小型电动汽车车架轻量化设计与仿真 论文

目录目 录摘要.Abstract.第1章 绪论.11.1 轻量化设计背景.11.2 轻量化设计意义.11.3 国内外汽车轻量化研究的现状.21.4 本章小结.3第2章 车架轻量化设计的理论基础和方法.42.1 轻量化设计的理论基础.42.2 有限单元法简介.42.3 ANSYS软件介绍.52.4 本章小结.6第3章 车架结构有限元建模.73.1 建立车架几何模型.73.2 将车架几何模型导入Workbench.113.3 定义车架材料并进行网格划分.133.4 施加载荷与约束.143.5 本章小结.16第4章 车架结构有限元静态分析.174.1 选择计算工况.17 4.2 水平行驶工况的模拟与分析.174.3 车轮悬空工况的模拟与分析.194.4 本章小结.22第5章 车架结构的模态分析.2315.1 模态分析的概念.235.2 模态分析理论.235.3 车架模态分析过程.245.4 本章小结.28第6章 车架结构优化设计.296.1 优化设计的概念.296.2 车架的优化设计思路.296.3 优化后车架几何模型.306.4 优化后车架有限元静态分析与对比.336.5 优化后车架动态分析与对比.356.6 本章小结.36第7章 全文总结.37参考文献.39致谢.41II Abstract21IV Abstract小型电动汽车车架轻量化设计与仿真摘 要目前，随着科技革命的推动以及人们环保意识的增强，发展新能源汽车已成为汽车行业的必然要求和大势所趋。我国作为汽车生产、消费大国，也必然需要抓住新能源汽车发展的机遇，以发展新能源汽车为契机，实现我国汽车产业的“弯道超车”，缩小与国外汽车产业的差距。新能源汽车种类丰富，包括电动汽车，氢燃料汽车等。但是，新能源汽车相比于传统能源汽车，续航里程是始终绕不开的课题，这也是制约新能源汽车发展的桎梏之一。“轻量化”为解决这一问题提供了可靠思路。不仅对于新能源汽车，轻量化技术对于传统能源汽车也具有重要意义。轻量化材料、轻量化设计与轻量化制造是轻量化学科的三大要素。其中，占据核心地位的是轻量化设计。1本文将以某小型电动汽车的车架设计为例，遵循轻量化设计思路，运用CATIA软件对车架进行参数建模，运用ANSYS软件对车架进行分析，得到轻量化设计的优化结果。关键词：电动汽车；车架；轻量化；建模;仿真1 摘要Lightweight design and simulation of small electric vehicle frameAbstractFor the time being,with the promotion of technological revolution and the enhancement of peoples awareness of environmental protection, the development of new energy vehicles has become an inevitable requirement and trend of the automotive industry.As a big car production and consumption country, China must seize the opportunity of the development of new energy vehicles, in order to develop new energy vehicles as an opportunity to realize the curve overtaking of Chinas auto industry, and to narrow the gap with the foreign automobile industry.There are many new energy vehicles, including electric vehicles, hydrogen fuel vehicles and so on. However, compared with traditional energy vehicles, the mileage of new energy vehicles is always a problem that cannot be avoided. This is also one of the shackles that restrict the development of new energy vehicles.Lightweight provides a reliable way to solve this problem. Not only for new energy vehicles, lightweight technology for traditional energy vehicles is also of great significance.Lightweight materials, lightweight design and lightweight manufacturing are three important elements of lightweight chemistry. Among them, the core position is lightweight design. 