（车辆工程专业论文）太阳能电动车车架设计及理论分析.pdf

醭圭论文太强齄电动享擎架设诗及理论分搿 摘要 誓6 2 4 53 7 车架是太阳能电动车的重要组成部分，根据课题要求，论文首先对选题背景、袋 求进行了分析，提出了太阳能电动车车架的初步设计方褰，包括车架炎型的确定、进 楗、主要结稳足寸定义竣及连按方式豹选器管。囊矮u g 较孛对车絮遂行三维实l _ 奉逡 模并在此基础上利用a n s y s 软件对其进行有限元分析。在施加相应泼荷、约束后以 梁单元对模型进行单元划分，形成了车架有限元计算模型。在此模型的基础上首先进 行了静态性能分棼亍，褥到了车絮在静态工掇下浆应力分礤效变形清猿。通过建立太麓 能电动车车架的动态有限元模型，分析了车絮的模态章b 响应等动态瞧魏，分别讨论了 车架前十阶固有频率和振型。根据理论分析结果可知，原先提出的设计方案中太阳能 电动车车架强度、剐度偏大，潮此论文以重爨为目标函数对太阳能电动车车架进行了 饶佬设计。考虑翻太阳麓毫动车车黎匏连接澎式采瘸象黧瀚胶簿技术，为了验证其褥 性，论文又详细分析了胶焊技术和点焊技术相比在应力分布方面的优籽，据此形成的 车架结构达到了原设计指标的要求。 关键谪：太阳能嘏动车，车架，有限元，优优，胶焊 联士论文太孵能连载车霉絮设计及理论分点蠢 a b s t r a c t t h ef r i n g ei so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp a r t so fas o l a rc a i a c c o r d i n gt or e s e a r c h d e m a n d ，t h ep a p e ra n a l y s e st h eb a c k g r o u n do f t a s ka n db r i n g sf o r w a r dt h ee l e m e n t a r y d e s i g n s c h e m eo ft h es o l a rc a rf r a m e ，w h i c hi n c l u d e sc h o o s i n gt y p ea n dm a t e r i a l ， c o n f i r m i n gm a i nd i m e n s i o n sa n d c o n n e c t i o ns t y l e a f t e rh a v i n gb u i l tam o d e lo fs o l a rc a r f r a m ei nu g ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ( f e a ) o ff r a n a ei sc a r r i e do u t ，t h e nl o a d s ，c o n s t r a i n s a n dm e s h e sa r ea p p l i e do nt h em o d e l f i r s t l y , b a s e do nt h i sm o d e ls t a t i cs t r e s si sa n a l y z e d a n dt h es t r e s sd i s t r i b u t i o n so ft h ef r a m eu n d e rv a r i o u ss t a t i cw o r k i n gc o n d i t i o n sa r e a t t a i n e d ；s e c o n d l y , m o d a ia n a l y s i s o ft h ef r a m ei sc a r r i e do u ta n dt e nr a n kn a t u r a l f r e q u e n c i e sa n dm o d e so f 氆ef l a m ea r e r e c e i v e d t h e n 。t h er e s p o n s eo ft h ef r a m ei s a t t a i n e db yt h es t r e s sr e a c t i o ns t i m u l a t e db yr o a ds u r f a c e a c c o r d i n gt o t h er e s u l to f a n a l y s i s ，s t r e s sa n dr i g i d i t yo f t h ef r a m ei t s e l fa r eb i g g e rt h a nt h ea n a l y t i c a ls t r e s sa n d r i g i d i t y , s oo p t i m i z a t i o nd e s i g ni sc a r r i e do nt or e d u c et h ew e i g h to f t h ef r a r r l e b e c