新能源汽車車架有限元分析及結構優化

葛家琪　張計軍　潘漢平　王蕊

摘 要：從汽車行業的發展趨勢看，電動汽車已成為傳統燃油汽車的替代品。在車輛結構方面，車架是汽車最重要的承載部件，因此，電動汽車的車架結構優化對電動車的使用性能有較大影響。本論文以某款新能源汽車的車架為研究對象，分析現有的受力特點，找出其中的設計缺陷，并利用ANSYS進行優化完善，提升車輛的整體性能。

關鍵詞：電動汽車 車架 有限元分析 結構優化

1 前言

隨著國家大力推行生態文明建設，優化能源結構，大部分的汽車生產廠為了快速響應國家號召，選擇將油改電是最時間最短、成本最低的方式，因此，市面上的汽車的車架大部分沿用了傳統汽車的車架，但是，隨著新能源汽車電池、車身一體化的CTB技術應用以及整車輕量化技術的發展，車架作為核心零部件之一，其強度、剛度以及疲勞性能成為制約新能源汽車安全性的關鍵因素[1]，對其進行定性和定量分析具有重要的應用價值。

本文以某型新能源汽車車架作為研究對象，通過有限元分析，對車架在滿載工況下進行靜態分析，從實際出發，形成可指導工程實際的可行性方案以及分析方法。

2 有限元模型的建立

車架有限元模型的建立，主要工作包括幾何模型的簡化、中性面的抽取和幾何清理網格劃分和質量檢查、材料屬性定義以及各部件間的連接裝配等內容[2]。

本次研究選取了市面上某款油改電的電動汽車，采用Q345結構鋼構成的邊梁式車架，車架總長為2405mm，最大寬度為：1285mm，為兼顧計算精度與計算效率，因此整體采用尺寸大小為3-5mm的殼單元，以四邊形單元為主，三角形單元作為四邊形高質量網格的過渡的方式，對繪制好的三維模型進行劃分網格。劃分好的車架模型如圖1所示，整個車架模型離散為1152289個單元，1252870個節點。

3 車架結構的有限元分析

3.1 車架靜態分析

通過有限元靜態分析來評估車架的強度和剛度，可以確定車架在彎曲和制動工況下的最大變形和材料應力以及其分布情況。根據車架實際受載工況對其施加載荷，并添加邊界條件，其中電動機450N，動力電池1500N，乘客1700N，車架1700N，其他4300N，對車架模型施加邊界條件，如表1所示，數字代表要約束的自由度，1表示x軸平移方向，2表示y軸平移方向，3表示z軸平移方向，4 表示繞軸旋轉方向。分析得出結果可用作基準，通過調整結構的形狀尺寸或改變材料特性，以實現質量和剛度的均衡分布，從而使車架在各部分的變形和受力情況盡量保持平衡[3]。

3.2 彎曲工況

施加極限載荷和邊界條件后，運用ANSYS有限元分析模塊，得到彎曲工況下的位移圖和應力云圖如圖2和圖3所示。

3.3 緊急制動工況

施加極限載荷和邊界條件后，運用ANSYS有限元分析模塊，得到制動工況下的位移圖和應力云圖如圖4和圖5所示。

3.4 結果分析：

車架使用的材料為B510L， 材料的屈服強度235 MPa，由表2可知， 以上2種工況最大應力200.5MPa， 小于材料的屈服強度， 滿足強度評判要求。

通過彎曲和制動工況分析，兩個工況下應力和變形最大的位置均是在左側主梁上，其中制動工況的應力最大的兩處與彎曲工況的A、D兩處重合，說明車架主梁是車架的最危險區域。從靜態強度角度分析，由于其最大應力未超過電動汽車車架的材料屈服強度235MPa，因此該車架靜態強度是滿足要求的。

4 車架優化分析

針對上文分析結果，在汽車最常用的工況下，該車架主梁是車架的最危險區域，為了進一步提升其強度耐久性，需要對其進一步優化，以提高疲勞強度與壽命，查閱相關文獻資料，80%以上的工程機械失效屬于疲勞失效。

4.1 優化方案

根據左側主梁的變形和應力情況顯示其剛度和強度較低，因此需要從車架受力性質的角度出發，分析力的傳遞路徑，以提出最佳的優化方案。根據車架受力特點，人、電池、電機等組件都是左右對稱分布的，不存在偏載情況。然而，由于駕駛室位于左側，導致駕駛員在行駛過程中更容易面臨一些凹坑、土堆等顛簸路面，因此左側相對承受更大的受力。考慮到剛度和強度較低的情況，同時考慮輕量化和制造工藝難度，提出了一種優化方案，即通過優化主梁立板的形狀，將右側立板延伸至左側主梁底板上，并減小左側立板的開口。這樣可以在主梁底板上形成搭接接頭，增加承載的剛度和強度，從而提升主梁的剛度和強度。

4.2 優化方案分析

依據和現有方案相同的載荷以及約束條件進行優化方案的剛度與強度分析，車架優化后的位移圖和應力云圖如圖8和圖11所示。

（1）彎曲工況

（2）制動工況

將優化前后的剛度、靜態強度以及疲勞強度進行對比，結果如下：其中疲勞強度通過名義應力法C=N*σm進行評估，按照焊縫疲勞強度分析標準BS7608，對于角焊縫m=3，C=106進行疲勞強度計算。

計算結果如表3所示，優化后的2種工況下的變形量和最大應力都已降低，疲勞強度有所增加，可見優化后該車架的剛度滿足使用要求，強度大部分區域滿足安全性能要求。

5 結論

本篇論文將某款電動汽車車架結構當做主要研究內容，利用ANSYS建立了車架的有限元模型，以車架的結構性能為優化設計目標，對車架進行滿載彎曲和制動工況下的靜態分析，根據分析結果，提出了車架結構改進方案，并對優化后的車架模型進行了強度和剛度校核，本篇論文的研究具有一定的參考價值。

基金項目：廣西生態工程職業技術學院 2019 年院級課題立項項目：純電動汽車車架的分析及優化（2019KY16）。

參考文獻：

[1]陳和娟，基于ANSYS 的新能源輕量化汽車車架分析與設計［J］，機械制造與自動化. 2022，51（04）.

[2]何文斌，姚恒陽，馬軍，李一浩， 純電動乘用車車架模態分析及結構強度分析［J］，機械設計與制造. 2020（09）.

[3]張超.ANSYS軟件在LNG儲罐有限元分析中的應用[J].國防工業出版社， 2014（4），80-83.