1 this article will take a small electric vehicle frame design as an example, follow the light weight design idea, use CATIA software to model the frame parameters, use ANSYS software to carry on the analysis of the frame, and get the optimization result of the lightweight design.Key words: Electric vehicle; Frame; Lightweight; Modeling22 摘要第1章 绪论1.1轻量化设计背景在中国制造2025中，国家部委已明确指出，将轻量化作为我国汽车产业发展的重要方向。节能减排作为当下汽车行业发展的必然要求，汽车轻量化是解决节约能源和保护环境的重要思路。许多汽车公司，也早就意识到这一问题，提前布局，在轻量化研究上投入了大量的资金与科研力量，取得了一定的成就。相较于二、三十年前的汽车，目前汽车的平均重量已经降低了约一半。但是，在如今新能源汽车成为发展主流，尤其是电动汽车发展势头迅猛的情况下，汽车轻量化仍有深度发展的空间。根据相关实验，表明汽车约四分之三的油耗都与其质量有关，比如滚动阻力、加速阻力、梯度阻力等。汽车整备质量每下降10%，油耗即可下降6-8%，排放下降4%；车辆质量降低100千克，汽车百公里油耗即可降低0.3-0.6升2。因此，对于传统能源汽车，汽车轻量化也具有十分重要的研究价值。轻量化是一门跨多学科的工程科学，由材料力学、计算技术、材料学和制造技术等领域的知识基础构成。轻量化的目标是在给定的边界条件下，实现结构自重的最小化，同时满足一定的寿命和可靠性要求。31.2 轻量化设计意义当前，节能、减排和安全是世界汽车产业需要面对的共性问题。因此，人们形成了减少汽车自重，降低燃油消耗，减少废气排放的共识。为了应对世界各地区日益严格的关于车辆安全、燃油消耗和汽车排放的规范，各大汽车企业都意识到汽车轻量化技术的重要性。此外，从产品角度分析，降低整车自重提高了行驶稳定性和乘坐舒适性，也提高了产品的可靠性寿命。从国情角度分析，发展汽车轻量化技术，既能缩小我国汽车产业在传统能源汽车领域与国外先进汽车企业之间的差距，也是我国在新能源汽车领域实现弯道超车的必经技术路径。421.3 国内外汽车轻量化研究的现状1.3.1国外汽车轻量化研究现状国外汽车行业对于车身轻量化的研究始于上世纪70年代的石油危机。石油危机对欧美汽车行业的冲击使得欧美汽车企业重新省视市场需要和自身的产品设计思路。此外，为满足汽车产品的安全性，排放合规，乘坐舒适性等要求，汽车需要安装的附件逐渐增加，导致汽车自重不断上升。基于以上原因，汽车轻量化逐渐成为汽车行业的普遍追求。根据美国国家公路交通安全管理局公布的统计数据，在过去的四十年间，美国新款乘用车的自重呈不断下降趋势。其中，1977年美国乘用车的平均自重为1651kg，1982年的平均自重为1275kg，降幅约为23%。预计到2020年全球乘用车的平均质量将降至1600kg左右4。鉴于当前汽车工业的技术水平和汽车产品的成本因素，可以预见，在未来的相当一段时间内，钢材仍将是汽车产品普遍采用的原材料。因此，对于汽车钢材的轻量化研究就具有十分重要的意义。在20世纪90年代，国际钢铁协会成立了超轻钢车身项目组（ULSAB），成员包括世界上18个国家和地区的35家钢铁企业。该项目组主要研究通过重新设计车身结构和改进生产制造工艺来实现整车的车身轻量化。此外，铝合金轻量化车身也是国外汽车企业研发的重点。铝具有良好的机械性能、耐蚀性、导热性和加工性，其密度仅为钢铁的1/3，因此在汽车车身轻量化领域具有广阔的应用前景。根据国际铝业协会统计数据显示，自上世纪90年代以来，铝合金在汽车上的用量增加了2倍。目前，汽车车身通常采用的的铝合金包括2000系（Al-Cu-Mg），5000系（Al-Mg），6000系（Al-Mg-51）。奥迪是最早研究全铝车身的汽车公司，其于1994年开发了第一代全铝车身，相较于传统钢制车身，质量降低了约40%，而车身的静态扭转刚度提高了40%。