楊潤(rùn)澤 文少波 許屹洲

（南京工程學(xué)院汽車(chē)與軌道交通學(xué)院 江蘇 南京 211167）

引言

近年來(lái)，由于安全、綠色環(huán)保逐漸成為社會(huì)的主題，在摩托車(chē)方面，燃油摩托車(chē)將逐漸退出市場(chǎng)，電動(dòng)摩托車(chē)將成為有效替代品。車(chē)架作為電動(dòng)摩托車(chē)的核心部件，固定支撐著電池、電機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)、懸架等部件，且在行駛過(guò)程中承受各種載荷。車(chē)架性能的優(yōu)劣直接影響到安全性、乘坐舒適性和整車(chē)壽命。車(chē)架在使用過(guò)程中，如果應(yīng)力過(guò)大，則車(chē)架安全性低；如果應(yīng)力過(guò)小，則車(chē)架強(qiáng)度會(huì)有較大的冗余量，會(huì)增加電動(dòng)摩托車(chē)的生產(chǎn)成本。因此，分析電動(dòng)摩托車(chē)車(chē)架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，在保障車(chē)架使用安全性的前提下控制制造成本，具有很高的工程實(shí)用價(jià)值[1]。

傳統(tǒng)車(chē)架設(shè)計(jì)需要進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，導(dǎo)致投入過(guò)多、研發(fā)周期過(guò)長(zhǎng)。隨著計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的成熟，利用軟件對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)與仿真分析成為一種可靠且有效的設(shè)計(jì)方式。本文采用CATIA 和ANSYS 軟件相結(jié)合，綜合CATIA 軟件的建模能力和ANSYS 軟件的有限元分析與仿真模擬能力，進(jìn)行電動(dòng)摩托車(chē)車(chē)架的靜力學(xué)分析。

1 電動(dòng)摩托車(chē)車(chē)架三維模型的建立

在CATIA 軟件中建立電動(dòng)摩托車(chē)車(chē)架三維模型，為了保證分析的效率，對(duì)車(chē)架模型進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，重點(diǎn)分析對(duì)車(chē)架強(qiáng)度影響較大的部件。在結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化過(guò)程中，根據(jù)部件承受應(yīng)力情況分為承載件、非承載件，保留位于較高應(yīng)力區(qū)的承載件，如車(chē)架主管、支管、電機(jī)上支撐管、電機(jī)下支撐管、前撐管等。對(duì)于非承載件，如安裝空洞、固定螺栓、外殼等，因其對(duì)有限元計(jì)算影響小，進(jìn)行適當(dāng)合并或者去除[2]。本文設(shè)計(jì)的電動(dòng)摩托車(chē)采用雙搖籃車(chē)架，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化后，在CAITA 軟件中建立的三維模型如圖1 所示。

圖1 電動(dòng)摩托車(chē)車(chē)架三維模型

2 車(chē)架有限元模型

2.1 材料設(shè)置

車(chē)架材料選擇Q235 鋼，進(jìn)入ANSYS workbench，選擇Static Structural 模塊進(jìn)行車(chē)架材料的彈性模量、泊松比、質(zhì)量密度、抗剪模量、張力強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度設(shè)置。車(chē)架材料的主要屬性如表1 所示。

表1 車(chē)架材料屬性

2.2 有限元模型的修整

電動(dòng)摩托車(chē)車(chē)架由不同截面的鋼管焊接而成，將在CATIA 軟件中建立的車(chē)架模型導(dǎo)入Geometry模塊進(jìn)行幾何清理，消除邊界錯(cuò)位和車(chē)架彎管處的縫隙，壓縮相鄰曲面之間的邊界，以提高有限元分析的準(zhǔn)確性。

2.3 有限元模型的網(wǎng)格劃分

與構(gòu)件長(zhǎng)度相比，鋼管的管徑和壁厚很小，在此情況下使用六面體實(shí)體單元，雖然精度很高，但是網(wǎng)格劃分困難、計(jì)算時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，因此對(duì)管件采用多域掃掠型（MultiZone）網(wǎng)格劃分法[3]，單元尺寸設(shè)為5 mm。劃分好的網(wǎng)格如圖2 所示，包含2 052 個(gè)單元，4 088個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖2 車(chē)架有限元網(wǎng)格劃分

3 車(chē)架的強(qiáng)度仿真分析

針對(duì)車(chē)輛使用過(guò)程中的彎曲、制動(dòng)、轉(zhuǎn)彎、碰撞4 種典型工況，分析車(chē)架在受到來(lái)自外部載荷以及整車(chē)加速度突變后所產(chǎn)生的應(yīng)力與位移，作為校核車(chē)架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的依據(jù)[4]。

3.1 靜態(tài)載荷

車(chē)架所受的靜態(tài)載荷包括車(chē)架、駕駛員、電機(jī)、電池、車(chē)身、傳動(dòng)系總成以及轉(zhuǎn)向與制動(dòng)系統(tǒng)總成的質(zhì)量。載荷添加時(shí)，車(chē)架質(zhì)量采用重力場(chǎng)形式，其他負(fù)載可以簡(jiǎn)化為施加在各連接處的集中載荷或均布載荷。車(chē)架質(zhì)量和主要零部件的質(zhì)量以及處理方式見(jiàn)表2，靜態(tài)載荷加載狀況如圖3 所示。

