李東，沙文瀚，王飛，劉琳，滕冬冬

奇瑞新能源汽車工程研究院，安徽蕪湖 241000)

0 引言

框梁組件的主要作用是固定汽車的動(dòng)力總成及其他附件系統(tǒng)，并承受相應(yīng)的沖擊載荷，限制動(dòng)力總成的位移等。傳統(tǒng)汽車主要用于固定發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱，而相對(duì)于電動(dòng)汽車，支撐的部件為電機(jī)和減速器，框梁的承受工況會(huì)有所差異?？蛄耗芊裨陔妱?dòng)汽車的工況下滿足使用要求，就需要做嚴(yán)格的動(dòng)力學(xué)分析。

針對(duì)電動(dòng)汽車與傳統(tǒng)汽油車框梁上承載的動(dòng)力總成差異，本文作者基于ANSYS軟件對(duì)電動(dòng)汽車的前艙框梁組件作了諧響應(yīng)及隨機(jī)振動(dòng)分析，可以模擬框梁組件在承受電機(jī)動(dòng)、靜載荷下的響應(yīng)，為設(shè)計(jì)過程中規(guī)避結(jié)構(gòu)疲勞、共振等不良影響提供設(shè)計(jì)依據(jù)[1]。

1 理論分析

1.1 架構(gòu)分析

電動(dòng)汽車最核心功能是電力驅(qū)動(dòng)，采用電能作為驅(qū)動(dòng)能源，電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)部件，電池作為儲(chǔ)能元件。其中電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為整車的動(dòng)力模塊，根據(jù)整車控制器的控制指令，輸出相應(yīng)的扭矩經(jīng)減速器、半軸到達(dá)車輪驅(qū)動(dòng)車輛行駛。其他組成部分包括電機(jī)控制器、壓縮機(jī)、DCDC、PTC和配電盒，分別實(shí)現(xiàn)空調(diào)制冷、制熱、12 V供電、高壓配電等功能。而這些部件大部分都布置在前艙框梁上。

1.2 工況分析

對(duì)電動(dòng)汽車框梁承載部件進(jìn)行質(zhì)量統(tǒng)計(jì)，如表1所示，其中動(dòng)力總成系統(tǒng)為框梁的主要承載模塊。

基于架構(gòu)分析及部件重力，對(duì)電動(dòng)汽車框梁的主要受力工況進(jìn)行了分析，包括：

(1)高壓部件及附件系統(tǒng)固定在懸置框梁上，框梁需要承受部件的重力作用；

(2)驅(qū)動(dòng)電機(jī)固定在懸置支架上，當(dāng)車輛工作時(shí)，電機(jī)控制器會(huì)將動(dòng)力電池輸入的直流電流轉(zhuǎn)換為三相正弦交流電，輸入給電機(jī)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，帶動(dòng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，這時(shí)會(huì)對(duì)框梁有個(gè)反向周期性載荷；

(3)框梁固定在車身縱梁上，與之形成穩(wěn)態(tài)連接，行駛過程中通過不同狀態(tài)的顛簸路況，會(huì)存在隨機(jī)的振動(dòng)載荷，通過車輪、車身作用于框梁上。

2 模型建立

利用CATIA軟件對(duì)框梁進(jìn)行建模，如圖1所示，框梁的材料采用高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，沖壓成型，可以承受較大載荷工況，彈性模量為25MPa，泊松比為0.3，密度為7 890 kg/m3，屈服強(qiáng)度達(dá)到420 MPa。在懸置上梁上開孔，用于固定電機(jī)控制器、高壓配電盒、DCDC等部件。兩邊在上下梁開穿孔，用于與車身固定。Y向上設(shè)計(jì)有電機(jī)支架，與框梁采用兩個(gè)螺栓進(jìn)行連接，用于固定電機(jī)模塊。中部設(shè)計(jì)有減速器支架固定減速器，減速器與電機(jī)Y向進(jìn)行連接。

圖1 框梁模型

同時(shí)采用四面體的網(wǎng)格劃分方法，并設(shè)定最小網(wǎng)格尺寸為10 mm。

3 諧響應(yīng)

3.1 理論基礎(chǔ)

諧響應(yīng)分析是指線性結(jié)構(gòu)在承受隨時(shí)間按正弦(簡諧)規(guī)律變化的載荷時(shí)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的一種分析方法，諧響應(yīng)分析的目的是確保一個(gè)給定的結(jié)構(gòu)能經(jīng)受住不同頻率的各種正弦載荷(例如不同扭矩輸出下電動(dòng)機(jī)反向作用)；探測(cè)共振響應(yīng)，必要時(shí)可避免其發(fā)生共振現(xiàn)象[2-3]。