目前，奥迪的全铝车身主要应用于其A8豪华车型和R8超跑车型。除了高强度钢和铝合金外，镁合金、复合材料等轻质材料在汽车上也得到了一定程度的应用。镁合金在轻量化方面的应用，主要用来制造离合器壳体、转向柱架、制动器踏板支架等。在车身覆盖件和配件方面，纤维增强塑料（FRP）和碳纤维增强材料（CFRP）由于其密度小，耐腐蚀、耐冲击等特性，应用较多。但碳纤维增强材料价格昂贵，多用于高档轿车和跑车。宝马公司于2014年推出的i3纯电动汽车，是碳纤维材料在普通乘用车上大量应用的典型。i3的Life模块，创造性地将碳纤维材料用于制造乘员舱，极大的提高了车辆的续航里程。1.3.2 国内汽车轻量化研究现状我国作为汽车制造大国，已连续6年成为汽车产销量世界第一。但是应该清楚得认识到，我国的汽车产业，与国外同行相比存在着较大差距。国内汽车行业对于车身轻量化的研究，开始于20世纪90年代，在一些高校和科研单位展开。近年来，国内汽车企业也逐渐增强了车身轻量化的认识，与高校展开合作进行研究。2008年，在浙江宁波成立了我国汽车轻量化技术创新战略联盟，以攻克和掌握轻量化核心关键技术为目标开展研究。与国外相比，我国在车身轻量化方向的研究尚处于起步阶段，研究理论和研究方法还不成熟。比如：我国车企的产品在设计初期就采用轻量化辅助的范例很少，未能做到设计与分析同步。此外，国内缺乏关于轻量化设计过程中新的现代化算法的研究，分析内容通常只局限于刚度、强度和模态三个方面，不能综合考虑汽车的其他指标。目前，我国汽车企业正加大对轻量化领域研究的投入，并且取得了较大的收获。以轻量化系数为指标，吉利帝豪EC7的轻量化系数为5.92，博瑞为4.97，上汽荣威350为3.63，这一指标，虽与国外品牌的一线产品尚有差距，但也见证了国产汽车的进步与发展。1.4 本章小结本章主要介绍了汽车轻量化概念产生的背景，探讨了汽车轻量化对于革新汽车产品，缓解环境污染等方面的意义，以及国内外汽车轻量化发展的现状。通过本章的介绍，对于轻量化的概念有了初步的了解。第2章 车架轻量化设计的理论基础和方法2.1轻量化设计的理论基础轻量化设计的目的在于保证甚至提高车身整体的刚度，强度的同时，尽量将汽车的自重降至最低。汽车轻量化设计，最先考虑的要素还是汽车的功能性、安全性和耐用性，在此基础得以保证的情况下，运用轻量化方法，降低汽车的自重。目前汽车轻量化设计常采用的原则有：（1）采用先进的构造；（2）应用质量更轻且强度更高的材料；（3）采用先进的制造技术（4）在产品设计之初，通过高水平的分析方法分析掌握应力载荷与不稳定的情形5依照以上原则，轻量化设计的方法可简单归纳如下：（1）形状轻量化：在设计产品整体构型，以及选择产品所用型材的几何形状时，依据力的传递路径，综合考虑力学性能，选用质量最优化的产品形状设计方案。（2）材料轻量化：在选择应用于产品所需材料时，尽量选择性能参数更优，但质量更轻的材料。（3）制造轻量化：充分利用所有的技术潜能，实现在最少的材料使用和最少的连接点下的功能集成。2.2 有限单元法简介有限单元法的核心思想是物体离散化。物体离散化是指将某个工程结构进行单元剖分，离散成由各种连接单元组成的计算模型。将物体离散化后，单元与单元之间利用单元的节点相互连接起来。依据问题的性质，问题所需的计算精度以及所要描述的变形形态，确定单元节点的设置、性质、数目等参数。通常情况下，越细致的单元划分，将得出越精确的计算结果和更接近实际变形情况的变形描述，但也意味着更繁复的计算工作量。简而言之，运用有限元方法分析，其分析的物体和结构已经不是原有的物体和结构，而是离散为众多单元体，是由同样材料组成的众多单元体以一定方式连接形成的离散集合体。因此，利用有限元法分 第3章 车架结构有限元建模析问题所得的结果只是近似于真实结果，而如果将物体进行细致而合理的单元剖分，得到的结果将基本近似于真实结果。有限单元法分析问题是对真实问题的模拟，所得结果也是近似于真实情况的结果，是通过对分析对象划分网格，求解有限个数值来近似模拟真实情况的无限个未知量。6利用有限单元法分析问题，其过程包含3个主要步骤7：1. 创建有限元模型（1）创建或读入几何模型（2）定义材料属性（3）对物体或结构划分网格（包括节点、单元）2. 施加载荷并求解（1）施加载荷和载荷选项，对物体设定约束条件（2）对问题求解3. 查看结果（1）查看分析结果 （2）检验结果2.3 ANSYS软件介绍ANSYS软件是由美国ANSYS公司开发的大型通用有限元分析软件(FEA),是目前世界范围内发展速度最快，应用范围最广的计算机辅助工程类（CAE）软件。该软件以其多物理场耦合分析的先进技术和理念，在工业领域和科研方向都有着广泛的应用。ANSYS能对结构、流体、热、电磁情况和相互耦合的情况进行分析。ANSYS软件包含ANSYS Classical界面和新一代的CAE仿真平台ANSYS Workbench。