張新明 周文明 劉海濤

摘 要：在公司某款電動(dòng)三輪車車架開(kāi)發(fā)過(guò)程中引入有限元分析技術(shù)，應(yīng)用UG NX10.0對(duì)電動(dòng)三輪車車架在彎曲、制動(dòng)、轉(zhuǎn)彎三種典型工況下進(jìn)行靜態(tài)分析，并進(jìn)一步對(duì)電動(dòng)三輪車車架進(jìn)行模態(tài)分析，分析結(jié)果對(duì)研發(fā)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)，同時(shí)為后續(xù)車架改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了技術(shù)指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)三輪車車架;UG;有限元分析

Abstract： The finite element analysis technology is introduced into the development of an electric tricycle frame. UG NX10.0 is applied to the static analysis of the electric tricycle frame under three typical working conditions of bending， braking and turning， and the modal analysis of the electric tricycle frame is further carried out. The analysis results provide a theoretical basis for the research and development of the design， and provide technical guidance for the subsequent frame improvement design.

Key Words： electric tricycle frame;UG;finite element analysis

0 引言

現(xiàn)階段電動(dòng)三輪車行業(yè)在研發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程中存在粗放式設(shè)計(jì)的現(xiàn)象，憑借研發(fā)設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)主導(dǎo)產(chǎn)品研發(fā)，待車型開(kāi)發(fā)完畢制作樣車進(jìn)行可靠性驗(yàn)證，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證確定產(chǎn)品是否滿足性能要求。這種憑經(jīng)驗(yàn)的粗放式設(shè)計(jì)導(dǎo)致產(chǎn)品研發(fā)周期過(guò)長(zhǎng)，無(wú)法快速應(yīng)對(duì)市場(chǎng)的需求，同時(shí)已跟不上電動(dòng)三輪車市場(chǎng)產(chǎn)品更新的速度。

根據(jù)電動(dòng)三輪車市場(chǎng)的多變形勢(shì)，公司研發(fā)部門(mén)快速響應(yīng)，在某款電動(dòng)三輪車車架研發(fā)過(guò)程中引入有限元設(shè)計(jì)手段，分別對(duì)電動(dòng)三輪車車架進(jìn)行靜態(tài)和模態(tài)分析，分析結(jié)果對(duì)研發(fā)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)，同時(shí)為后續(xù)車架改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了技術(shù)指導(dǎo)，從而達(dá)到縮短研發(fā)周期，降低產(chǎn)品成本的目的。

1 車架三維模型建立

公司研發(fā)設(shè)計(jì)的某款電動(dòng)三輪車車架采用邊梁式結(jié)構(gòu)，車架主要是由前斜梁、左右縱梁、中縱梁、前橫梁、中橫梁、后橫梁等通過(guò)焊接組合而成。車架大部分材料為管類和板類折彎件。在確保后續(xù)有限元分析結(jié)果的準(zhǔn)確性前提下，根據(jù)有限元分析簡(jiǎn)化原則[1-2]，本文對(duì)車架進(jìn)行了簡(jiǎn)化，取消掉了部分安裝配合的孔和局部線束壓線卡等小零件，根據(jù)設(shè)計(jì)方案，在UG NX10.0中創(chuàng)建本文研究的某款電動(dòng)三輪車車架，如圖1所示，對(duì)應(yīng)零部件明細(xì)如表1所示。

2 有限元模型的建立

2.1 設(shè)置材料屬性

本文研究的某款電動(dòng)三輪車車架主要是由管類件和板類件構(gòu)成，材料均為Q235A，其材料屬性見(jiàn)表2。

2.2 定義單元類型、連接和焊點(diǎn)處理

電動(dòng)三輪車車架的大部分零部件其材料壁厚遠(yuǎn)小于該零件的其它尺寸，為此參照有限元分析單元選取規(guī)范，本文在建模時(shí)采用薄殼單元[3-5]。

本文研究的電動(dòng)三輪車車架通過(guò)二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊將各零部件焊接在一起，為此在UG NX10.0仿真對(duì)象類型中選取“面面粘連”和“邊面粘連”將車架各零部件連接。同時(shí)對(duì)于車架主要承重件，駕駛員、動(dòng)力源、車箱及滿載貨物通過(guò)集中質(zhì)量的方式與車架安裝接觸面相連接。

