微型电动游览车底盘结构的静动态分析

邓 号，路春光，刘伟民

（河北联合大学 机械工程学院，河北 唐山 063009）

0 引言

电动游览车以其节能、无尾气排放﹑噪声低、使用方便灵活等特点在很多游览区得到了广泛使用。底盘是电动游览车的主要结构，电动汽车上绝大多数零部件都要靠底盘固定和连接，它是承受载荷的主要结构，是整个电动汽车的关键部件。因此，底盘应有足够的刚度和强度，同时应有合理的动态特性以减小整车振动［1］。本文应用有限元分析软件ANSYS对电动游览车底盘结构进行静态和动态分析，分析底盘在典型工况下的强度和刚度变化，确定底盘的模态参数，为底盘结构的优化及轻量化打下基础。

1 电动游览车底盘有限元模型的建立

图1为电动游览车实物图。该车底盘由主副车架组成，包括若干根横梁和纵梁，便于安装和固定其他部件；前端悬挂与减振弹簧相连，中间和后端横梁承载乘客和电池；后减振与后端横梁连接。

图1 电动游览车实物图

首先通过Pro／E建立该车底盘三维模型，然后通过ANSYS和Pr o／E的关联接口IGES文件格式将三维模型导入ANSYS系统进行有限元分析计算。在建模时，既要反映底盘的实际特征，又不能使结构太复杂，因此必须对模型进行简化［2］。底盘有限元模型如图2所示。

图2 底盘有限元模型

微型电动游览车底盘采用实体建模，所以结构分析时采用实体单元，在有限元模型进行网格划分的过程中采用了solid186单元［3］，此单元是一个高阶3维20节点固体结构单元，具有二次位移模式，可以更好地模拟不同的网格，模拟精度较高。进行有限元分析时，网格的密度划分直接影响计算的精度，经过多次网格划分和计算，最终采用单元大小为6，边缘长度为0.03的六面体网格。由于自由网格划分对于单元没有特殊的限制，也没有指定的分布模式，而映射网格划分不但对单元形状有所限制，而且对单元排布模式也有要求，划分效果更好，计算精度更高。因此本文采用映射网格划分的方法，划分单元后底盘的单元数为3 729个，节点数为28 122个。

2 强度与刚度计算

底盘是微型电动游览车的主要承载结构，其所受应力大，受力状况复杂，实际行驶中由于应力集中容易出现断裂，为此对该底盘进行以下两种典型工况的分析［4］。

2.1 弯曲工况

电动汽车在平坦路面上匀速行驶时，弯曲变形占主导地位，这时底盘受力近似于静力状态。

2.1.1 施加约束

约束既要满足底盘自身的变形不受影响，又要保证避免底盘结构的刚体位移，所以应在底盘前端悬挂处施加全自由度约束，在底盘后部与弹簧接触处施加垂直方向的约束。

2.1.2 施加载荷

载荷的正确处理要保证以ANSYS分析的结果和反映实际运行状态为前提，关键是要根据不同的计算工况来确定如何施加载荷。将发动机﹑控制器﹑电池等作为集中载荷，依据它们在底盘上的位置及与底盘连接的部位将载荷施加到相对应的节点上，乘客﹑座椅等的质量通过均布载荷施加到底盘上，应用惯性载荷对底盘重力进行处理。

2.1.3 计算结果分析

该底盘结构采用碳素结构钢，经ANSYS分析计算，底盘的最大变形量为0.653 mm，位于底盘前部，如图3所示。应力最大值为12 MPa，位于前悬梁与支架接触处，如图4所示，其应力满足底盘材料的屈服强度要求。

图3 弯曲工况底盘变形图

图4 弯曲工况底盘应力分布图

2.2 弯扭工况

电动汽车在凹凸不平的路面匀速行驶时，可能会出现一车轮瞬时悬空状态，这时扭转变形占据主导地位，底盘将承受弯曲和扭转联合载荷的作用［5］。该情况下，底盘处于满载荷状态，分析中要去掉悬空处的自由度约束，还要在此处施加车轮和悬架的质量。下面以左前轮悬空为例进行分析计算。