ANSYS Workbench作为新一代的模拟仿真平台，拥有类似Windows操作方式的人机交互界面，由参数化直接驱动的CAD接口，兼容常见的CAD作图软件，具有优秀的灵活性，易用性和功能性。2.4 本章小结本章主要介绍了轻量化设计的理论基础，包括汽车轻量化设计的原则和对应的设计方法，包括形状轻量化，材料轻量化和制造轻量化。此外，本章还介绍了有限单元法的概念，有限单元法分析问题的思路和有限元分析软件ANSYS。第3章 车架结构有限元建模3.1建立车架几何模型在ANSYS Workbench平台中，其Geometry模块中包含了建立三维模型的操作，使用者可通过其提供的命令，绘制简单的三维几何模型。ANSYS Workbench作为专业的CAE软件，在有限元分析方面具有强大的功能性，但是在建立三维模型时，相较于其他大型专业计算机辅助设计软件，如：AutoCAD，CATIA，CREO等，在建立复杂三维模型时缺乏操作便利性。图3-1 ANSYS Workbench Geometry绘图界面图3-2 CATIA零件绘制界面鉴于ANSYS Workbench拥有强大的CAD文件格式兼容能力，在绘制电动汽车车架时，本课题选择使用CATIA来建立车架的三维模型。CATIA作为高档的CAD软件，具有先进的几何建模概念，丰富的几何造型命令，目前已被国内外大多数汽车生产厂商采用，拥有庞大的用户群。图3-3 本文参考车型本文设计的电动车车架，以我校车辆系实验厂房后的电动汽车为蓝本，借鉴其车架设计思路，结合轻量化设计思想，掌握小型电动汽车车架轻量化设计的流程和常用方法。通过对参考车型的观察与研究，综合考虑所设计的电动汽车的性能，设计工作的难易程度以及电动汽车成本，决定本文所设计的车架形式为兼具边梁式车架与中梁式车架特点的综合式车架，采用钢管焊接而成的桁架式车架结构。车架整体构型如图四。图3-4 车架整体构型对于小型电动汽车，车架是汽车的主要结构件和承载件，车身，座椅，悬架，动力系统，悬架装置等都是以车架为安装基础。车架承受了电动汽车行驶时大部分的内外载荷，因此，车架的布置形式和制造工艺，应保证车架在基本工况和极端工况下的强度和刚度。出于以上考虑，本次设计采用具有边梁式车架和中梁式车架特点的综合式车架。设计时，车架上布置有多根横梁，既能保证车架的扭转刚度，承受纵向载荷，而且还可以支撑，安装汽车上的主要部件，如前后排的座椅，电池架，悬架等。在选择制造车架所用材料以及制造工艺时，参考市场上销售的小型电动汽车常用材料，综合考虑采购成本和制造便利性，选用Q235材质的方形钢管。为保证车架性能与使用寿命，制造时采用氩弧焊技术进行焊接。 图3-5 车架前部组成 图3-6 车架中部组成 图3-7 车架后部组成（1）车架前部组成：安装前悬架，转向器（2）车架中部组成：安装前后排座椅，固定车身，安装电气线路（3）车架后部组成：安装后悬架，电池架建立车架三维模型后，在CATIA的模型树中为各部件定义材料属性，输入Q235钢的机械性能参数。表一 Q235钢的机械性能参数8密度7.85g/cm3弹性模量200-210Gpa泊松比0.25-0.33抗拉强度370-500Mpa屈服强度235MpaQ235钢，又称A3钢，是应用广泛的普通碳素结构钢。Q235钢含碳量适中，强度，塑性和焊接等特性可得到较好配合，综合性能较好。3.2 将车架几何模型导入Workbench建立车架三维几何模型后，须将其导入Workbench软件生成有限元模型。具体操作步骤如下：（1） 在CATIA中将车架三维几何模型另存为三维软件通用格式 .igs格式；（2） 启动Workbench软件；（3） 在工具箱Toolbox中选择静力学分析模块Static Structural,拖至工作面板，生成静力学分析文件；图3-8 Workbench工具箱及工作面板（4） 定义材料：右键Engineering data，选择编辑Edit，进入材料选择与定义截面，单击材料库按钮，找到通用材料General materials，双击，勾选结构钢Structural Steel,在结构钢属性面板输入表一所列Q235钢的机械性能参数；图3-9 定义Q235钢的机械性能参数（5） Return to project（6） 导入三维几何模型：右键Geometry，选择导入几何模型import Geometry,浏览并选择之前保存为.igs格式的车架三维模型；为防止建立有限元模型时造成错误，导入车架三维模型后，进入几何模型编辑模块，单击Generate生成模型，检查导入的模型是否有几何元素丢失，若发生此情况，找到可能的原因，重回CATIA编辑模型后重新导入Workbench。（7） 至此，车架的三维几何模型已成功导入Workbench。图3-10 导入车架三维几何模型3.3 定义车架材料并进行网格划分车架三维几何模型导入Workbench软件后，需对车架零件的材料进行定义，再对车架进行网格划分，才能在软件中生成有限元模型。