2.3 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分是有限元分析里重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，網(wǎng)格劃分的質(zhì)量直接影響分析的精度和計(jì)算成本[6]。本文所研究車架采用2D四邊形單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，該車架有限元模型共計(jì)115 503個(gè)單元，117 441個(gè)節(jié)點(diǎn)。完成的電動(dòng)三輪車車架有限元模型如圖2所示。

3 有限元分析

3.1 靜態(tài)分析

本文研究的電動(dòng)三輪車主要使用場(chǎng)景為城鄉(xiāng)短途物流運(yùn)輸、蔬菜水果批發(fā)市場(chǎng)的物流運(yùn)輸環(huán)境。為了充分模擬該款車型的使用工況，本文針對(duì)車輛滿載彎曲工況、滿載制動(dòng)工況、滿載轉(zhuǎn)彎工況進(jìn)行有限元分析。

本文研究的電動(dòng)車車架載荷主要是由車輛駕駛員、動(dòng)力源、車箱及滿載貨物引起的，各載荷數(shù)值見(jiàn)表3。

3.1.1 滿載彎曲工況

滿載彎曲工況是模擬電動(dòng)三輪車在滿載貨物情況下靜止或者勻速行駛在良好路面，車架受載荷作用的應(yīng)力分布和位移變形情況。根據(jù)實(shí)際狀況，將車架前立套、左右板簧連接部位的x/y/z方向的平動(dòng)和旋轉(zhuǎn)自由度進(jìn)行約束。添加邊界條件后的有限元模型如圖3所示。

電動(dòng)三輪車車架位移云圖如圖4、圖5所示。最大位移為0.98 mm，集中在右側(cè)電瓶支架Ⅰ和電瓶支架Ⅱ后端部連接部位，其余部位位移較小。

電動(dòng)三輪車車架應(yīng)力云圖如圖6、圖7所示。最大馮氏應(yīng)力值為211.06 MPa，集中在右側(cè)電瓶支架Ⅰ后端部。電瓶支架Ⅱ右端部應(yīng)力值為192.98 MPa，其余部位應(yīng)力較小。最大應(yīng)力小于材料的許用應(yīng)力。

3.1.2 滿載制動(dòng)工況

滿載制動(dòng)工況是模擬電動(dòng)三輪車在滿載貨物行駛車輛緊急制動(dòng)，車架受載荷作用的應(yīng)力分布和位移變形情況。根據(jù)《GB7258-2017 機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件》規(guī)定，三輪摩托車制動(dòng)初速度在30 km·h-1狀況下，滿載制動(dòng)距離要≤7.5 m，從而得到車輛制動(dòng)減速度4630 mm·s-2。根據(jù)實(shí)際狀況，將車架前立套、左右板簧連接部位的x/y/z方向的平動(dòng)和旋轉(zhuǎn)自由度進(jìn)行約束。電動(dòng)三輪車車架受駕駛員、動(dòng)力源、車箱滿載貨物的垂向載荷，同時(shí)在車輛前進(jìn)方向添加4630 mm/s-2減速度。添加邊界條件后的有限元模型如圖8所示。

電動(dòng)三輪車車架位移云圖如圖9、圖10所示。最大位移為0.59 mm，集中在左側(cè)座椅支架Ⅰ和座椅支架Ⅱ焊接的前端部。右側(cè)座椅支架Ⅰ和座椅支架Ⅱ焊接的前端部位移為0.58 mm，其余部位位移較小。

電動(dòng)三輪車車架應(yīng)力云圖如圖11、圖12所示。最大馮氏應(yīng)力值為169.67 MPa，集中在左前板簧吊耳與左縱梁焊接部位，該部位最大應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力。