圖3 靜態(tài)載荷加載狀況

表2 車(chē)架負(fù)載情況kg

3.2 邊界條件

本電動(dòng)摩托車(chē)采用雙減震器式后懸架，每個(gè)減震器通過(guò)2 個(gè)焊接鉸鏈與車(chē)架相連。對(duì)車(chē)架進(jìn)行強(qiáng)度分析時(shí)，通過(guò)約束車(chē)架和懸架連接點(diǎn)的平動(dòng)自由度來(lái)模擬整車(chē)的實(shí)際約束情況。選取減震器上下2個(gè)鉸鏈與車(chē)架的連接點(diǎn)作為約束點(diǎn)，即對(duì)4 個(gè)點(diǎn)施加平動(dòng)自由度約束，釋放全部轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。邊界條件約束如圖4 所示。

圖4 邊界約束條件

3.3 工況分析

3.3.1 彎曲工況

車(chē)架的彎曲工況是模擬電動(dòng)摩托車(chē)靜止或在良好路面上勻速行駛時(shí)的狀況[5]。車(chē)架在承受負(fù)載的同時(shí)會(huì)受到路面的反作用力從而產(chǎn)生彎曲變形。

模擬彎曲工況時(shí)，車(chē)架承受的靜態(tài)載荷要乘以動(dòng)載因數(shù)。動(dòng)載因數(shù)一般為2.0～2.5，在此取2.0。彎曲工況下車(chē)架的邊界約束條件如表3 所示。

表3 彎曲工況車(chē)架邊界約束條件

經(jīng)過(guò)有限元分析與計(jì)算，電動(dòng)摩托車(chē)車(chē)架在彎曲工況下的位移與應(yīng)力云圖分別如圖5 與圖6所示。

圖5 車(chē)架彎曲工況位移云圖

圖6 車(chē)架彎曲工況應(yīng)力云圖

從圖5 可以得知，車(chē)架最大位移出現(xiàn)在懸架支撐管的彎曲處，為0.36 mm。

從圖6 可以得知，最大應(yīng)力出現(xiàn)在上橫管與邊管連接處，為35.04 MPa。主要原因是此處為多個(gè)管件連接處，容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力。與管件材料Q235 鋼材的屈服極限235 MPa 相比，車(chē)架整體應(yīng)力分布水平適中。

3.3.2 制動(dòng)工況

車(chē)架制動(dòng)工況是模擬電動(dòng)摩托車(chē)在行駛過(guò)程中緊急制動(dòng)時(shí)的狀況。電動(dòng)摩托車(chē)車(chē)架除了承受駕駛員與車(chē)身負(fù)載的重力作用，在制動(dòng)時(shí)還受到縱向制動(dòng)慣性力的作用。制動(dòng)加速度和摩托車(chē)總質(zhì)量決定慣性力的大小[6]。

制動(dòng)工況的邊界約束條件與彎曲工況的約束條件相同，但是需要在車(chē)架彎曲工況計(jì)算的基礎(chǔ)上對(duì)車(chē)架加載1.4g 的制動(dòng)加速度。

經(jīng)過(guò)有限元分析與計(jì)算，該車(chē)架在制動(dòng)工況下的位移與應(yīng)力云圖分別如圖7 與圖8 所示。

圖7 車(chē)架制動(dòng)工況位移云圖

圖8 車(chē)架制動(dòng)工況應(yīng)力云圖

從圖7 可以得出，車(chē)架最大位移出現(xiàn)在懸架支撐管的彎曲處，為0.35 mm。

從圖8 可以得出，最大應(yīng)力出現(xiàn)在上橫管與邊管連接處，為34.76 MPa。此處是多個(gè)管件連接處，會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，并且車(chē)架整體突然受到向后的加速，容易產(chǎn)生較大的應(yīng)力。與管件材料Q235 鋼材的屈服極限235 MPa 相比，車(chē)架整體應(yīng)力分布水平適中。

3.3.3 轉(zhuǎn)彎工況

車(chē)架轉(zhuǎn)彎工況是模擬電動(dòng)摩托車(chē)在轉(zhuǎn)彎時(shí)的情況。電動(dòng)摩托車(chē)在緊急轉(zhuǎn)彎時(shí)，車(chē)架會(huì)受到由離心力作用而產(chǎn)生的橫向載荷，要求電動(dòng)摩托車(chē)車(chē)架結(jié)構(gòu)具有承受一定程度的橫向載荷的能力。其中，離心加速度的大小由轉(zhuǎn)彎時(shí)的車(chē)速和轉(zhuǎn)彎半徑?jīng)Q定，離心力的大小由車(chē)架的負(fù)載決定。車(chē)架在高速緊急轉(zhuǎn)彎時(shí)將同時(shí)承受由離心力與彎曲載荷所產(chǎn)生的動(dòng)載荷[7]。

