路春光，郭燦志，劉寶剛，鄧程程

（1.華北理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，唐山 063009；2.上汽唐山客車(chē)有限公司，唐山 063299）

0 引言

車(chē)架是汽車(chē)的裝配基體和承載基體，支撐連接汽車(chē)的各總成零部件，承受來(lái)自車(chē)內(nèi)外的各種載荷，其好壞直接關(guān)系到整車(chē)的性能和質(zhì)量[1]。因此，車(chē)架必須具有足夠的強(qiáng)度與剛度，同時(shí)也應(yīng)有合理的動(dòng)態(tài)特性以降低整車(chē)的振動(dòng)保證車(chē)體結(jié)構(gòu)良好的可靠性、耐久性。針對(duì)前述問(wèn)題，特別對(duì)電動(dòng)游覽車(chē)在實(shí)際行駛中可能遇到的典型工況進(jìn)行了分析，此過(guò)程中對(duì)于網(wǎng)格質(zhì)量的好壞對(duì)分析結(jié)果的影響程度也做了理論的計(jì)算，得到了可以接受的分析結(jié)果，對(duì)電動(dòng)汽車(chē)車(chē)架的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了重要的參考依據(jù)。如圖1所示為所研究純電動(dòng)旅游觀(guān)光車(chē)實(shí)物圖。

圖1 非公路用旅游觀(guān)光車(chē)實(shí)物圖

1 車(chē)架有限元模型的建立

1.1 三維實(shí)體模型

應(yīng)用ANSYS/Workbench進(jìn)行有限元分析時(shí)，雖然Workbench帶有自建模功能模塊Design Modeler，但是為了提高工作效率，本文采用成熟的三維建模軟件Creo進(jìn)行車(chē)架實(shí)體模型的建立， 然后利用Workbench軟件成熟的雙向CAD接口，把三維車(chē)架數(shù)字模型導(dǎo)入Workbench軟件。

車(chē)架是一個(gè)復(fù)雜的裝配體，主要由槽鋼和角鋼通過(guò)焊接連接而成。建模時(shí)，為保證網(wǎng)格質(zhì)量及有限元模型能夠在A(yíng)NSYS軟件中高效率的計(jì)算及計(jì)算的準(zhǔn)確性，在不影響車(chē)架結(jié)構(gòu)主要力學(xué)特性的前提下，盡量簡(jiǎn)化其幾何模型特征。故對(duì)車(chē)架作了簡(jiǎn)化處理，具體措施如下[2]。

1）由于車(chē)架是各槽鋼、角鋼焊接連接而成，在建立有限元模型時(shí)將車(chē)架處理為一個(gè)剛體，全部簡(jiǎn)化成實(shí)體單元，從而即簡(jiǎn)化有限元計(jì)算又保證了載荷的傳遞。

2）略去功能件和裝飾件。 有些構(gòu)件僅為滿(mǎn)足工藝或美觀(guān)要求而設(shè)置的，并非根據(jù)強(qiáng)度要求設(shè)置的，原則上是可以忽略的。如：工藝孔、前端橫梁兩端的圓弧修飾等。

3）刪除一些對(duì)結(jié)構(gòu)分析只產(chǎn)生局部較小影響的細(xì)節(jié)， 如車(chē)架橫縱梁上的部分圓角、倒角過(guò)度和局部空洞，刪除這些較小的細(xì)節(jié)可以大大減小有限元分析的計(jì)算量和求解時(shí)間，而不會(huì)影響到分析結(jié)果精度。車(chē)架三維模型及承受載荷的位置如圖2所示。

圖2 車(chē)架三維模型及承受載荷位置圖

其中載荷1處放置了電機(jī)、控制器各一臺(tái)；載荷2處主要承載駕駛和副駕駛兩人；載荷3處駕駛座下放置兩塊鉛酸蓄；載荷4處底架放置三塊鉛酸蓄電池；載荷5處背靠背兩排座椅供乘坐六人。電動(dòng)汽車(chē)車(chē)架上各主要總成質(zhì)量及載荷大小如表1所示。

表1 各部件質(zhì)量參數(shù)

其中，重力加速度g取10N/kg。

1.2 材料的選擇

車(chē)架采用的所有槽鋼、角鋼均使用普通碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235，材料特性如表2所示。