具体操作步骤如下：（1） 在软件操作界面左侧模型树中，单击几何体Geometry,可以呈现车架的各个实体零件solid，单击每个零件，在下面的零件属性对话框Details of solid中，找到material选项并修改为结构钢Structural Steel，即是在章节3.2中我们已经定义的Q235钢属性；（2） 此外，在模型树中，还包括零件的连接方式Connections。其中包含Bonded（固连），No Separation（无分离），Frictionless（光滑），Rough（粗糙），Frictional（摩擦）五种连接方式。本文设计的车架采用氩弧焊技术，因此选择连接方式为Bonded（固连）；（3） 右键Mesh，点击Generate mesh，对车架三维几何模型进行网格划（4） 至此，车架的三维几何模型已在Workbench软件中生成有限元模型。图3-11 定义车架材料图3-12 车架三维模型网格化3.4 施加载荷与约束本文所设计的车架，依照参考车型的载荷分布情况，主要承担来自车身，电池组和车内乘员的载荷。因此可将车架的受力情况简化为：（1）车身，车内乘员的均布载荷，均匀作用于前、后悬架与车架的连接处；（2）电池组的集中载荷，均匀作用于电池架。在得到车架受力的简化模型后，依照参考车型数据，计算车架各受力点的数值。表二 电动车数据参数表座位数4座（含驾驶员）外形尺寸（长*宽*高）mm2790*1320*1570轴距(mm)1780轮距(mm)1000整备质量(kg)450最高车速（km/h）45电机功率（kw）1.2-1.8工作电压（V）60（1） 计算车架各受力点的均布载荷 根据已有数据可知，电动汽车的整备质量是450kg，考虑到电动车的实际使用情况，以电动车满座，包含4个乘员，人均质量80kg为例，计算车架各受力点的载荷情况。假设各点受力均匀。 F=M*g/N （3.1） F-各受力点所受集中力M-加载于车架上的总质量（包括整备质量与乘员质量） g-重力加速度，取10m/s2 N-受力点个数 计算得前悬架固定面受均布载荷0.09625MPa，后悬架固定端受均布载荷6.13MPa。（2） 计算电池组对电池架的载荷一组12V铅酸蓄电池组的重量大约为5公斤，本文设计的电动车工作电压为60V，故车架上搭载了5组铅酸蓄电池，因此，电池架需承受25kg，即250N的均布载荷。根据计算结果，在Workbench中对车架施加载荷与约束。具体操作步骤如下：（1）在软件操作界面左侧模型树中，单击 Static Structural，开始定义各受力点的受力情况。在操作界面上部的工具栏内，找到Loads,选择符合车架受力情况的载荷类型。Loads选项内包含Pressure（均布压力），Force（集中力），Hydrostatic Pressure（液体静压力），Remote force（力矩）等。依照对车架受力情况的分析，选择Pressure（均布压力）；（2）选择Pressure后，在下方Details of Pressure对话框中，对均布压力进行定义，包括均布压力的大小，方向和作用面。（3）对前悬架的固定面施加垂直于面向上的均布压力，大小为0.09625MPa；后悬架与车架通过螺栓连接，载荷作用于螺栓孔上部表面，大小为6.13MPa；电池组均匀摆放于电池架上，大小为0.001923MPa。图3-13 载荷定义界面图3-14 车架载荷分布3.5 本章小结本章的主要内容是参考现有车型，设计小型电动汽车的车架，利用CATIA软件建立三维模型，将车架的三维模型导入ANSYS Workbench软件生成有限元模型，对其进行分析前处理，包括定义材料属性和施加载荷。第4章 车架结构有限元静态分析4.1 选择计算工况强度是金属材料抵抗外力作用而不变形和破坏的能力，是衡量零件本身承载能力的重要指标。机械部件必须具有足够的强度，才能在工作时防止出现结构断裂，塑性变形和表面破坏的情况9。汽车在工作时，需要面对复杂的工作工况。比如加速，制动，转弯等工况。本文设计研究的车架，是以低速行驶的电动汽车为参照，最高车速为45km/h，因行驶速度较慢，本文选取车辆行驶过程中两种最常见的工况进行模拟分析。（1） 水平行驶工况水平行驶工况是所设计车辆平时最常见的工况，在此工况下，车架所受载荷主要来自于车身，附件和乘员的垂直载荷。水平行驶工况下，车架扭转程度有限，路面对车架的垂直反作用力使得车架在水平方向上产生弯曲变形。我们在此工况下，模拟汽车满载水平行驶时车架的受力与变形情况。（2） 车轮悬空工况车轮悬空工况是指汽车一侧车轮的前轮或者后轮悬空，此时车架承受扭转载荷的作用，车架结构出现剧烈扭转的情况。此工况多出现在不平整路面，对小型电动汽车而言，属于极端工况。我们在此工况下，模拟汽车一侧车轮的前轮或者后轮悬空时，车架的受力与变形情况。