新能源汽車車架有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

葛家琪　張計(jì)軍　潘漢平　王蕊

摘 要：從汽車行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)看，電動(dòng)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(dòng)汽車的車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)電動(dòng)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(duì)象，分析現(xiàn)有的受力特點(diǎn)，找出其中的設(shè)計(jì)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(dòng)汽車 車架 有限元分析 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1 前言

隨著國(guó)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(guó)家號(hào)召，選擇將油改電是最時(shí)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(duì)其進(jìn)行定性和定量分析具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

本文以某型新能源汽車車架作為研究對(duì)象，通過有限元分析，對(duì)車架在滿載工況下進(jìn)行靜態(tài)分析，從實(shí)際出發(fā)，形成可指導(dǎo)工程實(shí)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(jiǎn)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(dòng)汽車，采用Q345結(jié)構(gòu)鋼構(gòu)成的邊梁式車架，車架總長(zhǎng)為2405mm，最大寬度為：1285mm，為兼顧計(jì)算精度與計(jì)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(duì)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(gè)車架模型離散為1152289個(gè)單元，1252870個(gè)節(jié)點(diǎn)。

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(píng)估車架的強(qiáng)度和剛度，可以確定車架在彎曲和制動(dòng)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(shí)際受載工況對(duì)其施加載荷，并添加邊界條件，其中電動(dòng)機(jī)450N，動(dòng)力電池1500N，乘客1700N，車架1700N，其他4300N，對(duì)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(shí)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(yùn)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(dòng)工況

施加極限載荷和邊界條件后，運(yùn)用ANSYS有限元分析模塊，得到制動(dòng)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(píng)判要求。

通過彎曲和制動(dòng)工況分析，兩個(gè)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(dòng)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(xiǎn)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(dòng)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(duì)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(xiǎn)區(qū)域，為了進(jìn)一步提升其強(qiáng)度耐久性，需要對(duì)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(diǎn)，人、電池、電機(jī)等組件都是左右對(duì)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(duì)承受更大的受力。考慮到剛度和強(qiáng)度較低的情況，同時(shí)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(dòng)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(duì)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(píng)估，按照焊縫疲勞強(qiáng)度分析標(biāo)準(zhǔn)BS7608，對(duì)于角焊縫m=3，C=106進(jìn)行疲勞強(qiáng)度計(jì)算。

計(jì)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(dòng)汽車車架結(jié)構(gòu)當(dāng)做主要研究?jī)?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(jì)目標(biāo)，對(duì)車架進(jìn)行滿載彎曲和制動(dòng)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(duì)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(jià)值。

基金項(xiàng)目：廣西生態(tài)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2019 年院級(jí)課題立項(xiàng)項(xiàng)目：純電動(dòng)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(jì)［J］，機(jī)械制造與自動(dòng)化. 2022，51（04）.

[2]何文斌，姚恒陽，馬軍，李一浩， 純電動(dòng)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(jì)與制造. 2020（09）.

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