a u s e m a n y w e l db o n da r eu s e di nt h ec o n n e c t i o no ft h ef r a m e ，t h ef i n a lo ft h ep a p e rc o m p a r e s w e l db o n dw i t hp o i n tw e l di ns t r e s sd i s t r i b u t i o n sa n dd r a w sac o n c l u s i o nt h a tw e l db o n d i s b e t t e rt h a np o i n tw e l di ns t r e s sd i s t r i b u t i o n ，飘艟f r a m eb a s e so na b o v ea n a l y s i sm e e t st h e r e q u e s to f p r i m a r yd e s i g n k e y w o r d s ：s o l a rc a r , f r a m e ，f e a ，o p t i m i z a t i o n , w e l d b o n d 碳士论文 太辩镌龟葫车车絮设计及理论分析 1 绪论 。 论文选题背景 2 l 篷缀汽车爨将楚人钓蒸要鹁交遴工爨，在蠛赛蕊霆痰，对汽攀戆零求鏊褥拷续 增加。汽车在为我们带来方便的同时，随之带来了很多相关的负面问题，如：噪声、 污染、爱滋瀵糕簿赫手翊舔。露太鬻戆惫渤车能焱缀大程度上缓解这些润题。它以太 阳的光能为原始动力灏，通过太阳能电池，将太硝能转讫为电能，由姥驱动电机带动 车轮运转。和俺统的汽车不嗣，太阳能电渤车己缀没肖了发动机、鞭动轿j 变速箱等 总成，而主要怒由电池板、储电器和电机及其它总成组成，电动车的行驶是通过控制 流入电机的电流来实现豹。和一般内燃枫汽车轺眈太黼能电动车其肖如下优点：不消 耗恁球戆源、冤污染、恶嚣裰羧黄魏装甏、嗓声低，袋子绿色舔缣车辆，它代表了汽 车发展的新水平，因此被人们称为“未来汽车”。 太阳熬电动车车絮稼菇冀它慧戏煞安装基葵，妊矮承受逢动i 睾番总裁懿矮爨酾鸯 效载荮以及行驶过程中产生瓣力和力矩。必此，车嶷蛰架必须嶷餐足够的强度釉逶当 的襁转刚腹，阊时应毯曩减轻质量，还葵使电动车其锯一定的行驶平顺性。所以，在 完成对太阳能电动车车浆结构设计的基础，对冀迸彳亍强度、鲤度校核、振动分析以 及优化设计( 主要是质麓优化) 是墩要的。由于太阳能电动车零件的连接形式采粥了 瑟王艺 瓣璐有的生产线蛊接生产镪传疆难等缺点，所隧镪会金枣孝辩在汽车t 髓後髑还不魑缀广。 太阳能电动车的车架出予用材少、非批麓生产，并鼠隳求车架的羹量尽可能的轻 ( 整个车架包糕獒它总成的安装基傣的憨殿蘩小于5 0 x g ) 等特点，且随着铝台金楗 秘簿矮技术的不鞭提高，瓣藏太阳能惫动车车絮静幸葶糕采惩锯台念瓣辩还是可取懿。 2 2 3 车架几何建寸的定义 穰据总布鼹鼓术指标鼗求，定义太弼熊电麓车懿静藏尺寸魏下： 长：5 0 0 0 r a m ； 宽：1 8 0 0 m m ： 蠢：1 5 0 0 m m ； 辘距：2 4 0 0 r a m ： 轮距：1 3 0 0 m m 。 因此，攀絮的几僻尺寸必须以满足熬率夕 廓尺寸必瓣提。 车柒死秘尺寸包括：牵絮豹长发、宽发、蕊艘激及缓横梁截瓣尺寸等。 2 2 3 1 车架外踯| f 芒寸的确定 ( 1 ) 举架静长震 车架的长艘蔓要由太阳熊电动车的夕 廓尺寸决定。 由于车架鼗支撑顶部的太阳能电池掇，所以车柴的长度述要考虑太阳能电动车的 辅鼷与顶部太鞠锈电池投鹣长菠。 级粱是车蘩审主要黪承载元件，其长度一般为耱躐鹩1 4 l ，7 绪。校据窜黪外 壳的尺寸及其结构形式，太阳能电动牟的车架长度( 即憨体式纵梁在x 方向的长艘) 必3 2 4 0 m m ，熬零满足上述魄例要求。 ( 2 ) 车架豹宽发 对于内燃桃汽车而言，率絮的宽度怒指左、右纵梁腹缀外侧之阀酌宽度，太阳能 窜絮的宽度主鼹搬左右两侧纵梁圆管的轴线程y 方向上的距离，它疑轮距及懋絮撵 魏元稃鹣限铡。从提意整举麓搂囱稳定镶淤及减少窜絮多 铡装嚣臀熬憨 幸长魔卷羲， 希缀车架尽慧爨藏，但车絮太浇必然等效缎构用材增瓤，车絮蹭整，激动车动力瞧变 麓，所以必须两者兼顾。 檄据车身翳奄饕，太辩戆漱动举擎絮宽度选定必6 0 0 m m 。 ( 3 ) 车架静蠢爱 第6 疆 额士论突 太强娩宅羲车车浆避诗艇理论绔辑 车架的高度受艇车的高度限制，考虑到电动车的行驶稳定性，兼顾剿整车的重量 限制，确定车架嘏架的高度为3 5 0 m m ，局部车架的高度为7 2 0 m m 。 孳黎豹慧毒嚣尺寸懿下( 鞠滔2 t 2 ，l 葳示) ： 赘2 2 1 车絮憨毒置圈 f i g 2 2 1 f r a m e l a y o u t 2 。2 3 ，2 车架纵、横梁截耍形状艇尺寸的确定 般内燃机汽车的纵梁是车架中主要的承载元件，藤长度大致接= i 质整车长度，一 般为轴距的1 4 1 7 倍：其形状应力求简单。断面沿长度不变或减少变化，以简化工 艺。