表2 車(chē)架材料特性

1.3 單元選擇及網(wǎng)格劃分

由于車(chē)架結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，并沒(méi)有過(guò)多的曲面存在，所以在此選用 SOLID185 實(shí)體單元采用Workbench直接進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為了得到網(wǎng)格劃分質(zhì)量的好壞對(duì)分析結(jié)果影響程度的可靠數(shù)據(jù)，在滿(mǎn)載彎曲工況下先后進(jìn)行了二次網(wǎng)格劃分計(jì)算，分別采用自由網(wǎng)格劃分和單元大小為10mm、邊緣長(zhǎng)度為1.8mm的四面體單元網(wǎng)格劃分，單元和節(jié)點(diǎn)數(shù)分別為29085、56792和353361、698611。兩次網(wǎng)格劃分的網(wǎng)格質(zhì)量統(tǒng)計(jì)如圖3、圖4所示。

圖3 自由劃分時(shí)的網(wǎng)格質(zhì)量分布圖

圖4 約束單元大小時(shí)的網(wǎng)格質(zhì)量分布圖

由此可見(jiàn)，第一次的劃分的網(wǎng)格質(zhì)量是非常壞的，而第二次的網(wǎng)格劃分的柱狀圖統(tǒng)計(jì)表重心分布在0.75左右，說(shuō)明絕大多數(shù)網(wǎng)格質(zhì)量是好的。盡管有一部分不好的網(wǎng)格，但考慮到計(jì)算機(jī)的硬件性能問(wèn)題后認(rèn)為這樣的網(wǎng)格質(zhì)量是可以接受的。Workbench中坐標(biāo)設(shè)定及車(chē)架有限元模型局部圖如圖5所示。坐標(biāo)設(shè)定具體如下：車(chē)架高度方向?yàn)閄方向，正方向?yàn)橛上轮赶蛏戏?；長(zhǎng)度方向?yàn)閅方向，正方向?yàn)橛绍?chē)架前方指向車(chē)架后方；車(chē)架的寬度方向?yàn)閆方向，正方向?yàn)槊鎸?duì)車(chē)架尾部由左指向右。

圖5 單元為10mm的有限元模型局部圖

2 工況的選擇

電動(dòng)車(chē)運(yùn)行時(shí)車(chē)架承受的載荷很復(fù)雜，就載荷性質(zhì)而言，主要為彎曲、扭轉(zhuǎn)、側(cè)向載荷和縱向載荷等幾類(lèi)。本文結(jié)合非公路用旅游觀(guān)光車(chē)的特點(diǎn)，既觀(guān)光車(chē)為景區(qū)內(nèi)用車(chē)，通常情況下為滿(mǎn)載運(yùn)行并且車(chē)速也不太高，而景區(qū)路面條件較好，所以車(chē)架受力主要按照非公路用旅游觀(guān)光車(chē)最常見(jiàn)的兩種工況來(lái)進(jìn)行分析計(jì)算，分別為滿(mǎn)載彎曲和緊急制動(dòng)[3,4]。

滿(mǎn)載彎曲工況模擬電動(dòng)汽車(chē)滿(mǎn)載靜止?fàn)顟B(tài)或在平坦路面勻速直線(xiàn)行駛時(shí)產(chǎn)生的對(duì)稱(chēng)垂直載荷[5]。此工況下車(chē)底架扭曲變形小，主要受輪胎與地面接觸處產(chǎn)生的支反力作用，車(chē)底架主要承受彎曲載荷，產(chǎn)生較小的水平彎曲變形。

緊急制動(dòng)工況為垂直載荷和縱向載荷共同作用的相對(duì)復(fù)雜工況，縱向載荷是由電動(dòng)車(chē)在制動(dòng)時(shí)的慣性力的作用而產(chǎn)生的。緊急制動(dòng)工況主要考察當(dāng)電動(dòng)車(chē)以極限制動(dòng)加速度0.8g （此工況車(chē)輛最大減速度約為0.7g）制動(dòng)時(shí)，慣性力對(duì)車(chē)架的影響。

3 靜態(tài)特性分析

3.1 滿(mǎn)載彎曲工況

1）載荷處理：根據(jù)力的等效原則，將電動(dòng)機(jī)、控制器、電池、駕乘人員等各部分重量轉(zhuǎn)化為等效載荷施加在車(chē)架的相應(yīng)位置上；車(chē)架自重采取質(zhì)量和重力加速度的方式施加[6,7]。