4.2 水平行驶工况的模拟与分析（1）延续第三章对车架载荷的设置；（2）单击Solution,在上部的工具栏中选择Deformation（变形）,Total deformation（总变形）；选择Strain（应变），equivalent elastic strain（等效弹性应变）；选择Stress（应力），equivalent stress（等效应力）；求解后即可在工作面板上直观地看到外力作用下车架的应力，应变，变形；（3）右键Static Structural,单击solve，对车架有限元模型进行求解图4-1 水平行驶工况下车架的总变形分布图4-2 水平行驶工况下车架的等效弹性应变分布图4-3 水平行驶工况下车架的等效应力分布分析：从计算结果看，在车辆满载的水平行驶工况下，车架的等效弹性应变和等效应力都远低于Q235钢的性能极限，最大应力max=162.51MPa，说明在此工况下，车架整体的强度要求是符合甚至远超该工况下的强度要求的。但是，由实验结果也看出，车架两侧的纵梁应力与应变较大，因此，在后续的轻量化优化设计中，还是有很大的改进空间的。4.3 车轮悬空工况的模拟与分析满载左前轮悬空工况下，加载于车架上的载荷由右前轮，两个后轮承担。按照第三章的内容，对车架进行受力分析简化后，算得每个车轮的负载，在Workbench中施加载荷和约束并求解。图4-4 左前轮悬空工况下车架的总变形分布 图4-5 左前轮悬空工况下的等效弹性应变分布 第5章 车架结构的模态分析 图4-6 左前轮悬空工况下车架的等效应力分布分析：从计算结果可以看出，左前轮悬空工况下，最大变形发生在右后轮处，其原因在于，当左前轮悬空时，汽车的重心位置发生变化，右后轮所承受的载荷增加，左前轮所在车架只需承担车轮与悬架的重量，因而变形量较小，而右后轮承载的负荷较大，导致了车架最大的变形出现在右后轮处。在这种极端工况下，车架的等效应变与等效应力相较于水平行驶工况下都有所增加。值得注意的是，在左前轮悬空工况下，右后轮所在车架出现了应力集中现象，最大应力max=262.05MPa，已经大于Q235钢的屈服极限，在车架表面出现了表面损坏，长期使用会导致焊接点断裂，在之后对车架的优化设计中需要改进。图4-7 左前轮悬空工况下的应力集中现象4.4 本章小结本章选取了电动汽车常见的两种工况，水平行驶工况和车轮悬空工况，计算其对应载荷后，利用Workbench软件进行静态分析，分析结果包括各工况对应的总形变，等效弹性应变和等效应力的云图。通过分析，对所设计车架的应力分布和变形情况有了初步的了解，为之后优化车架设计提供了参考。第5章 车架结构的模态分析5.1 模态分析的概念结构动力学分析是用来确定惯性和阻尼起重要作用时结构的动力学行为的技术。10对机械部件进行结构动力学分析的第一步工作通常是在忽略阻尼情况下，计算物体的固有频率和振型。模态分析可用于确定结构的固有频率和振型，也可用于对有预应力的结构的模态进行分析。机械结构的固有振动特性称为模态，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振形11。通过计算或者实验分析，我们可以取得这些模态参数，而这种通过计算和实验取得模态参数的过程称为模态分析。根据取得模态参数的方法，模态分析可分为计算模态分析和实验模态分析。5.2 模态分析理论对于模态分析，其经典定义为：将线性定常系统振动微分方程组中的物理坐标变换为模态坐标，使方程组解耦，成为一组以模态坐标及模态参数描述的独立方程组，以便求出系统的模态参数。12依照以上定义，坐标变换的变换矩阵为模态矩阵，其中的每列称为模态振型。无阻尼模态分析是经典的特征值问题，其动力学运动方程可描述为： M+Kx=0 （5.1）结构的自由振动为简谐振动，即位移为正弦函数： x= xsint （5.2）代入运动方程后可得：（K-2M）x=0 （5.3） 以上方程是经典的特征值问题，该方程的特征值为i2,其开方i就是自振圆频率，自振频率为=i/2，特征值对应的特征向量xi为自振频率=i/2下对应的振型。5.3 车架模态分析过程电动车在行驶时，受路面激振力影响，会产生各种形式的振动（如车轮的激振，电机的激振等）。这类振动可能导致共振，不仅会导致电动车结构的疲劳破坏，也会产生噪音，影响电动车的操纵安全性和驾乘舒适性。共振会产生噪音和对部件造成疲劳破坏，同时破坏车身表面保护层和车身的密封性。通过Workbench对车架进行进行模态分析，可以得到车架在每一模态下的固有频率和对应振型，研究车架的振动情况，从而对车架进行改进、优化。合理的车身模态分布对提高整车的可靠性和NVH性能等具有十分重要的意义。车架在振动时，存在多阶模态，每一阶模态可用一组模态参数来表示，包括：车架的固有频率，固有振型，模态质量，模态刚度和模态阻尼比等13。