经过初步售葵，太阳裴电韵车车絮所受媛大应力与最小应力差值魄较小，所以车 架缴梁采用等截磷材料。 一般纵梁的断面有槽形、工字型、箱形、管形和z 形等几种形式( 如图2 2 2 所 示) 。 匡疆 槽形工字型z 字形 管形 图2 2 2 截面形状 f i g 2 ，2 2 s e c t i o n s h a p e 横澎薮覆抗鸾强度大，零 串安装紧嚣方蠖，应蠲广泛，毽菰褪性纛，其在长疫銮 颤蔓+ 沧交式鬻裁龟霸车车紫装汁及理论纾耩 向t 不易弯曲，会引起应力集中现象。 工字形截面和z 形断面的擎架，工艺简单，但纵粱和横梁连接处的结构复杂。 罄彭鼗瑟豹优点是结提麓罄，翳予弯夔，工艺麓擎。软点是在具褰穗鞫懿转动漤 健矩下用材较多，构件之间的述接不方便。 横梁的作用熄连接左右两纵梁而构成一框架，从而保证车架具有足够的抗扭刚 度。此外还要有支承各主要总成敬作爱。其戳蘧形状和纵粱一样有槽彤、工字型、籁 形、管形和z 形等几种。 由于太阳能电动车车架的煎量较小，车架承受的弯艇和扭矩也不大，且纵粱在长 度方向上需要进行弯曲变形工蕊处理，所以纵粱和横梁的结构均采用管形结构。 凌结鞠竣诗辩，为了初步稳定缀粱图餐黪截嚣尺寸( 蘩壹径帮壁浮) ，籁作以 几点假设： ( 1 ) 纵梁为支承在前后轴上的简支梁： ( 2 ) 整车的镀载质量均热在麓支梁上； 3 ) 所有内外载荷圭鲁通遥截面的形心( 怨略局部掇转产生的影确。 阁此车架可以简化为图2 2 + 3 的简支梁模型。 f jll1 ，l11 八 篇 f 0 再；曩 l l | u i 。芑l 3 一i l 4 踅2 。2 。3 筏支粱模壅 f i g 2 ，2 3s i m p l es u p p o r tb e a m m o d e l ( 1 ) 确定计算弯矩 强2 2 1 3 孛，最为承受的顼藏邀遮叛熬熏鬟；q ，为驾驶爨耋量豹等徐均布载萄：q ： 为蔷电池及风扇盼等价均布载荷。根据太阳能电动车的竞赛规则，驾驶员的质鬃 m 8 0 x g ；蓄电池及风扇的总质量m 2 “6 0 x g ；顶部电池板的质量m ，= 5 0 x g 。所 以： f ：堑! 竺：! ：婴：1 2 2 5 n 44 疋= e 一1 2 2 5 n q 】= 5 t 5 n m 第8 蠹 硕士论文太阳能电动车车架设计及理论分析 q 2 = 2 3 7 n m l i = 7 4 0 r l t l m l 2 = 7 6 0 n m r r l l 3 = 1 2 4 0 m i d _ l 4 = 5 0 0 m l n 因此车架的弯矩图如下图2 2 4 所示 h 3 图2 2 4 弯矩图 f i g 2 2 4b e n d m o m e n t 其中： m l = 一9 0 6 5n 肌 m 2 = “1 2 5n m m 3 = 8 2 n m 考虑到电动车在行驶过程中受动载时的最大弯矩，可在最大静弯矩前乘一动载系 数k ，由于电动车的行驶路面状况较好，取k = 2 3 ，此动载系数考虑了实际行驶中 遇到的最高路障时的载荷增值。如果再考虑纵梁在动载作用下将产生疲劳，对疲劳的 影响可用疲劳系数表示【”1 ，此值取1 4 ，故动载下的最大弯矩为： m d 一= 3 x 1 4 x m 一= 3 x l a x i m i i = 3 x 1 4 9 0 6 5 = 3 8 0 7 3 n ( 2 ) 纵梁截面尺寸的确定 由于纵梁在长度方向上截面尺寸无变化，所以在最大弯矩处其弯曲应力达到最大 值盯。 设d 为管外径( 单位m m ) ，d 为管内径( 单位m m ) ，取管壁厚2 m m ，d = d 一4 。 令：口：旦：型：1 4 账一争2 丽1 0 0 0 x 丽m a r e ! 饥 ( 2 2 1 ) 其中仃。为纵梁材料的疲劳极限，此处铝合金d 0 = 2 0 0 m p a 。 第9 页 硕士论文 太雕齄电动孳车絮设计及理论分板 由2 2 1 式得：d 3 7 7 m m 。 按标准传手瑟取d = 4 0 r a m 。 黼。等。争1 0 0 0 。丽m a m a x 3 2 叭h 堑4 0 41ll ( 3 ) 纵梁抗弯刚度的初步校核 为了缳谖熬车帮冀它安装在太辫缝邀韵车车絮上其它慧袋豹芷鬻工终，对激粱的 最大弯曲扰度虚加以限制。根据纵梁所受载荷，计算得纵粱的位移圈如下( 图2 2 、5 ) ： c 图2 2 5 级粱豹绞移 f i g 。2 2 5d i s p l a c e m e n to f l o n g i t u d i n a l 根据计算结果，纵梁的鼹大扰发凡。= 3 2 4 m m = 受+ b 2 x + b 3 y 在进取位移模式厩，经过变换使有关系式： p b ，y ) = u ( x ，y ) 艿( 墨y ) p ( 3 + 1 ，3 ) 其中： e ，y 冀单元内强点位移矩阵； 0 ，y ) 形状酗数矩阵，宙穗移模式得出： 侈( x ，y ) 节点位移矩阵。 由节点位移求应变 簌弹性力学阂瑟孛，节熹肉馁一熹茳移鸯疰交之霾豹关系爵宙翔下凡嚣方程采确 定： 荬审： 描方淘赘节蠡痰变： 第1 5 鞭 蠢 加一赫 m一蠡扣一砂。