進(jìn)行搭建，共有4個(gè)區(qū)域，分別為電池箱區(qū)域、電機(jī)區(qū)域、減速器區(qū)域和電機(jī)控制器區(qū)域。因?yàn)殡姵叵錇橐粋€(gè)集成模塊，質(zhì)量達(dá)50 kg，故額外使用了兩根次要構(gòu)件，如圖4中的管件①、②，增強(qiáng)電池箱底部的強(qiáng)度與剛度。

圖4 后艙底部區(qū)域分布

在詳細(xì)解讀新規(guī)則之后發(fā)現(xiàn)后艙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是符合規(guī)則要求的，同時(shí)考慮到改造加工的時(shí)間，所以保留后艙原來的結(jié)構(gòu)。改造之后的車架如圖5所示。

圖5 改造之后的車架

4 仿真分析

將CATⅠA中的車架模型導(dǎo)入到ANSYS中，添加約束和載荷，使其盡量接近實(shí)際工作的狀態(tài)，從而具體分析模型的各項(xiàng)參數(shù)，校核車架各種工況下的最大應(yīng)力、應(yīng)變是否超過許用值，判斷車架的狀態(tài)。車輛滿載靜止時(shí)受到6個(gè)載荷，分別為：車架自重、車手重力、電池重力、減速器重力、電機(jī)重力、電機(jī)控制器重力。

4.1 扭轉(zhuǎn)工況

該工況下需要對車架施加一個(gè)沿Z軸負(fù)方向的重力加速度，然后根據(jù)車架上的載荷分布，施加對應(yīng)的沿Z軸負(fù)方向的力。進(jìn)行自由度約束時(shí)，需要完全釋放一處懸架硬點(diǎn)的自由度。以左前懸為例，不對左前懸硬點(diǎn)施加任何約束，約束右前懸硬點(diǎn)的Y、Z軸自由度，左后、右后懸架硬點(diǎn)的所有自由度。該工況下的最大等效彈性應(yīng)變?yōu)?.199 4 mm，最大等效應(yīng)力為36.386 MPa，安全系數(shù)為6.870 8，如圖6所示。

圖6 扭轉(zhuǎn)工況安全系數(shù)分布圖

4.2 彎曲工況

彎曲工況下對車架添加的載荷與扭轉(zhuǎn)工況下添加的載荷是相同的。在自由度約束時(shí)，還需在扭轉(zhuǎn)工況自由度約束的基礎(chǔ)上對左前懸架硬點(diǎn)的Y、Z軸方向自由度進(jìn)行約束。該工況下的最大等效彈性應(yīng)變?yōu)?.186 69 mm，最大等效應(yīng)力為35.952 MPa，安全系數(shù)為6.953 7，如圖7所示。

圖7 彎曲工況安全系數(shù)分布圖

4.3 急轉(zhuǎn)彎工況

以車輛滿載時(shí)右轉(zhuǎn)彎為例。由于車輛右轉(zhuǎn)彎時(shí)會(huì)受到向左的離心力，所以除了添加扭轉(zhuǎn)工況下的載荷，還需施加一個(gè)沿Y軸的側(cè)向加速度，大小取1.5 g，然后根據(jù)車架上的載荷分布，添加對應(yīng)的沿Y軸負(fù)方向的力。載荷添加完畢之后，需要對車架的自由度進(jìn)行約束。在該工況下需要對左前、右前懸架的Y、Z軸方向的自由度進(jìn)行約束；對左后、右后懸架的Y、Z軸方向以及右后懸架的X軸方向的自由度進(jìn)行約束。該工況下的最大等效彈性應(yīng)變?yōu)?.344 71 mm，最大等效應(yīng)力為47.235 MPa，安全系數(shù)為5.292 7，如圖8所示。

4.4 制動(dòng)工況

在分析制動(dòng)工況時(shí)，除了添加扭轉(zhuǎn)工況下的載荷，還需添加一個(gè)沿X軸負(fù)方向的加速度，大小取1.5 g。然后根據(jù)車架上的載荷分布，要添加對應(yīng)的沿X軸負(fù)方向的力。該工況下需對左前、右前懸架硬點(diǎn)的X、Y、Z軸方向的自由度進(jìn)行約束；對左后、右后懸架硬點(diǎn)的X、Z軸方向的自由度進(jìn)行約束。該工況下的最大等效效彈性應(yīng)變?yōu)?.223 63 mm，最大等效應(yīng)力為43.855 MPa，安全系數(shù)為5.700 7，如圖9所示。

圖8 急轉(zhuǎn)彎工況安全系數(shù)分布圖

圖9 制動(dòng)工況安全系數(shù)分布圖

通過分析結(jié)果可以得知，改造過后的車架，無論是強(qiáng)度還是剛度都是滿足要求的。

5 結(jié)語

文章以武漢理工大學(xué)電巴哈車隊(duì)E1車架的改造過程為例，從開始對照規(guī)則確定需要修改的管件，到重新設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行CAE分析驗(yàn)證其安全性，系統(tǒng)地講述了車架優(yōu)化改造的過程，可以為其他車隊(duì)提供借鑒。