3.1.3 滿載轉(zhuǎn)彎工況

滿載轉(zhuǎn)彎工況是模擬電動(dòng)三輪車在滿載貨物轉(zhuǎn)彎時(shí)產(chǎn)生離心力，車架受離心力作用的應(yīng)力分布和位移變形情況。實(shí)際工作中，車箱上滿載貨物產(chǎn)生的離心力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于駕駛?cè)藛T和動(dòng)力源產(chǎn)生的離心力。根據(jù)該車型開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，該款電動(dòng)三輪車轉(zhuǎn)彎車速為10 km·h-1，最小轉(zhuǎn)彎半徑為2.9 m，從而得到車輛轉(zhuǎn)彎離心力為2661 N。根據(jù)實(shí)際狀況，將車架前立套、左右板簧連接部位的x/y/z方向的平動(dòng)和旋轉(zhuǎn)自由度進(jìn)行約束。電動(dòng)三輪車車架受駕駛員、動(dòng)力源、車箱滿載貨物的垂向載荷，同時(shí)在車輛左轉(zhuǎn)彎的反方向?qū)ω浵浼匈|(zhì)量施加離心作用力。添加邊界條件后的有限元模型如圖13所示。

電動(dòng)三輪車車架位移云圖如圖14、圖15所示。最大位移為1.03 mm，集中在右側(cè)電瓶支架Ⅰ和電瓶支架Ⅱ后端部連接部位。左側(cè)電瓶支架Ⅰ和電瓶支架Ⅱ后端部連接部位位移為1.02 mm，其余部位位移較小。

電動(dòng)三輪車車架應(yīng)力云圖如圖16、圖17所示。最大馮氏應(yīng)力值為216.99 MPa，集中在右側(cè)前板簧吊耳與右縱梁焊接部位，該部位最大應(yīng)力小于材料的許用應(yīng)力。

通過(guò)對(duì)電動(dòng)三輪車架三種典型工況分析，車架最大變形量為1.03 mm，滿足該車架設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)小于1.5 mm的要求。同時(shí)車架最大應(yīng)力均小于材料的許用應(yīng)力，因此該電動(dòng)三輪車車架強(qiáng)度是可靠的。

3.2 模態(tài)分析

電動(dòng)三輪車在行駛過(guò)程中，車架主要受到兩種激勵(lì)[7]：一是路面不平度通過(guò)輪胎傳遞給車架的激勵(lì)，另一種是安裝在車架上的電機(jī)引起的振動(dòng)。實(shí)際工作過(guò)程中，由電機(jī)引起的振動(dòng)對(duì)車架影響很小，因此本文主要分析路面不平度的影響。當(dāng)路面不平度傳遞的激勵(lì)頻率臨近電動(dòng)三輪車車架的某一固有頻率時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)共振現(xiàn)象，極易造成車架某一零部件的功能失效，十分危險(xiǎn)。本文計(jì)算電動(dòng)三輪車車架在自由狀態(tài)下的前十六階模態(tài)，前六階模態(tài)為剛體模態(tài)不予考慮，固有頻率見(jiàn)表4。

電動(dòng)三輪車車架第一階固有頻率為34.75 Hz，振型為車架的整體扭轉(zhuǎn)，最大振動(dòng)位移量為0.72 mm，主要集中在前立套的上端部。如圖18所示。

電動(dòng)三輪車車架第二階固有頻率為36.35 Hz，振型為車架的整體彎曲，最大振動(dòng)位移量為0.56 mm，主要集中在前立套的上端部。如圖19所示。

電動(dòng)三輪車車架第三階固有頻率為55.88 Hz，振型為車架的整體扭轉(zhuǎn)，最大振動(dòng)位移量為0.48 mm，主要集中在右縱梁后端部。如圖20所示。

電動(dòng)三輪車車架第四階固有頻率為62.34 Hz，振型為車架的整體彎曲，最大振動(dòng)位移量為0.51 mm，主要集中在前立套中部。如圖21所示。

電動(dòng)三輪車車架第五階固有頻率為69.67 Hz，振型為車架的整體扭轉(zhuǎn)，最大振動(dòng)位移量為0.45 mm，主要集中在右縱梁后端部。如圖22所示。