， 卫耋百骘抄 鼓 勺 | | 叫 硕士论文 度矾髓电动车车架设计殷理沦分析 s 。一v 方向的节点瘦燹； y 。垂赢于“向平砸且与v 囱平行的切应变。 丽节点内任点位移又可由单元节点位移来确定( 见式3 1 3 ) ，代入式( 31 4 ) 后t 便 霹德蕊元痰任点成交与擎元节煮像移之麓懿关系，麓纯戒缒簿方程为： 和 ；陋弦y ( 3 1s ) 蒸中：妊 单元内任点应交： b 几俘矩终，其中蛰无豢均为只与单元性艨有关的鬻鐾； 弦单元节点位移。 幽成变求应力 利阁弹性力学中的弹性方程就可由单元应变求出单元节点内威力，霹成蜷阵方程 形式懿下： 扫 = 【d 耠 ( 3 ，1 6 ) 其中：活 单元内任一点应力： | d l 弹投愆眸； 话 节点内任一点位移。 将式( 3 + 。5 ) 代入式( 3 1 6 ) 则褥： 扫 = 陋i b 弦= i s 黔 ( 3 ，1 7 ) 英孛：器】雉蹲】与襻靛矩络泌】戆煮桊，洚豢整矩簿 由应力求节点力 由艨功原壤可求得单元节点力与单元内征点成力闻的关系为： 妒 。= 鎏ro - f ( 3 ，1 ，8 ) 其中： ，矽革元节点力矩阵； f 嚣f 几何矩阵静转置； 扫 单元内任点应力； t 擎元浮发； 单元灏积。 将式( 3 1 6 ) 代入( 3 i 8 ) 可樽： 扩p = 磐f p p 羚严t a = 陋 ( 3 1 9 ) 朝：扩y = 瞳p 和 至姥，镬得到了单元节点力与单元节点往移之间的美祭，也得磁了平瑟三角彤筚元在 此谴移模式下豹单元剐凄矩终表达式： 泌= 泌fp 薹器凇 ( 3 。1 。l o ) 强大兹l 线性势褥珐熬。 ( 4 ) 支持从徽枫、工作站到臣型机的所稳硬传平台，以及所有平台之阈的并行计簿。 ( 5 ) 可与大多数的c a d 软件集成并有接口。应用a n s y s 提供的数据接口，可精确 憋穆在c a d 系统下然成瓣几何数攒馈入a n s y s 中，减少蹩新建模所需的时 间。 ( 6 ) 方便酶二次开发功熊。瘟焉宏、参数设计语言、鬻户霹编程糁蝗、蠲户蠡定义 界面语蠢、外部命令等功能，可以开发适合自融特点的应用程序。 箍1 7 菱 硕士论文 太阳能电动车车架殴计及理论分析 3 3 太阳能电动车车架有限元模型的建立 3 3 1 车架模型的简化 由于太阳能电动车车架材料为规则的管件结构，并且截面在长度方向上没有变 化，所以完全可以用直线代替实际管件，根据骨架的特点，采用a n s y s 空间梁单元 进行模拟和分析。抽取骨架的中心线作为a n s y s 分析的对象，可以很好的拟合骨架 结构。采用这种线框结构在不降低计算精度的前提下，大大简化了车架的实际结构， 显著减少了模型划分的单元数目，从而减少了计算时间。 由于车身骨架的结构比较复杂，在不影响计算精度的前提下，为了简化计算，在 建立有限元计算模型时，采取以下一些简化措施： ( 1 ) 略去次要杆件。如车架两侧的车身安装支架，车身安装支架所受力以等效 形式加在车架的左右两侧的下边的纵粱上。 ( 2 ) 把临近节点合并，以减少。营, n i j 度方程的阶数，改善刚度矩阵 k 】的状态和减 少数字敏感的可能性。如在太阳能电动车车架的三个约束处作此处理。 ( 3 ) 对于车架顶舱部的弧线部分作直线简化。 简化后的车架几何模型如图3 3 1 所示。 3 3 2 单元的选择 图3 3 1 车架简化几何模型 f i g 3 3 1 f r a m em o d e l 车架模型建完以后，下一步就是对其进行单元的选择。 用于车架有限元分析的常用单元有：杆单元( l i n k ) 、薄壳单元( s h e l l ) 、实体单元 第1 8 页 鍪塞燕苎 奎! ! 壁垒鲎羔兰窭鍪堡垒型笙坌篓 ( s o l i d ) 、梁单元( b e a m ) ，下面简要分析各单元的特点和太阳能车架有限元分析单 元躺选择。 ( t ) 抒单元( l i n k ) ：其有两个塞壹凄x 、y ( 平_ 蟊) 帮只承受释方囱瓣拉压。三令 自由度x 、y 、z ( 空间) ，三个方向能移和沿杆方向的拉压。可计算杆方向的 应力和位移。由于车架照关心的是弯曲和扭转，懿然轩单元不适合车架分析。 ( 2 ) 薄壳单元( s h e l l ) ：轰体艨覆t 远小予蠢体中蘧最，j 、兹率半经震时( 一般当 f r 0 0 5 时) ，称为潜巍。具有u x 、u y 、u z 、r o t x 、r o t y 、r o t z 六个 自由度；与其有相同跨成相同材料的崽梁相比，曲拱具有更大的承载力。太阳 能电动车车架的材料形状多数为管状，可考虑采用s h e l l 单元，但车架所用三 耱墅奉季为：套4 e ( 壁簿2 m m ， ，r = 0 1 ) ；垂3 0 ( 蹙簿2 m m ，f r = 0 t 3 3 ) ： m1 0 ( 壁脬l m m ，t r 一0 1 ) ，显然不满足薄壳要求，如果使用s h e l l 单元，汁 算精度会大大降低。 ( 3 ) 实蕻单元( s o l i d ) ：其套u x 、u y 、u z 、r o t x 、r o t y 、r o t z 六个塞由度。 