基于ANSYS的電動汽車框梁組件動力學分析

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力總成及其他附件系統，并承受相應的沖擊載荷，限制動力總成的位移等。傳統汽車主要用于固定發動機和變速箱，而相對于電動汽車，支撐的部件為電機和減速器，框梁的承受工況會有所差異。框梁能否在電動汽車的工況下滿足使用要求，就需要做嚴格的動力學分析。

針對電動汽車與傳統汽油車框梁上承載的動力總成差異，本文作者基于ANSYS軟件對電動汽車的前艙框梁組件作了諧響應及隨機振動分析，可以模擬框梁組件在承受電機動、靜載荷下的響應，為設計過程中規避結構疲勞、共振等不良影響提供設計依據[1]。

1 理論分析

1.1 架構分析

電動汽車最核心功能是電力驅動，采用電能作為驅動能源，電機作為驅動部件，電池作為儲能元件。其中電機及其驅動系統作為整車的動力模塊，根據整車控制器的控制指令，輸出相應的扭矩經減速器、半軸到達車輪驅動車輛行駛。其他組成部分包括電機控制器、壓縮機、DCDC、PTC和配電盒，分別實現空調制冷、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

對電動汽車框梁承載部件進行質量統計，如表1所示，其中動力總成系統為框梁的主要承載模塊。

基于架構分析及部件重力，對電動汽車框梁的主要受力工況進行了分析，包括：

(1)高壓部件及附件系統固定在懸置框梁上，框梁需要承受部件的重力作用；

(2)驅動電機固定在懸置支架上，當車輛工作時，電機控制器會將動力電池輸入的直流電流轉換為三相正弦交流電，輸入給電機產生旋轉磁場，帶動車輪轉動，這時會對框梁有個反向周期性載荷；

(3)框梁固定在車身縱梁上，與之形成穩態連接，行駛過程中通過不同狀態的顛簸路況，會存在隨機的振動載荷，通過車輪、車身作用于框梁上。

2 模型建立

利用CATIA軟件對框梁進行建模，如圖1所示，框梁的材料采用高強度結構鋼，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，屈服強度達到420 MPa。在懸置上梁上開孔，用于固定電機控制器、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向上設計有電機支架，與框梁采用兩個螺栓進行連接，用于固定電機模塊。中部設計有減速器支架固定減速器，減速器與電機Y向進行連接。

圖1 框梁模型

同時采用四面體的網格劃分方法，并設定最小網格尺寸為10 mm。

3 諧響應

3.1 理論基礎

諧響應分析是指線性結構在承受隨時間按正弦(簡諧)規律變化的載荷時的穩態響應的一種分析方法，諧響應分析的目的是確保一個給定的結構能經受住不同頻率的各種正弦載荷(例如不同扭矩輸出下電動機反向作用)；探測共振響應，必要時可避免其發生共振現象[2-3]。

3.2 施加載荷

對懸置施加邊界條件，電機支架用于支撐電機系統及其水管線束等附件，受到重力及反作用扭矩，對電機支架的3個孔位施加350 N載荷，方向為-Z向；減速器支架用于固定減速器和壓縮機，并與半軸連接，承受減速器及壓縮機的重力及轉矩和振動，對減速器支架3個固定孔位上施加400 N載荷，方向為-Z向；懸置梁結構用于固定其他高壓部件，主要承受重力載荷，對懸置上梁面上施加500 N載荷，方向-Z向，如圖2所示。

3.3 結果分析

在ANSYS Settings中設置頻率范圍和步長，設置頻率范圍為10～1 000 Hz，步長為20步，進行求解。圖3(a)為應變頻譜，圖3(b)為應力頻譜，可以看出：應力在210和280 Hz左右達到峰值；而應變在10～1 000 Hz隨著頻率的降低總趨勢是遞減的，但在480～580 Hz區間，有個明顯的上升趨勢，可以發現框梁危險頻率點主要在200和580 Hz。同時可以發現得到的應力應變值都遠低于材料的強度限值，滿足當前工況的使用要求。

圖2 邊界條件設置

圖3 響應譜曲線

4 隨機振動

4.1 理論分析

隨機振動指那些無法用確定性函數來描述、但又有一定統計規律的振動。例如，車輛行進中的顛簸，陣風作用下結構的響應，噴氣噪聲引起的艙壁顫動以及海上鉆井平臺發生的振動等[4]。

4.2 PSD參數設置

參考GB/T 28046.3—2011《道路車輛 電氣及電子設備的環境條件和試驗 第3部分：機械負荷》中實驗IV——乘用車彈性體(車身)要求，目的是檢測因振動導致的失效和損壞。車身的振動主要是由粗糙路面引起的隨機振動，此實驗的目的是為了檢測因隨機振動引起的疲勞失效[5-6]，PSD功率譜數值見圖4。

圖4 PSD功率譜

4.3 結果分析

應力應變仿真云圖見圖5，可以發現在承受隨機振動后，最大應力位置在電機支架與框梁連接位置周圍，最大應力為28 MPa，滿足材料的強度要求，最大應變在電機支架上，為0.003 mm，滿足要求，可以發現車輛隨機振動對框梁的影響很小。

圖5 仿真得到的應力應變云圖

5 結論

本文作者根據電動汽車的框梁承載工況，對框梁組件進行了諧響應及隨機振動分析。

分析結果發現：施加10～1 000 Hz正弦載荷時，在210和280 Hz左右框梁應力達到峰值，而應變在10～1 000 Hz內隨著頻率的降低總趨勢單調減，但在500～580 Hz區間，有明顯的上升趨勢，在580 Hz達到峰值，可以發現框梁危險頻率點主要在200和580 Hz。

根據GB/T 28046.3—2011設置隨機振動的PSD功率譜參數，得到隨機振動后的應力應變云圖，最大應力為28 MPa，最大應變在電機支架上，為0.003 mm，低于結構系統的設計強度。