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        新能源汽車車架有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

        2023-10-21 21:47:06葛家琪張計軍潘漢平王蕊
        時代汽車 2023年18期
        關(guān)鍵詞:結(jié)構(gòu)優(yōu)化有限元分析車架

        葛家琪 張計軍 潘漢平 王蕊

        摘 要:從汽車行業(yè)的發(fā)展趨勢看,電動汽車已成為傳統(tǒng)燃油汽車的替代品。在車輛結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)優(yōu)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(xiàn)有的受力特點,找出其中的設(shè)計缺陷,并利用ANSYS進(jìn)行優(yōu)化完善,提升車輛的整體性能。

        關(guān)鍵詞:電動汽車 車架 有限元分析 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

        1 前言

        隨著國家大力推行生態(tài)文明建設(shè),優(yōu)化能源結(jié)構(gòu),大部分的汽車生產(chǎn)廠為了快速響應(yīng)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(tǒng)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(shù)應(yīng)用以及整車輕量化技術(shù)的發(fā)展,車架作為核心零部件之一,其強(qiáng)度、剛度以及疲勞性能成為制約新能源汽車安全性的關(guān)鍵因素[1],對其進(jìn)行定性和定量分析具有重要的應(yīng)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(jìn)行靜態(tài)分析,從實際出發(fā),形成可指導(dǎo)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(wǎng)格劃分和質(zhì)量檢查、材料屬性定義以及各部件間的連接裝配等內(nèi)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(jié)構(gòu)鋼構(gòu)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(zhì)量網(wǎng)格的過渡的方式,對繪制好的三維模型進(jìn)行劃分網(wǎng)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(jié)點。

        3 車架結(jié)構(gòu)的有限元分析

        3.1 車架靜態(tài)分析

        通過有限元靜態(tài)分析來評估車架的強(qiáng)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(yīng)力以及其分布情況。根據(jù)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(jī)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(shù)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(zhuǎn)方向。分析得出結(jié)果可用作基準(zhǔn),通過調(diào)整結(jié)構(gòu)的形狀尺寸或改變材料特性,以實現(xiàn)質(zhì)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(yīng)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(yīng)力云圖如圖4和圖5所示。

        3.4 結(jié)果分析:

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

        通過彎曲和制動工況分析,兩個工況下應(yīng)力和變形最大的位置均是在左側(cè)主梁上,其中制動工況的應(yīng)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(qū)域。從靜態(tài)強(qiáng)度角度分析,由于其最大應(yīng)力未超過電動汽車車架的材料屈服強(qiáng)度235MPa,因此該車架靜態(tài)強(qiáng)度是滿足要求的。

        4 車架優(yōu)化分析

        針對上文分析結(jié)果,在汽車最常用的工況下,該車架主梁是車架的最危險區(qū)域,為了進(jìn)一步提升其強(qiáng)度耐久性,需要對其進(jìn)一步優(yōu)化,以提高疲勞強(qiáng)度與壽命,查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料,80%以上的工程機(jī)械失效屬于疲勞失效。

        4.1 優(yōu)化方案

        根據(jù)左側(cè)主梁的變形和應(yīng)力情況顯示其剛度和強(qiáng)度較低,因此需要從車架受力性質(zhì)的角度出發(fā),分析力的傳遞路徑,以提出最佳的優(yōu)化方案。根據(jù)車架受力特點,人、電池、電機(jī)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(cè),導(dǎo)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(cè)相對承受更大的受力。考慮到剛度和強(qiáng)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(yōu)化方案,即通過優(yōu)化主梁立板的形狀,將右側(cè)立板延伸至左側(cè)主梁底板上,并減小左側(cè)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(qiáng)度,從而提升主梁的剛度和強(qiáng)度。

        4.2 優(yōu)化方案分析

        依據(jù)和現(xiàn)有方案相同的載荷以及約束條件進(jìn)行優(yōu)化方案的剛度與強(qiáng)度分析,車架優(yōu)化后的位移圖和應(yīng)力云圖如圖8和圖11所示。

        (1)彎曲工況

        (2)制動工況

        將優(yōu)化前后的剛度、靜態(tài)強(qiáng)度以及疲勞強(qiáng)度進(jìn)行對比,結(jié)果如下:其中疲勞強(qiáng)度通過名義應(yīng)力法C=N*σm進(jìn)行評估,按照焊縫疲勞強(qiáng)度分析標(biāo)準(zhǔn)BS7608,對于角焊縫m=3,C=106進(jìn)行疲勞強(qiáng)度計算。

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

        5 結(jié)論

        本篇論文將某款電動汽車車架結(jié)構(gòu)當(dāng)做主要研究內(nèi)容,利用ANSYS建立了車架的有限元模型,以車架的結(jié)構(gòu)性能為優(yōu)化設(shè)計目標(biāo),對車架進(jìn)行滿載彎曲和制動工況下的靜態(tài)分析,根據(jù)分析結(jié)果,提出了車架結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案,并對優(yōu)化后的車架模型進(jìn)行了強(qiáng)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(tài)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2019 年院級課題立項項目:純電動汽車車架的分析及優(yōu)化(2019KY16)。

        參考文獻(xiàn):

        [1]陳和娟,基于ANSYS 的新能源輕量化汽車車架分析與設(shè)計[J],機(jī)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(tài)分析及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析[J],機(jī)械設(shè)計與制造. 2020(09).

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

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