一般用于体零件，若车絮采用实体单元，则在圆铃的径向至少划分3 个网格， 每个网格的长度为2 3 = 0 6 6 7 m m ，由于整个管长与管件壁厚的比值相差太大， 采用实钵罄元会使整个车架单元会划分的太细，缀影响计算速艘，并且精度魄 较低。 8 7 图3 3 2 b e a m 4 单元自由度 f i g 。3 3 2d e g r e e s o f f r e e d o mo f b e a m 4u n i t ( 4 ) 粱单元( b e a m ) ：b e a m 4 单元可以承受单向的拉伸、压缩、扭转和弯曲。此单 元在每一个节点上有6 个自由度，它们分别是u x 、u y 、u z 、r o t x 、r o t y 、 r o t z ( 熬灏3 3 。2 瘊承) ，b e a m 4 攀元可以较好的满足车絮酝受弯翅情况的分 析。 通过以上分析，太阳能电动车车架拟聚用梁单元对熟进行单元划分。 第1 9 磺 硕士论文太阳能电动车车架设计厦理论分析 3 3 _ 3 单元的截面、实常数及材料的定义 在对太阳能电动车车架有限元静态分析中，b e a m 4 包含两种截面： ( 1 ) 外径中4 0 m m ，壁厚2 m m 的圆管； ( 2 ) 外径中3 0 n m a ，壁厚2 m m 的圆管。 对应截面( 1 ) 的实常数为： 面积：a r e a = 2 3 9 1 0 - 4m 2 ； 绕y ，z 轴的惯性矩：，y y = 1 z z = 4 3 l 1 0 m 4 ： 沿z ，y 方向的最大厚度：t k z = t k y = o 0 5 n z t i l ( 定义实常数序号为1 ) 。 对应截面( 2 ) 的实常数为： 面积：a r e a = 1 7 6 x 1 0 - 4m 2 ； 绕y ，z 轴的惯性矩：删= i z z = 1 ，7 3 1 0 。8 m 4 ； 沿z ，y 方向的最大厚度：t k z = t k y = 0 0 4 ( 定义实常数序号为2 ) 。 对应两种实常数的材料相同，都为铝合金材料。弹性模量：e = 7 1 0 ”j p 口，泊松 比：v = 0 3 ，密度：p = 2 8 5 0 。 3 3 4 网格的划分 有限元分析的基础是单元划分，所以，将研究对象划分为等效节点和单元是有限 元分析的必不可少的步骤。对于一个复杂的物理系统来说，为了得到足够精确的计算， 需要成千上万个单元，a n s y s 提供了方便的网格划分工具，以使程序自动对实体模 型进行网格划分，从而将实体模型转化为有限元模型”。 在a n s y s 程序中，有限元的网格是由程序自己来完成的。太阳能电动车车架采 用a n s y s 自带的自动网格划分( s m a r ts i z e ) ，选取6 级划分精度。智能网格的等级 控制是由其算法决定的，s m a r ts i z e 先根据指定的精度，对将划分的线估算单元边长， 然后对线相交或临界区域进行细化，这能使得网格的粗细比例确当。 图3 | 3 3 为太阳能电动车车架的网格单元。图中“1 ”表示铝合金材料直径为中4 0 ， 壁厚2 m m 的单元，图中“2 ”表示铝合金材料直径为由3 0 ，壁厚2 m m 的单元，每一 个“l ”或“2 ”表示一个网格单元，整个车架划分成7 4 6 个单元，共7 1 7 个节点。 第2 0 页 颤蠹论文太耀莪龟葫车车絮设诗& 毪论分耩 3 3 5 模型载荷的施加 图3 3 3 车絮刚格单元 f i g 。3 3 3m e s hu n i t so f f r a m e 掰谮载葡( l o a d s ) 是疆熬热到结稳上瓣貔理条件，色括广义的力秘约束边露条 件。a n s y s 中，载荷包括边界条件和外部溅者内部作用力函数。在结构分析中，裁 荷包括位移、力、压力、温度、重力等。太阳能电动车攀架的自由度约束( d o f 约 寒) 童要包摇蔫、轰悬桨夔羲囊终寒。 太阳能电动车车架的计算载荷主要有： ( 1 ) 车架的自重。主要憝横梁与纵粱。 ( 2 ) 载重。驾驶员重量。 ( 3 ) 其它总成及设备重爨。包括顶电漶横重量、率蹙矫壳重量、瞽电滩总成薰 量等。 车架的自重以均布载荷的彤式加载，驾驶员、蓄电池的重量以局部均布载荷的形 式麴鼗，嚣毫洼校、车轰重羹茨稳应连接震翁集孛载芬形式热鼗。 在求解车架的总刚度方程时，要有足够的约束条件，消除车架的憋体刚体位移， 才能求出车架因变形而引起的节点位移。为了消除空间遮动的六个自由度，可设置如 鹜3 3 。4 瑟示豹支痰约衷来滚麓这个要求。越约束状态穗警予霜三令支瘗把车架支承 在三个试验点上。 第2 l 甄 硕士论文太阳能电动车车架设计及理论分析 a 图3 3 4 支座约束 f i g 3 3 4 r e s t r i c to f s u p p o r t i n g 进行有限元分析时，在右前侧车轴a 处约束x 、y 、z 三个自由度，左前侧车轴 b 处约束x 、y 两个自由度，在后轴c 处约束y 、z 两个自由度，三点处r o t x 、r o t y 、 r o t z 自由，这样就可以消除三个方向的刚体位移。 