其中，频率和振型是最重要的参数。根据模态参数，我们可以看出在哪些频率下结构会发生共振以及相应的变形情况。在Workbench中对车架进行模态分析，具体操作步骤如下：（1）启动Workbench软件，在Analysis System中选择模态分析模块Modal，拖至工作界面，生成模态分析文件；（2）定义材料：右键Engineering data，选择编辑Edit，进入材料选择与定义截面，单击材料库按钮，找到通用材料General materials，双击，勾选结构钢Structural Steel,在结构钢属性面板输入表一所列Q235钢的机械性能参数；（3）Return to project（4）导入三维几何模型：右键Geometry，选择导入几何模型import Geometry,浏览并选择之前保存为.igs格式的车架三维模型。导入车架三维模型后退回Workbench主界面；（5）右键Model，进入Mechanical界面。在模型树Outline中，单击几何体Geometry,可以呈现车架的各个实体零件solid，单击每个零件，在下面的零件属性对话框Details of solid中，找到material选项并修改为结构钢Structural Steel，即是在章节3.2中我们已经定义的Q235钢属性；（6）右键Mesh，点击Generate mesh，对车架三维几何模型进行网格划分；（7）在模型树Outline中，单击模态分析Modal，为车架施加约束。在模态分析中，边界条件很重要，会影响零件的振型和固有频率。对本文设计的车架，根据车架与车身的固定关系，可以假设车架的前轮悬挂固定面以及车架后排座椅的固定面为固定约束Fixed Support,即在此约束面上点、线、面的所有自由度为零； 图5-1 前悬挂固定面 图5-2 后排座椅固定面 图5-3 车架约束分布（8）设置求解项：在模型树Outline中选择模态分析Modal，在其中选择分析设置Analysis Settings,在对话框中设置模态分析的最大数目为6，可以求解前6阶模态；（9）在Solution中选择Deformation（变形），Total Deformation（总变形），依次插入其余5个模态求解结果。在对应的每个模态中，定义模态阶数；图5-4 定义模态（10）求解并显示分析结果：右键Solution，单击Solve，对车架进行模态分析。经过Workbench计算，得到车架的前六阶固有频率如表三所示，车架的前六阶固有振型如图所示。ModeFrequencyHz11.47.24822.47.313表三 车架的六阶固有频率33.59.80244.86.91855.89.68166.94.845 图5-5 第一阶振型 图5-6 第二阶振型 图5-7 第三阶振型 图5-8 第四阶振型 图5-9 第五阶振型 图5-10 第六阶振型分析：为避免车架发生共振，要求车架的模态固有频率与外部载荷的激励频率相错开。外部的激励源主要包括汽车经过不平整路面时产生的振动、驱动系统、传动系统、行驶系统、转向系统等。查阅参考车辆的相关资料，该电动汽车传动系统和转向系统部件的最高工作频率是8Hz。因此，所设计车架的低阶模态固有频率应控制在8Hz以上才能避免共振发生。从软件的计算结果可以看出，车架的第一阶模态的固有频率最低，为47.248Hz。车架的最低固有频率明显高于外部激励频率，可以有效避免共振现象。5.4 本章小结本章简单介绍了模态分析的概念和模态分析理论。在Workbench软件中对所设计的车架进行模态分析，得到了车架前六阶模态的固有频率和对应振型。参考外部激励源频率，对比车架的固有频率，可以得出结论，所设计车架在常见外部激励源频率影响下，不会发生共振现象，车架不会出现明显变形。第6章 车架的优化设计6.1 优化设计的概念优化设计就是将实际工程设计问题转化为最优化问题，然后采用最优化方法，从满足要求的可行设计方案中寻找实现预期目标的最优设计方案。14优化设计是计算机辅助设计的核心内容，是现代设计方法的体现。优化设计的基本原理是：利用数学工具，将实际工程问题转化为数学方程，利用优化设计理论进行反复求解，最终寻找到一种最优的设计方案。15优化设计的数学模型，可以用如下的形式表示。目标函数：=(x1,x2,x3,.,xn) （6.1）设计变量限制范围：min(xi)ximax(xi)(i=1,2,.,N) （6.2）约束条件：min(gj)gjmax(gj)(j=1,2,.,M) （6.3）式中，-目标函数 Xi-设计变量 N-设计变量数 gi-状态变量 M-状态变量数优化设计的类型包括拓扑优化设计和结构参数优化。在产品概念设计阶段或对已有设计进行重量缩减的设计时，常采用拓扑优化设计方法。拓扑优化设计方法主要应用于静力结构分析问题中，指在一定载荷作用下，以对整体结构的强度不产生负面影响为前提，寻找设计部件中可去除的面积，实现部件质量和体积的减少。