2）邊界條件處理：在充分考慮電動(dòng)汽車(chē)在滿(mǎn)載彎曲工況下運(yùn)行的狀態(tài)后，在車(chē)架前橋左右兩端均施加全自由度約束，在后橋左右兩端施加X(jué)方向的約束，其他方向及旋轉(zhuǎn)自由度不做約束。

3）計(jì)算結(jié)果及分析：此工況下對(duì)兩次不同的網(wǎng)格劃分情況進(jìn)行有限元模擬，分別得到了兩種情況下電動(dòng)汽車(chē)車(chē)架結(jié)構(gòu)在滿(mǎn)載彎曲工況下的等效位移和應(yīng)力分布情況。其分析結(jié)果數(shù)據(jù)對(duì)比如表3所示。

表3 分析結(jié)果數(shù)據(jù)對(duì)比表

由以上的計(jì)算結(jié)果對(duì)比情況說(shuō)明，在進(jìn)行有限元計(jì)算時(shí)劃分網(wǎng)格質(zhì)量的好壞對(duì)計(jì)算結(jié)果的可信度影響非常大。在此例中的誤差均在50%以上，就此可以認(rèn)為在網(wǎng)格質(zhì)量比較糟糕的情況分析計(jì)算的結(jié)果是不可信。所以在進(jìn)行有限元分析時(shí)，一定要保證網(wǎng)格質(zhì)量在可接受的范圍內(nèi)。以后的分析中將不再對(duì)這種壞質(zhì)量網(wǎng)格的劃分情況進(jìn)行分析。

在網(wǎng)格大小為10mm時(shí)，車(chē)架的位移變形云圖和等效應(yīng)力云圖分別如圖6、圖7所示。該工況下應(yīng)力最大值為140.5MPa，發(fā)生在前橋懸架彈簧支點(diǎn)處，車(chē)身材料均為屈服極限為235MPa的普通碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235。 該工況考慮安全系數(shù)為2.0[8]。但是車(chē)架實(shí)際安全系數(shù)為1.68。由此可見(jiàn)車(chē)架此部分在滿(mǎn)載彎曲工況下不滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。所以，應(yīng)該此處應(yīng)該使用更高強(qiáng)度的材料，如屈服極限為345MPa的碳素結(jié)構(gòu)鋼Q345等材料。

圖6 位移變形云圖

圖7 等效應(yīng)力云圖

車(chē)架最大變形為1.6989mm，發(fā)生在載荷3、載荷5位置處。

3.2 緊急制動(dòng)工況

1）載荷處理：除彎曲工況施加的載荷和車(chē)身自重外，還需在與行駛方向的反向即在Y的正方向施加一個(gè)0.8g的極限制動(dòng)加速度。

2）邊界條件處理：在此工況下，在車(chē)架前橋左右兩端均施加X(jué)、Y、Z方向的位移約束，在后橋左右兩端處施加X(jué)、Z方向的約束，其他方向及旋轉(zhuǎn)自由度不做約束。

3）計(jì)算結(jié)果及分析：該工況下應(yīng)力最大值為324.48MPa，發(fā)生在前橋懸架彈簧支點(diǎn)處，車(chē)身材料均為屈服極限為235MPa的普通碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235。該工況考慮安全系數(shù)為1.5[8]。說(shuō)明車(chē)架實(shí)際處于不安全的狀態(tài)下。由此可見(jiàn)車(chē)架此部分在緊急制動(dòng)工況下不滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。因此，必須在此處使用更高強(qiáng)度的材料，如屈服極限為345MPa的碳素結(jié)構(gòu)鋼Q345等材料。計(jì)算時(shí)施加的加速度為極限制動(dòng)加速度0.8g，但是在車(chē)輛實(shí)際行駛過(guò)程中絕對(duì)不會(huì)達(dá)到這樣的極限值，所以當(dāng)所換用材料的安全系數(shù)大于1時(shí)，就可以滿(mǎn)足車(chē)輛安全行駛的要求。車(chē)架緊急制動(dòng)工況下位移變形云圖和等效應(yīng)力云圖分別如圖8、圖9所示。