2.2.1 施加约束

去掉左前轮悬空处的自由度，其他约束与弯曲工况相同。

2.2.2 施加载荷

在左前轮去掉约束的位置施加悬架和车轮质量，其他载荷与弯曲工况相同。

2.2.3 计算结果分析

应用ANSYS进行分析计算，底盘的最大变形量为0.809 mm，位于底盘前部连接处，如图5所示。最大应力值为15.5 MPa，位于悬挂与支架连接处，如图6所示。底盘的最大应力满足材料屈服强度要求。

图5 左前轮悬空时变形图

图6 左前轮悬空时应力图

3 模态分析

当微型电动游览车在凹凸不平的路面行驶时，由于路面激振力会使车体产生不同程度的振动。振动过于强烈会使电动游览车某些薄弱结构产生疲劳破坏，频率达到一定值会产生共振和噪声。通过模态分析可得到底盘的模态参数（振型和固有频率），以及微型电动游览车在实际环境行驶中外部激振频率的分布状态，以使底盘结构设计的各阶模态的频率避开共振区，防止车体发生共振。

由于底盘结构的振动特性可表述为无穷阶固有振型的数学排列组合，振型对结构的影响程度是低阶的振型比高阶的振型大，而且电动游览车一般是在路况较好的情况下行驶，因此模态分析中选用前10阶振型进行计算分析即可反映底盘基本状况。用Lanczos法［6］对底盘进行模态分析计算，施加约束条件与静力分析基本相同，因为振动被假定为自由振动，所以外部载荷将被忽略。分析结果见表1。

表1 底盘模态计算分析结果

电动游览车行驶中对底盘影响较大的外部激励源主要有两方面：①由于路面不平造成的车轮不平衡激励（1 Hz～20 Hz之间）；②发动机运转造成的简谐激励［7］。其中发动机运转造成的影响不大，所以道路因素对电动汽车产生的影响应首先考虑。由表1可知，底盘4阶固有频率在路面激励影响范围内，最容易发生共振。在诸多对底盘强度的影响因素中，扭转影响较大，所以必须从提高底盘的扭转刚度入手。横梁对底盘扭转刚度影响最大，可尝试改变横梁在底盘的位置和调节横梁的横截面形状和尺寸来提高其扭转刚度。

4 结论

通过对电动游览车底盘结构的有限元分析，可以得到底盘结构各位置的变形和应力状态，确定底盘结构的薄弱环节。从静力分析结果来看，电动游览车底盘在两种工况下的最大应力均满足材料的屈服强度要求，该底盘的设计比较合理。在一车轮悬空时所受应力最大，应加强应力最大位置的结构强度，避免底盘结构出现断裂。从模态分析结果来看，底盘4阶的固有频率容易引起共振，应通过调整底盘结构，使各阶模态频率避开路面激励频率，防止车体发生共振。

［1］ 刘明辉，于学兵.客车车身结构的有限元分析方法研究［J］.湖北汽车工业学院学报，2004（12）：20－21.

［2］ 王海亮，金先龙，林忠钦.低地板城市客车车身结构有限元分析［J］.汽车工程，2002（2）：30－31.

［3］ 博嘉科技.有限元分析软件——ANSYS融会与贯通［M］.北京：中国水利水电出版社，2002.

［4］ 刘胜乾，顾力强，吕文汇.军用某型牵引车车架静动态特性分析［J］.机械，2006（4）：11－12.

［5］ 张荭蔚，顾力强.城市客车车身结构有限元分析［J］.设计研究，2003（4）：25－26.

［6］ 汪伟，辛勇.车架有限元建模及模态分析［J］.机械设计与制造，2009（11）：53－54.

［7］ 王晖云，吕宝占，朱思洪.基于ANSYS的轻型载货汽车车架模态分析［J］.煤矿机械，2007（3）：60－61.