轉(zhuǎn)彎工況，需要在車(chē)架彎曲工況計(jì)算的基礎(chǔ)上對(duì)車(chē)架加載1g 的橫向加速度，并對(duì)車(chē)架進(jìn)行如表4所示的邊界約束。

表4 轉(zhuǎn)彎工況車(chē)架邊界約束條件

經(jīng)過(guò)有限元分析與計(jì)算，該車(chē)架在轉(zhuǎn)彎工況下的位移與應(yīng)力云圖分別如圖9 與圖10 所示。

圖9 車(chē)架轉(zhuǎn)彎工況位移云圖

圖10 車(chē)架轉(zhuǎn)彎工況應(yīng)力云圖

從圖9 可以得出，車(chē)架的最大位移出現(xiàn)在懸架支撐管的彎曲處，為0.27 mm。

從圖10 可以得出，最大應(yīng)力出現(xiàn)在上橫管與邊管連接處以及前管與下橫管連接處，為35.96 MPa。由于車(chē)架整體突然受到橫向加速，且這2 處為多個(gè)管件連接處，會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，產(chǎn)生較大的應(yīng)力。與管件材料Q235 鋼材的屈服極限235 MPa 相比，車(chē)架整體應(yīng)力分布水平適中。

3.3.4 碰撞工況

車(chē)架的碰撞工況是模擬電動(dòng)摩托車(chē)在突發(fā)狀況下正面撞上障礙物而被動(dòng)停止的狀況。本文建立了一個(gè)模型：假設(shè)電動(dòng)摩托車(chē)以80 km/h 的速度在平直路面上勻速行駛，突然看到前方一輛轎車(chē)橫穿馬路，此時(shí)電動(dòng)摩托車(chē)駕駛員緊急制動(dòng)1 s 后與轎車(chē)側(cè)身相撞，制動(dòng)加速度取1.5g。經(jīng)計(jì)算，電動(dòng)摩托車(chē)與轎車(chē)側(cè)身接觸時(shí)車(chē)速為7.2 m/s，使轎車(chē)側(cè)身產(chǎn)生0.3 m形變后減速至0 m/s，碰撞過(guò)程中的平均加速度可由以下公式求出：

式中：v=0；v0=7.2 m/s；x=0.3 m。

計(jì)算結(jié)果為a=-86.4 m/s2。

摩托車(chē)車(chē)架在碰撞工況還會(huì)受到來(lái)自轎車(chē)側(cè)身的反作用力，反作用力可由以下公式求得：

式中：F 為轎車(chē)的反作用力，N；m 為電動(dòng)摩托車(chē)總質(zhì)量，為120 kg；a 為轎車(chē)側(cè)身對(duì)摩托車(chē)施加的平均加速度，為-86.4 m/s2。

計(jì)算結(jié)果為F=10 368 N。

碰撞工況的邊界約束條件與彎曲工況下的約束條件相同，但是需要在彎曲工況載荷分布的基礎(chǔ)上對(duì)車(chē)架前端添加一個(gè)方向沿x 軸負(fù)方向、大小為10 368 N 的均布載荷以及一個(gè)同方向、大小為86.4 m/s2的加速度。

經(jīng)過(guò)有限元分析與計(jì)算，車(chē)架在碰撞工況下的位移與應(yīng)力云圖分別如圖11 與圖12 所示。

圖11 車(chē)架碰撞工況位移云圖

從圖11 可以得出，車(chē)架在碰撞工況下的最大位移出現(xiàn)在懸架支撐管的彎曲處，為2.15 mm。

從圖12 可以得出，最大應(yīng)力出現(xiàn)在支管與前撐管連接處以及前管與主管連接處，為180.45 MPa。由于多個(gè)管件連接處容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，且突然受到加速與正面載荷的作用，所以產(chǎn)生了較大的應(yīng)力。車(chē)架整體應(yīng)力分布水平稍高一些，但是與管件材料Q235 鋼材的屈服極限235 MPa 還有一些距離，所以車(chē)架在碰撞工況下強(qiáng)度足夠并且沒(méi)有太多的冗余量。

圖12 車(chē)架碰撞工況應(yīng)力云圖

4 結(jié)論

本文基于CATIA 與ANSYS 軟件，首先對(duì)電動(dòng)摩托車(chē)車(chē)架進(jìn)行了三維建模，再將模型導(dǎo)入ANSYS workbench 模塊進(jìn)行彎曲、制動(dòng)、轉(zhuǎn)彎、碰撞4 種工況的模擬與分析，得到了對(duì)應(yīng)工況下的位移云圖與應(yīng)力云圖。分析結(jié)果表明，車(chē)架的強(qiáng)度在材料許用范圍內(nèi)，且強(qiáng)度沒(méi)有太多的冗余量。本文的分析結(jié)果為電動(dòng)摩托車(chē)車(chē)架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析提供了理論指導(dǎo)，為提高電動(dòng)摩托車(chē)的研發(fā)效率提供了參考。