3 4 车架的静强度分析 34 1 车架静强度预算 根据上节建立的有限元模型，利用a n s y s 解算器对其进行解算，得车架在垂直 方向上的最大静变形为- 嘣= 2 7 8 7 m m ，发生在车架右侧后端的纵梁上。车架的静应 力分布如图3 4 1 所示： 图3 4 1 车架的静应力分布 f i g 3 4 1s t a t i cs t r e s sd i s t r i b u t i o no f f r a m e 从应力分布云图可以看出，车架的最大应力为：盯一= 2 2 4 m p a ，最大应力发生 第2 2 页 硕_ 上论文太阳能电动车车架设计及理论分析 在右侧下纵梁的前端( 右前悬架处) 。 由以上计算结果可以看出，车架的静变形较小，车架强度比较宽裕，但电动车在 行驶过程中的加速、减速以及遇到障碍时车架的变形和应力情况将发生很大的变化。 下面将对电动车在不同行驶工况下的静强度进行分析。 车架的计算工况主要包括： ( 1 ) 车架受非对称垂直载荷。这种工况是指太阳能电动车单侧车轮驶上路面凸 起障碍或陷入凹坑时，车轮与路面冲击时发生的最大动载荷。 ( 2 ) 紧急制动时，由惯性力引起的最大纵向动载荷。 ( 3 ) 转弯时的侧向力。 由于太阳能电动车整车重心较低，且车身侧倾而产生的侧向力很小，可以忽略不 计，下面仅对第( 1 ) 、( 2 ) 种工况进行分析。 3 4 2 非对称垂直动载工况 假定纵向力和侧向力均为零，非对称垂直工况下的f 知由下式确定9 1 ： = k 只 ( 3 4 1 ) l ：女。( e ，一e ，) 拿 ( 3 4 _ 2 ) 式中e ，、e ，左右前轮上的作用力，e ，+ 只，= 鼻，e 是前轴总载荷； b 前轮轮距： k 。非对称垂直动载系数，由于在这种复杂工况下不允许车速太高，故可取 k z n = 1 3 。 在进行有限元模拟时，路面不平度高度吃可取h 。= 2 5 0 m m 。换算到弹性元件支座 处，左右支座下降值分别为+ 7 0 m m 与7 0 m m ，这样便可达到模拟实际不平路面的目 的。 在右前侧车轴处约束x 、y 、z 三个自由度，左前侧车轴处约束x 、y 两个自由 度，在后轴约束y 、z 两个自由度，三点处r o t x 、r o t y 、r o t z 自由度。 解算后得该工况下应力分布及变形如下( 见图3 4 2 和3 4 3 ) ： 第2 3 页 硕士论文 太阳能电动车车架设计及理论分析 图3 4 2 非对称垂直工况位移图 f i g 3 4 2d i s p l a c e m e n ti nu n s y m m e t r i c v e r t i c a ll o a d i n g 图3 4 3 非对称垂直工况应力图 f i g _ 3 4 3s t r e s si nu n s y m m e t r i cv e r t i c a ll o a d i n g 由应力分布云图可以看出，车架的最大应力为：盯。= 4 2 m p a ，发生在车架上纵 梁与座舱骨架的连接处。车架的最大变形为1 0 7 m m ，远远超出静载变形量。 硕士论文 太阳能屯动车车架设计艇理论分析 3 4 3 紧急制动工况 紧急制溯时，律角在车轮上的侧内力摄小，可忽略不计。作用在前后车轮上的最 大纵向应力分别为： 匕l = g l 鲈 ( 34 3 ) 乒2 = m 2 q 轳 ( 3 4 聿) 式中：g 。，g ：太阳能电动车前后轴上的静载葡； m l ，m 2 作用农前后轴上的负荷转移系数，m l 取1 3 ，m ，取1l ； 妒道路黠着系数，取0 8 。 耩阻， = m lg 1 妒= 1 3 5 2 8 6 0 8 = 5 4 9 7 n 如2 = m 2 g 2 妒= 1 1 3 4 7 6 0 8 = 3 0 5 9 n 相应加猩前轴左右侧的惯性力为：只。2 = 5 4 9 7 1 2 = 2 7 4 9n ，加在后轴的惯性 力隽：2 3 0 5 9 n 。 假定制幼时前后轮间时达到最大制动强度，则由制动引起的惯性加速度； a m z x = 。g o 8 x 9 8 = 7 6 4 m s 2 。 在右裁铡车轴处约窳x 、y 、z 三个童由度，焘蔫铡车辘处终裘x 、y 掰令蠡由 度，在后轴约束y 、z 耩个自由度，三点处r o t ) ( 、r o t y 、r o t z 自由度。 该工况下应力分布云图如图3 4 4 所示： 图3 4 4 制动时车架应力分布图 f i g 3 4 。4s t r e s su n d e rb r a k i n gc o n d i t i o n 瓤上分布云图可戳餐灞，车架静最大应力值为：盯= 2 3 2 弼船，发生在右侧下 第2 5 页 硕士沦文太阳能电动车车架设计及理论分析 纵梁的前端( 右前悬架处) 。与车架在静载下作对比表明，太阳能电动车在紧急制动 时，车架的最大应力没有显著的变化。由此可见，由紧急制动而产生的纵向力对车架 应力的影响较小。 3 5 本章小结 本章采用a n s y s 空间梁单元对车架静强度进行模拟，抽取车架中心线作为分析 对象拟合骨架结构。采用这种线框结构在不降低计算精度的前提下，简化了车架的实 际结构，显著减少了划分的单元数目，从而减少了计算时问。 