某電動物流運輸車車架強度分析及結構優化

張明楊，任愛華，孫章棟，張 楠

(湖北汽車工業學院，湖北 十堰 442000)

0 引 言

車輛行駛過程中，來自內外的各種載荷作用于車架上[1]，其力學性能對整車的承載能力和安全性有重要影響[2]，因此利用有限元法對車架進行靜力學分析，提高其可靠性具有重要意義[3]。葛彥竹和張鐵山根據對車架進行靜強度分析的結果改進其結構設計，提高了車架的可靠性[4-5]；吳凱佳基于對車架的靜力學分析進行優化，減輕車架重量同時提高模態頻率[6]；陳遠帆和王亮以強度分析結果為基礎，對車架優化提高了車架可靠性同時達到輕量化的目的[7-8]；周友明通過對車架進行強度分析驗證替換材料后的可靠性[9]。

上述文獻均以對車架強度的分析為可靠性驗證和優化的依據，但設計的工況不盡相同。筆者以HyperWorks有限元軟件為分析平臺，基于垂直、左轉向和右轉向三種工況對目標車架進行靜力學分析，通過了解各工況下的應力分布從而對車架薄弱處進行優化，使其強度滿足性能要求。

1 有限元模型建立

目標車架由十根長梁與若干短梁接合而成，屬于綜合式車架，車架梁屬于矩形管結構，梁與梁之間采用焊接進行連接。車架總長3 880 mm，總寬2 280 mm。

1.1 網格劃分

通過去除部分較小的孔、槽結構簡化車架模型[10-11]，并根據企業提供網格質量標準(如表1)對車架進行網格劃分。標準焊點連接情況用殼單元處理。

表1 網格質量

最終網格劃分如圖1所示，其中網格單元數量為196 362，節點數量為193 522。

圖1 車架網格化

1.2 定義材料屬性

材料選用45鋼，其各項屬性如表2所列。

表2 材料屬性

2 典型工況分析

2.1 預設工況

結合車架可能面臨的實際工作情況設計三種工況環境，如表3所列。

表3 工況描述

假設使用目標車架的車輛在一般城市道路上平穩行駛，可能產生的加速度和選用的安全系數見表4所列。

表4 給定系數

2.2 創建約束

結合實際情況，在車架懸掛和板簧處創建約束，以圖3中有限元軟件的全局坐標為參照，建立一個用以描述約束情況的坐標系，xyz軸正方向與軟件所示全局坐標一致。

車架在垂直、左轉向和右轉向三種工況下的約束情況見表5所列。

表5 約束情況

添加約束位置如圖2中箭頭指示位置所示。

圖2 約束位置描述

2.3 分布載荷

如圖3所示，車架所受載荷主要來自于水箱、電池包及其他電器。

按照設計要求，設水箱質量1 000 kg，電池包及其他電器質量400 kg，通過剛性單元Rigids將其產生的載荷均布加載在車架與其接觸部分的網格節點上，如圖4。

圖3 車架載荷結構 圖4 車架載荷

三種工況下車架載荷如表6所列。

表6 不同工況下車架載荷

3 計算結果與分析

進行靜力學分析，得到目標車架在垂直、左轉向、右轉向三種工況下應力云圖，如圖5所示，其中箭頭標注處為最大應力處。

圖5 車架應力云圖

三種工況下最大應力情況如表7所列。

表7 最大應力情況 /MPa

結果表明，垂直工況下最大應力小于45鋼屈服強度，左轉向工況和右轉向工況下最大應力均大于45鋼屈服強度。

4 優化設計

為滿足車架工作時的強度需求，使車架最大應力小于材料屈服強度，通過增加x,z方向的支撐梁分擔載荷(如圖6所示)，從而達到使薄弱處最大應力變小的目的。

圖6 加強筋示意圖

加裝支撐梁后，左轉向、右轉向工況應力最大處位置不變，如圖7、圖8所示。

優化后薄弱處應力大小見表8，最大應力分別減小了38.32%和37.88%，均小于材料屈服強度，滿足性能要求。

圖7 優化后左轉向應力云圖 圖8 優化后右轉向應力云圖

表8 最大變化應力情況

5 結 語

以某物流車車架為研究對象，通過有限元軟件進行靜力學分析，發現僅垂直工況下車架強度滿足性能要求；在左轉向和右轉向工況下的最大應力分別為496.668 MPa和492.608 MPa，超過了材料屈服強度。采用添加支撐梁的方法對車架進行結構優化，優化后車架在左轉向和右轉向工況下的最大應力分別為306.354 MPa和306.001 MPa，分別減少了38.32%和37.88%，滿足了車架強度要求，增加了該車架的使用壽命。