圖8 位移變形云圖

圖9 等效應(yīng)力云圖

車(chē)架最大變形為3.9173mm，發(fā)生在車(chē)架前端前防撞梁處。

4 預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析

模態(tài)分析是動(dòng)態(tài)分析的基礎(chǔ)，是計(jì)算結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的數(shù)值技術(shù)，可以幫助設(shè)計(jì)人員確定結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，從而使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)避免共振，并指導(dǎo)工程師預(yù)測(cè)在不同的載荷作用下結(jié)構(gòu)的振動(dòng)形式。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)中的應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的剛度發(fā)生變化，這方面典型的例子就是琴弦，張緊的琴弦比松弛的琴弦聲音尖銳，這是因?yàn)閺埦o的琴弦剛度更大，從而導(dǎo)致自振頻率更高的緣故[9]。

根據(jù)模態(tài)分析理論，一般只計(jì)算結(jié)構(gòu)的前幾階固有頻率和振型，因?yàn)樵降碗A振動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)影響越大。結(jié)合車(chē)架的載荷情況及運(yùn)行工況，計(jì)算分析車(chē)架結(jié)構(gòu)的前10階模態(tài)[10～12]。對(duì)于車(chē)架來(lái)說(shuō)，彎曲及扭轉(zhuǎn)振動(dòng)是其結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的主要表現(xiàn)形式。但是，對(duì)于非公路用旅游光車(chē)彎曲振動(dòng)對(duì)車(chē)架強(qiáng)度的影響最大，因?yàn)榫皡^(qū)用觀(guān)光車(chē)行駛時(shí)路面條件好，常常只受到對(duì)稱(chēng)垂直載荷的作用，這類(lèi)載荷是最易激發(fā)車(chē)架結(jié)構(gòu)的彎曲模態(tài)。

基于以上分析，運(yùn)用大型有限元分析軟件Workbench對(duì)車(chē)架進(jìn)行了預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析，獲取了彎曲模態(tài)下的前10階固有頻率值及其振型特征如表4所示。

如圖10～圖13所示，給出了車(chē)架結(jié)構(gòu)前4階固有頻率與振型圖（放大數(shù)倍）。

表4 前10階固有頻率值及其振型特征

圖10 一階振型

圖11 二階振型

圖12 三階振型

圖13 四階振型

當(dāng)車(chē)架某階固有頻率與外界激勵(lì)頻率相接近時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象，為避免共振對(duì)車(chē)架帶來(lái)的危害，應(yīng)使固有頻率遠(yuǎn)離外界的激勵(lì)頻率。對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)來(lái)說(shuō)路面的激振頻率一般在20Hz以?xún)?nèi)，良好的路面激振頻率僅5Hz左右。除此之外也應(yīng)使車(chē)架不與非簧載質(zhì)量的固有頻率重合，其固有頻率一般為6Hz～15Hz[13]。

由預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析可知，對(duì)于此電動(dòng)車(chē)來(lái)說(shuō)只有一階固有頻率位于路面的激勵(lì)頻率內(nèi)，說(shuō)明車(chē)架在良好的路面行駛時(shí)車(chē)架振動(dòng)變形較小，有良好的動(dòng)態(tài)特性。但二階頻率處在非簧載質(zhì)量的固有頻率以及普通路面激勵(lì)頻率范圍內(nèi)，這就可能會(huì)產(chǎn)生難以預(yù)期的振動(dòng)，所以應(yīng)給予關(guān)注。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)電動(dòng)觀(guān)光車(chē)車(chē)架結(jié)構(gòu)的動(dòng)靜態(tài)分析，得到了車(chē)架結(jié)構(gòu)各位置的應(yīng)力狀態(tài)和振動(dòng)特性， 確定了車(chē)架結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。從靜力學(xué)分析結(jié)果來(lái)看，車(chē)架在滿(mǎn)載彎曲工況下車(chē)架前橋懸架橫梁實(shí)際安全系數(shù)為1.68，這在遇到極端情況時(shí)可能會(huì)處于危險(xiǎn)狀態(tài)；在極限緊急制動(dòng)工況下，前橋懸架橫梁不滿(mǎn)足安全條件，必須更改此處的設(shè)計(jì)方案。從動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果來(lái)看，前2階的固有頻率容易引起共振，應(yīng)通過(guò)調(diào)整車(chē)架結(jié)構(gòu)，使各階模態(tài)頻率不處在路面激勵(lì)頻率和非簧載質(zhì)量的固有頻率范圍內(nèi)，防止車(chē)體發(fā)生共振，增加整車(chē)的安全性和乘坐人員的舒適性。

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