纯电动汽车车架设计及有限元分析

第8期2011年8月机械设计与制造MACHINERYDESIGNMANUFACTURE39文章编号10013997201108003903纯电动汽车车架设计及有限元分析术邵超城刘强龙飞永广东工贸职业技术学院，广州510510Z中山大学工学院，广州510006DESIGNANDFINITEELEMENTANALYSISONELECTTICVEHICLECARRIAGESHAOCHAOCHENGLIUQIANG2,LONGFEIYONGGUANGDONGCOLLEGEOFINDUSTRYANDCOMMERCE，GUANGZHOU510510，CHINACOLLEGEOFENGINEERING，SUNYATSENUNIVERSITY，GUANGZHOU510006，CHINA；【摘要】车架是电动汽整车的主要受力基体部分，其受力状态复杂、设计难度较大，采用有限元；方法可以对车架的静动态特性进行较为准确的分析，对车架结构设计提供指导。在采用铝合金材料的L低速纯电动汽车轻量化车架的设计中，分别运用CARLA造型软件和HYPERMESH前处理软件建立了车架；的三维实体模型和有限元前处理模型，利用ANSYS软件对所设计的车架进行了强度刚度分析、模态分析。通过分析计算，验证了车架的强度要求，找出了车架中局部变形和应力过大区域，为车架结构改进I提供了重要依据。；关键词电动汽车车架；有限元分析，IHYPERMESH；ANSYS；【ABSTRACT】ELECTRICVEHICLECARRIAGEISNVEHICLEMAINBEARINGCOMPONENT，WHICHBEARINGSTATEIS；COMPLEX，ANDISDIFFICULTTODESIGNTHEREFOREAFINITEELEMENTMETHODISPROPOSEDTOBEAPPLIEDINTHESTATICIANDDYMUNICANALYSISWHICHWILLPROVIDEGUIDANCEINDESIGNOFCARRIAGESTRUCTUREINDESIGNINGLOWSPEEDLLIGHTWEIGHTCARRIAGEFORELECTRICVEHICLEWITHALUMINUMALLOY，BYAPPLYINGCATIAMODELINGSOFTWAREANDHYL；PERMESHSOJTWARE口THREEDIMENSIONALSOLIDMODELANDAFINITEELEMENTPROCESSINGMODELWEREBUILTSEPARATE8THETRENGTHANDMODALANALYSISWERECARRIED。WITHANSYSSOFTWARETHROUGHANALYSIS，THE；STRENGTHREQUIREMENTSAREVERIFIEDANDTHEPARTSWITHSEVERELOCALDEFORMATIONANDSTRESSAREFOUND，WHICHPROVIDESANIMPORTANTBASISFORCARRIAGESTRUCTUREIMPROYEMENTLKEYWORDSELECTRICVEHICLEFRAME；FINITEELEMENTANALYSIS；HYPERMESH；ANSYS；中图分类号TH12，U46972文献标识码A1己I言节能效果好的新能源汽车，已得到各国政府及各大汽车厂商的重面对资源和环境的双重压力，纯电动汽车作为一种零排放、视。车架是电动汽车主要受力基体部分，设计中必须保证车架来稿日期20101018女基金项目教育部博士点基金201017120003，广州市科技计划应用基础研究项目1023011699向座5沿安装在机架上的直线导轨7作往复直线运动。取皂块真空吸盘安装在取皂转轴上，取皂转轴与导向座5以轴承相连接并可自由转动，通过小连杆与滚子相连接，滚子在特殊设计的导向槽板8中运动，如图7B所示。带动取皂转轴作60。