3.2 施加載荷

對(duì)懸置施加邊界條件，電機(jī)支架用于支撐電機(jī)系統(tǒng)及其水管線束等附件，受到重力及反作用扭矩，對(duì)電機(jī)支架的3個(gè)孔位施加350 N載荷，方向?yàn)?Z向；減速器支架用于固定減速器和壓縮機(jī)，并與半軸連接，承受減速器及壓縮機(jī)的重力及轉(zhuǎn)矩和振動(dòng)，對(duì)減速器支架3個(gè)固定孔位上施加400 N載荷，方向?yàn)?Z向；懸置梁結(jié)構(gòu)用于固定其他高壓部件，主要承受重力載荷，對(duì)懸置上梁面上施加500 N載荷，方向-Z向，如圖2所示。

3.3 結(jié)果分析

在ANSYS Settings中設(shè)置頻率范圍和步長，設(shè)置頻率范圍為10～1 000 Hz，步長為20步，進(jìn)行求解。圖3(a)為應(yīng)變頻譜，圖3(b)為應(yīng)力頻譜，可以看出：應(yīng)力在210和280 Hz左右達(dá)到峰值；而應(yīng)變?cè)?0～1 000 Hz隨著頻率的降低總趨勢(shì)是遞減的，但在480～580 Hz區(qū)間，有個(gè)明顯的上升趨勢(shì)，可以發(fā)現(xiàn)框梁危險(xiǎn)頻率點(diǎn)主要在200和580 Hz。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)得到的應(yīng)力應(yīng)變值都遠(yuǎn)低于材料的強(qiáng)度限值，滿足當(dāng)前工況的使用要求。

圖2 邊界條件設(shè)置

圖3 響應(yīng)譜曲線

4 隨機(jī)振動(dòng)

4.1 理論分析

隨機(jī)振動(dòng)指那些無法用確定性函數(shù)來描述、但又有一定統(tǒng)計(jì)規(guī)律的振動(dòng)。例如，車輛行進(jìn)中的顛簸，陣風(fēng)作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，噴氣噪聲引起的艙壁顫動(dòng)以及海上鉆井平臺(tái)發(fā)生的振動(dòng)等[4]。

4.2 PSD參數(shù)設(shè)置

參考GB/T 28046.3—2011《道路車輛 電氣及電子設(shè)備的環(huán)境條件和試驗(yàn) 第3部分：機(jī)械負(fù)荷》中實(shí)驗(yàn)IV——乘用車彈性體(車身)要求，目的是檢測(cè)因振動(dòng)導(dǎo)致的失效和損壞。車身的振動(dòng)主要是由粗糙路面引起的隨機(jī)振動(dòng)，此實(shí)驗(yàn)的目的是為了檢測(cè)因隨機(jī)振動(dòng)引起的疲勞失效[5-6]，PSD功率譜數(shù)值見圖4。

圖4 PSD功率譜

4.3 結(jié)果分析

應(yīng)力應(yīng)變仿真云圖見圖5，可以發(fā)現(xiàn)在承受隨機(jī)振動(dòng)后，最大應(yīng)力位置在電機(jī)支架與框梁連接位置周圍，最大應(yīng)力為28 MPa，滿足材料的強(qiáng)度要求，最大應(yīng)變?cè)陔姍C(jī)支架上，為0.003 mm，滿足要求，可以發(fā)現(xiàn)車輛隨機(jī)振動(dòng)對(duì)框梁的影響很小。

圖5 仿真得到的應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D

5 結(jié)論

本文作者根據(jù)電動(dòng)汽車的框梁承載工況，對(duì)框梁組件進(jìn)行了諧響應(yīng)及隨機(jī)振動(dòng)分析。

分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)：施加10～1 000 Hz正弦載荷時(shí)，在210和280 Hz左右框梁應(yīng)力達(dá)到峰值，而應(yīng)變?cè)?0～1 000 Hz內(nèi)隨著頻率的降低總趨勢(shì)單調(diào)減，但在500～580 Hz區(qū)間，有明顯的上升趨勢(shì)，在580 Hz達(dá)到峰值，可以發(fā)現(xiàn)框梁危險(xiǎn)頻率點(diǎn)主要在200和580 Hz。

根據(jù)GB/T 28046.3—2011設(shè)置隨機(jī)振動(dòng)的PSD功率譜參數(shù)，得到隨機(jī)振動(dòng)后的應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D，最大應(yīng)力為28 MPa，最大應(yīng)變?cè)陔姍C(jī)支架上，為0.003 mm，低于結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)強(qiáng)度。