通过初步分析可知，太阳能电动车车架静强度和刚度都能够满足设计要求。太阳 能电动车车架在非对称垂直动载工况和紧急制动工况下，发生在车架纵粱与座舱骨架 连接处的最大应力值为4 2 m p a ，远小于车架材料的许用极限应力。 以上只是从静态角度对太阳能电动车进行性能分析，而电动车在行驶过程中由于 行驶速度较快，主要承受动载作用，动载是引起车架疲劳甚至失效的主要原因，因而 还必须从动态角度对太阳能电动车架做进一步分析研究。 第2 6 页 硕l 。论文太阳能电动车车架设计及理论分析 4 太阳能电动车车架动态性能分析 4 1 概述 动态设计是现代的设计方法之一，它克服了静态方法的局限性，强调从结构的整 体考虑问题，在性能校核中考虑了振动的因素。通过模态试验和有限元动态分析提供 的信息，研究汽车零部件或整车的振动情况，从而为改进和提高汽车产品的质量提供 理论依据。汽车车架受到来自路面的激励而产生振动，如果某些结构设计得不合理， 由于振动产生的弯曲、扭转等变形，将会造成某些部件疲劳破坏，甚至断裂。所以振 动不仅影响汽车的平顺性，还将影响汽车的使用寿命 2 3 1 。 本章将对太阳能电动车车架进行动态分析，计算车架的固有频率与相应的模态振 型，通过固有频率与振型从整体上考虑车架的总体刚度与局部强度问题，计算车架在 动态激励下的响应。 通过模态分析法辨识结构的模态参数，对于给定的系统，系统振型向量的比值与 固有频率都决定了系统的固有属性。如果己知结构的固有频率，便可以在设计和改进 时使结构的固有频率避开其在使用过程中的外部激励频率范围。 对于设计出来的太阳能电动车车架能否满足振动方面的要求，一般用该车架的低 阶频率来进行结构设计评价田l ，其评价指标为： ( 1 ) 车架低阶频率( 即一阶扭转和弯曲频率的值) 应高于非簧载结构的固有频 率，以避免发生整体共振现象。 ( 2 ) 车架弹性模态频率应避开激励的频率范围。 ( 3 ) 车架振型应尽量光滑，避免有突变。 4 2 车架模态分析 模态分析主要用于决定结构的固有频率和振型，这是动态载荷作用下结构设计中 的重要参数，因此对车架进行固有特性的模态分析是很有必要的。 4 2 1 模态分析理论 对于一个无阻尼且满足上述条件的系统，对应的自由振动方程为： f + 【k k = 0( 4 2 1 ) 对于线性系统，该方程的解为： 第2 7 页 硕士论文太阳能电动车车架设计1 ；6 乏理论分析 i = 审jc o s ( d j t ( 4 2 2 ) 则模型圆频率珊的特征方程为： 忪卜2 阻】= 0 ( 423 ) 解该方程，得到圆频率( 特征值) 及其对应的特征向量。 对车架这样具有很多自由度的大型系统，求出其全部固有频率和振型向量是非常 困难的，也是没有必要的。而系统较低的若干阶固有频率及相应的振型向量对其影响 的贡献最大，故在研究系统的动态性能时，只需要了解少数的低阶固有频率和低阶振 型 2 钔。 4 2 2 车架模态分析 a n s y s 软件提供了6 种模态分析方法：s u b s p a c e 法、b l o c kl a n c z o s 法、 p o w e r d y n a m i c s 法、r e d u c e d 法、u n s y m m e t r i c 法以及d a m p e d 法。 s u b s p a c e 法精度高，但计算速度慢，并且对形状较差的实体及壳单元的处理不理 想；p o w e r d y n a m i c s 法速度快，但是如果模型中包含形状较差的单元或矩阵构成不好 时可能不收敛，并且不进行s t u r m 序列检查( 即不检查遗漏的模态) ，这会影响有多 个复频的多阶模态：r e d u c e d 法适用于求解小到中等模型的多阶模态：u n s y m m e t r i c 法适用于刚度和质量矩阵为非对称的问题( 例如声学中流体一结构相互作用问题) ， 并且不能用s t u r m 序列检查，可能遗漏所求解频率的一些高频端模态；d a m p e d 法用 于阻尼不能被忽略的问题。 b l o c kl a n e z o s 法采用了l a n c z o s 算法，求解速度快，精度高，并且采用了s t u r m 序列检查，在用户感兴趣的频率范围内，在每个漂移点处如果找不到所有的特征值， l a n c z o s 法会给出提示信息，弥补了丢根的缺陷1 4 】，所以太阳能电动车车架的模态分 析采用此法是比较适宜的。 在本课题的研究过程中，利用a n s y s 中的m o d a l 模块对太阳能电动车车架进 行模态分析。在讨论车架的自由模态时，取与模态试验的约束条件相同，将车架用一 根柔性的弹簧吊起，使其处于自由状态下进行分析。具体悬吊方法是：车架纵梁前端 左右两侧各用一根柔性的弹簧吊起，后端用一根柔性的弹簧吊起，即采用三点悬吊式， 最终求得车架前十阶的固有频率和振型。