翻转动作，完成真空吸盘吸、放皂动作。35下模翻转动作的实现凸轮推动摆杆，带动曲柄作往复旋转运动，由连杆2推动下模曲柄绕着下模4的转轴作6O。的往复旋转运动，完成水平打印和60。翻转脱模动作。在此过程中，由于利用了特殊的凸轮曲线设计，在打印状态下，上模滑块正好处于其行程的下死点位置，而其时下模凸轮也同时运行至其行程的下死点位置。而由于下模曲柄与下模的连接是由涨紧套实现无键连接，因而可以方便的调整下模的位置，使其同时处于水平工作状态，使上、下两个半模之间保持平行，达到最佳的工作状态。4结论应用PROE软件对冷打印机构进行仿真设计充分显示出目前CADCAM技术的发展，对香皂冷打印机构的运动进行仿真，具有很大的优越性，它不但使机构的造型形象化、可视化。从而帮助设计人员对运动机构进行优化设计，使其快速、高效地设计出理想运动机构。参考文献1唐善华BINACCHI300香皂打印机传动原理及运动分析J_轻工机械，200348O一832唐善华，王秋珍新型香皂打印机共轭盘形分度凸轮机构J轻工机械，2007，25451553李艳莉，张海燕，等基于MATLAB和SOLIDWORKS软件的共轭凸轮设计及运动仿真J船工机械，2007，26152544高雄波，吴晓光，等基于PROE虚拟产品设计方法应用研究J机械设计与制造，2008，372335375成大先机械设计手册EM北京化学工业出版社，19936朱玉红基于PROE的机械零件虚拟装配方法J机械制造与自动化，2004236387周建华PROE在模具CADCAM中的应用及开发J电加工与模具，20034757640邵超城等纯电动汽车车架设计及有限元分析第8期具有足够的强度和刚度以承受整车的载荷和部件的冲击，所以车架的设计非常重要，同时设计难度较大31。有限元法是现代汽车设计的重要工具，对于提高汽车产品的质量、降低产品开发制造成本、缩短开发周期具有重要意义。在低速纯电动汽车的设计开发中，充分运用了先进的三维造型软件、前处理软件和有限元分析软件，运用有限元方法对采用铝合金材料的轻量化车架进行了强度刚度分析、模态分析，提高了结构改进的效率，保证了车架设计的合理性。2车架建模及前处理根据该款电动汽车车型设计方案、所选用的前后悬挂类型及整车的承载需求，设计了车架，如图1所示。车架由两根主纵梁贯穿前后形成主车架，两根纵梁和多根横梁形成副车架，以减轻主纵梁的负担、增强整体的负载能力。前轮为独立悬挂，后轮为非独立悬挂，在车架前后部分设计了相应的悬挂支撑安装点。图1电动汽车车架模型由于纵梁和横梁的形状都较规则，横截面的形状保持不变，所以在建模过程中主要采用扫描和拉伸两种方式来完成车架的建模。建模完成后导入HYPERMESH前处理软件中进行中面抽取61。由于整体车架在抽取中面过程中不容易控制，在抽取中面之前需先对车架体进行分割，存放到不同的集合器，然后将各部分逐步抽取完中面后再重新连接成一体，以形成完整的车架预前处理模型。根据车架的总体尺寸、最小圆角以及单元疏密程度，网格划分时采用单元大小为10MM的四边形单元，一次性划分所有面。再运用快速编辑、面、边、特征编辑等工具对网格质量较差的局部网格进行了网格修补，直到网格检查合格为止F7】。整个车架将由牌号为6061的铝合金型材通过热弧焊工艺焊接而成，铝型材的截面为矩形，厚度分别为4MM和7MM，由于型材的截面尺寸远小于其长度方向尺寸，所车架将选用SHELL93单元来模拟分析。接着在HYPERMESH中进一步定义壳单元属I生和铝合金材料属性，并选择相应的ANSYS后处理倒出模板，把完整的前处理模型导出为包含有单元信息、材料属性信息的INP文件。3车架静态分析在ANSYS中导人前面所得到的INP前处理文件，根据承载情况进行载荷和约束条件的定义。根据静力等效原则，分别将车身、电池、驾乘人员等各部件的重量分别转化为等效载荷施加于车架的相应受力位置上。各部分的质量和边界约束条件，如表1、表2所示。