電動(dòng)三輪車車架第六階固有頻率為86.46 Hz，振型為車架控制器托架局部振動(dòng)，最大振動(dòng)位移量為1.86 mm，主要集中在控制器托架前端部。如圖23所示。

電動(dòng)三輪車車架第七階固有頻率為90.09 Hz，振型為車架整體彎曲扭轉(zhuǎn)，最大振動(dòng)位移量為0.83 mm，主要集中在右側(cè)電瓶支架Ⅰ和電瓶支架Ⅱ后端部連接部位。如圖24所示。

電動(dòng)三輪車車架第八階固有頻率為98.79 Hz，振型為車架整體彎曲扭轉(zhuǎn)，最大振動(dòng)位移量為0.71 mm，主要集中在右側(cè)電瓶支架Ⅰ和電瓶支架Ⅱ后端部連接部位。如圖25所示。

電動(dòng)三輪車車架第九階固有頻率為101.64 Hz，振型為車架的控制器托架局部振動(dòng)，最大振動(dòng)位移量為1.87 mm，主要集中在車架的控制器托架中間部位。如圖26所示。

電動(dòng)三輪車車架第十階固有頻率為111.24 Hz，振型為車架的整體彎曲，最大振動(dòng)位移量為0.79 mm，主要集中在車架的控制器托架前端部。如圖27所示。

本文研究的電動(dòng)三輪車設(shè)計(jì)最高車速為55 km·h-1，根據(jù)該款電動(dòng)三輪車使用工作環(huán)境，平坦公路路面不平度波長(zhǎng)[8-9]：1～6.3 m，選擇路面不平度最小波長(zhǎng)為1 m，從而得到路面不平度產(chǎn)生的激勵(lì)頻率為15.3 Hz。車架第一階固有頻率為34.75 Hz，高于路面不平度產(chǎn)生的激振頻率，不會(huì)形成共振，因此本文研究的電動(dòng)三輪車車架具有良好的頻率特性。

4 結(jié)論

本文在公司某款電動(dòng)三輪車車架開(kāi)發(fā)過(guò)程中引入有限元分析技術(shù)，應(yīng)用UG NX10.0對(duì)電動(dòng)三輪車車架進(jìn)行靜態(tài)和模態(tài)分析，通過(guò)分析得出該款車架的結(jié)構(gòu)是可靠的，能夠滿足使用環(huán)境的要求。同時(shí)在對(duì)車架靜態(tài)分析過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，車架局部應(yīng)力是比較大的，特別是支撐電瓶的支架以及板簧吊耳與縱梁焊接部位，該兩處部位在車架的改進(jìn)優(yōu)化時(shí)應(yīng)特別注意，可通過(guò)焊接加強(qiáng)板的方式加強(qiáng)較薄弱部位。車架應(yīng)力變化較小部位，如車架前橫梁、后橫梁等，可通過(guò)調(diào)整材料規(guī)格實(shí)現(xiàn)車架輕量化。

參考文獻(xiàn)：

[1] 葛瑋，左言言，沈哲.車身有限元簡(jiǎn)化建模與幾何清理研究[J].拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車，2009（36）：97-99.

[2] 劉煥廣.轎車白車身結(jié)構(gòu)有限元及其試驗(yàn)分析[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2007.

[3] 張學(xué)榮.轎車白車身模態(tài)分析[D].蘇州：江蘇大學(xué)，2002.

[4] 王晶.三輪摩托車車架的有限元分析及輕量化設(shè)計(jì)研究[D].鄭州：中原工學(xué)院，2010.

[5] 楊莉，朱壯瑞，張迎賓.輕型客車車身CAE技術(shù)研究院[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2004（26）：62-64.

[6] 張峰.NX Nastran基礎(chǔ)分析指南[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005：30-31.

[7] 王志明.太陽(yáng)能電動(dòng)三輪車車架結(jié)構(gòu)性能仿真分析及優(yōu)化研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2006.

[8] 張文昌.三輪摩托車平順性研究與振動(dòng)測(cè)試平臺(tái)開(kāi)發(fā)[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2010.

[9] 段虎明，石峰，謝飛.路面不平度研究綜述[J].振動(dòng)與沖擊，2009（28）：95-101.