参数优化设计主要用于产品详细设计阶段。建立参数化的模型是实现参数优化设计的前提。参数包括结构参数、材料性能参数、载荷参数、受力点位置参数等16。6.2 车架的优化设计思路车架的优化设计，主要从截面的形状、结构形态、预变形的优化设计和加强筋、肋板、减重孔的布置等方面入手。此外，从轻量化角度考虑，车架的优化设计也包括零部件的材料选择和车架的制造工艺。结合优化设计的原理和轻量化设计原则，以及此前在水平行驶工况和车轮悬空工况的实验结果，车架的优化设计思路简单归纳如下：1、 结合等效应力云图，选用轻质材料管件（如铝合金，镁铝合金等）组成车架；2、 结合等效应力云图，对车架的组成管件，依据结构特点和应力水平进行分类优化；3、 依照参考车型的固定参数，如悬架类型，悬架高度，电池组安装位置，电气线路安装位置等，对现有车架的组件设计和布置进行重新设计。6.3 优化后车架几何模型依据6.2节中车架优化设计思路，对原车架做出如下改动：1.将原车架的组成管件，按照车架的结构安排和模拟所得的应力情况分类，其中车架中部组成的左右侧两根纵梁，承受后悬架载荷与后部车架结构形成的力矩，为主要承力件，选用直径40mm，壁厚3mm的Q235无缝钢管替换原来使用的50303mm的Q235方钢。此外，为改善小型电动汽车的碰撞安全性，前部车架组成中用于起保险杠作用的方钢也用此圆钢替代。附不同截面形状薄壁梁的碰撞力对比表。由表四中的碰撞力数据可知，不同截面形状的薄壁梁，承受碰撞时的能力也不同。截面形状越接近于圆形，结构的吸能量和峰值碰撞力越大，结构的抗撞能力越强。17表四 不同截面形状薄壁梁的碰撞力对比18截面形状最大碰撞力/kN平均碰撞力/kN吸能量/J长方形83.9940.2007449.5正方形89.9543.1607579.4六边形88.9549.6297625.0圆形86.5149.6497639.9 图6-1 50303mm方钢 图6-2 503mm圆钢2.由水平行驶工况和左前轮悬空工况的等效应力云图不难发现，中部车架组成中位于后排座椅下方的两根纵梁，以及前排座椅下方的两根倾斜放置的梁，在上述工况中所受应力较小，远低于Q235钢的力学性能极限，因此可换用重量较轻的铝合金材质的方钢。此外，后排座椅下方的纵梁与中间横梁的连接部位应力较为集中，最大应力值约为54MPa左右。虽然远低于Q235钢的屈服极限，但可对其布置方式进行优化，以实现更为合理的载荷分布。 图6-3 原车架中部组成 图6-4 优化后车架中部组成3.电池架的优化设计：电池架主要承载来自电池组的载荷，本文参考车型工作电压60V，由5组铅酸蓄电池供电。每一组铅酸蓄电池的重量约为5kg，全车电池组总重量为25kg，因此电池架需承载250N载荷。相较于车架主要承力杆件所受载荷，对电池架的性能设计要求可相对降低。原电池架与后排座椅固定杆件和后悬架固定杆件共同组成车架后部结构，由多节短管焊接而成的桁架结构，呈阶梯形构造。其中，电池架焊接在后悬架固定杆件上，因此后悬架固定杆受力情况复杂，变形程度大于车架其余部分，这一点在应力云图中得到验证。由于焊接工艺和焊接质量的差异，多节短管焊接而成的后部车架组成，在可靠性与使用寿命方面略显不足。此外，由人机工程学角度考虑，原电池架与其他管件之间形成的空间狭小，为更换电池或扩大电动车电池数量带来不便。基于以上考虑，对电池架优化设计如下：（1）选用铝合金方钢作为电池架的主要承力构件；（2）改变电池架的固定方式，由短管焊接固定于后悬挂安装支架，变为取消短管，直接焊接固定于座椅下方的主车架；（3）为改善后悬架安装固定支架的受力情况，水平的固定支架用圆钢替代，与竖直方向的方钢直角焊接，直接焊接于主车架的左右两侧纵梁，避免了多次焊接的复杂制造过程与焊接处的应力集中现象；（4）由应力云图可知，管件相连的焊接处多出现应力集中现象，尤其是面与面之间为直角过渡的情况下。因此，在竖直方向的方钢与水平的车架纵梁之间增加一倾斜短管，减轻焊接处的应力集中现象。 图6-5 原电池架与车架后部组成 图6-6 优化后电池架与车架后部组成图6-7 优化后车架整体构型利用CATIA自带的测量惯量命令，我们可以测得，全部组件采用Q235方钢的原车架重量为77.186kg，车架在组件材料选择、管件截面重新设计、管件合理分配等优化后，测得重量为50.68kg，相比于初始重量，车架减轻了34%，轻量化设计的成效显著。6.4 优化后车架有限元静态分析与对比依照第四章车架结构有限元静态分析步骤，将优化后车架三位几何模型导入Workbench软件，采用与原车架静态分析时的相同外部条件，施加载荷与约束，对优化后车架进行静态分析。水平行驶工况： 图6-8 车架总变形分布对比 图6-9 车架等效弹性应变分布对比 图6-10 车架等效应力分布对比对比与分析：从车架总变形图分布图可以看出，原车架前部组成，以及前排座椅下梁的变