表1载荷约束条件表2计算边界约束条件31车架静态弯曲工况分析提交计算后，可以得到车架的总体变形位移和弯曲应力分布图，如图2、图3所示。从图2整体位移云图上可以看到位移最大区域出现在车架最左边副梁部位，最大相对位移为309MM，车架其余位置变形较小，说明车架的刚度能满足设计要求；从应力云图上可以看到加载点和悬挂周围位移约束的地方应力变化较大，最大达到12798MPA，远小于铝合金的许用应力276MPA，表明车架的强度也满足使用要求。图2车架弯曲变形位移图图3车架前悬挂处最大应力图32车架静态扭曲工况分析定义好扭曲工况后进行计算，从位移云图4中可以看出最大位移出现在释放所有自由度的右后轮，相对位移是138LMM。从图5应力云图可以获得此时在后悬挂约束的地方出现应力集中，最大应力为28313MPA，略高于材料的屈服强度276MPA，表明实际制造中应该加强悬挂安装部分的强度。图4车架扭转位移图NO8AUG2011机械设计与制造41图5车架后悬挂处最大应力图4车架模态分析模态分析是动态分析的基础目，通过对车架进行模态分析可以掌握车架对激振力的影响，从而发现结构的薄弱环节和不足之处，为车辆的开发提供依据。运用了ANSYS软件模态分析中的LANCZOS分析方法，对车架进行了自由模态分析。分析中假定车架为自由振动并且忽略阻尼的车架振型，忽略外部载荷并略去车架前一阶段自然模态，从频率510OOO范围提取车架的前十阶振型，结果如表3所示。表3车架前十阶模态及最大位移图6车架第1阶振型图7车架第8阶振型通过车架结构的模态分析，得到以下结论1从位移变形看，前5阶最大位移都在LOMM左右，说明自由振动的情况下车架的刚度性能良好；2尽可能避免出现第8阶的模态，车架中间部分的两翼向上弯曲位移达到最大的1730RAM，因此适当加强这两翼部分的刚度来提升车架的性能。5结构改进通过以上分析，可以验证所设计的铝合金车架整体强度及刚度满足要求，但同时分析中发现了副车架及前后悬挂处应力或变形位移较大。所以依据上面的计算结果，对车架的前后悬架和副车架进行了加强并制造出车架，装配好车身后整车，如图8所示。由于采用了轻量化的铝合金车架，整车重量仅620KG，相对于原来钢制材料车架整车减重了100KG。整车通过路试测试，表明该车架性能稳定，整车操纵性较好。图8采用铝合金车架的低速纯电动汽车整车6总结融合HYPERMESH和ANSYS软件对自行开发的低速电动汽车车架进行了有限元分析计算，指导了结构的改进。通过HYPERMESH对车架的前处理，获得了网格质量较高的车架前处理模型，接着运用ANSYS软件对车架进行了强度分析和模拟分析计算，找出了车架的薄弱部位，验证满足了车架的安全L生要求。开发研究表明，采用的设计计算方法可以大大提高设计效率，保证设计的可靠性。参考文献1CHRISTOFLEDERMANN，PAOLOERMANNI，ROLANDKELMDYNAMICCADOBJECTSFORSTRUCTURALOPTIMIZATIONINPRELIMINARYAIRCRAFTDESIGNLJJAEROSPACESCIENCEANDTECHNOLOGY，2006106016102CARLOSHCACERESTRANSIENTENVIRONMENTALEFFECTSOFLIGHTALLOYSUBSTITUTIONSINTRANSPORTVEHICLESJ1MATERIALSDESIGN，20093O8281328223ADEB，MSMAHENDRAKUMAR，ETCDESIGNOFANALUMINIUMBASEDVEHICLEPLATFORMFORFRONTIMPACTSAFETYJJINTERNATIONALJOURNALOFIMPACTENGINEERING2004389105510794叶勤，邓亚东，王彦，谭伟一种轻型货车车架有限元分析与优化J_武汉理工大学学报，2008，3021431455QIANGLIU，WENJUA