前十阶频率如表4 2 1 所示： 第2 8 页 硕士论文 太阳能电动车车架设计及理论分析 表4 2 1 车架自由状态前十阶固有频率 阶次 l234 56 78 9 1 0 频率 2 6 1 94 0 7 86 5 9 27 5 3 08 4 7 38 6 8 89 5 6 11 0 3 8 41 0 73 11 2 1 0 3 ( h z ) 变形 扭转弯曲扭转弯曲弯曲弯扭弯扭弯扭弯扭弯扭 情况变形变形变形 变形 变形 组合组合组合组合组合 车架前十阶振型图如下( 图4 _ 2 1 至图4 2 1 0 所示) 图4 2 1 车架一阶扭转模态 f i g 4 2 1f i r s tr a n kt o r s i o nm o d a lo ff r a m e 第2 9 页 硕士论文 太阳能电动车车架设训及理论分析 图4 2 2 车架二阶弯曲模态 f i g 4 2 2s e c o n dr a n kb e n dm o d a lo ff r a m e 图4 2 3 车架三阶扭转模态 f i g 4 2 3t h i r dr a n kt o r s i o nm o d a lo f f r a m e 第3 0 页 碛士论文太鼯耗宅砖聋霉懿设计厦理论分辑 燃4 2 4 车架职阶弯曲模态 f i g 4 。2 4f o u r t hr a n kb e n dm o d a lo f f r a m e 图4 2 5 车架矗阶弯曲模态 f i g 。毒。2 5f i f t h sr a n kb e n dm o d a lo f f r a m e 第3 l 剪 里塑：堕。 查塑墼曼塑至! 鳖丝蔓热黧堡坌堑 圈4 2 ，6 举絮六狳夸莛缝合模态 f i g 4 2 6s i x t hr a n kb e n d & t o r s i o nm o d a lo f f l a m e 圈毒。2 。7 车熬七黢弯拯缝会模态 f i g 4 2 7s e v e n t hr a n kb e n d & t o r s i o nm o d a l o ff r a m e 第3 2 页 硕士论文太阳能电动午午架设计及理论分析 图4 2 8 车架八阶弯扭组合模态 f i g 4 2 8e i g h t hr a n kb e n d & t o r s i o n m o d a lo ff r a m e 图4 2 9 车架九阶弯扭组合模态 f i g 4 2 9n i n t hr a n kb e n d & t o r s i o nm o d a lo f f r a m e 硕士论文太m 能电动车车架设计及理论分析 图4 2 1 0 车架十阶弯扭组合模态 f i g 4 2 10t e n t hr a n kb e n dm o d a lo ff r a m e 从以上计算并绘出的前十阶振型图可以看出，第一阶振型是车架绕其中部纵轴的 垂直扭转振型，这表明当车架以该阶模态振动时，整个车架将产生扭转振动；第二阶 振型是车架绕其中部横轴的水平弯曲振型，这表明当车架以该阶模态振动时，整个车 架将产生弯曲振动；三阶振型是以车架扭转为主，当车架以该阶模态振动时，整个车 架将产生扭转变形；第四、五阶振型是弯曲振型；第六至第十阶振型是扭转与弯曲的 组合模态振型，当车架以这些阶模态振动时，车架表现为扭转与弯曲的组合变形，但 与前几阶振型相比，车架变形幅度小，甚至表现为局部变形。 自由模态与实际工作状态下的模态存在较大差别，而影响驾乘舒适性主要是实际 工作状态下的模态，因此下面将继续讨论实际工况下太阳能电动车的车架模态。 按照实际工作状态约束车架，并将车架各附件以质量单元的形式加载到车架上， 将三个车轮自由度全部约束，约束模型如图4 2 1 1 所示： 第3 4 页 颈士论文 太阳能电动军车絮设计艇琏论分析 黼4 2 1 l 车絮窳际工况自由魔约束 f i g 4 2 2 - lld e g r e e so f f r e e d o mc o n s t r i c t i o no f r e a lc o n d i t i o n 求褥实琢工疆下车絮掇魏鹃藤卡除频率，翔整碡，2 ，1 2 所示： 图4 2 1 2 实际工况下前十阶频率 f i g 。4 。2 1 2 f i r s t t e nr a n k s f r e q u e n c y i nr e a l c o n d i t i o n 幽计雾络聚 如图4 2 + 1 2 掰示) 可番嬲，实际工凝下车檠静阉露颓攀毽院黩幽状 硕上论文太阳能电动车车架设计及理论分析 态下的小得多，这是由于： ( 1 ) 路面不平度的影响，对电动车运动所引起的激励多属于2 0 h z 以下的垂直振动； ( 2 ) 非簧载质量的固有频率一般为6 h z 1 5 h z 。 结合模态频率、模态振型可以看出，车架的一阶扭转模态频率( 2 6 1 9 h z ) 避丌 了路面对太阳能电动车车架的激振频率范围，高于非簧载质量的固有频率，不会发生 共振，即实际工况下的车架频率不与任何频率发生耦合，能够很好地与舒适性评价指 标相符，因而，太阳能电动车车架能满足舒适性要求。 4 3 车架谐响应分析 谐响应分析主要用于分析持续的周期载荷在结构系统中产生持续的周期响应，以 及确定线性结构承受随时问按正弦规律变化的载荷