采用榫铆结构的铝合金车架静力学性能分析

单清云 高群 熊会元

摘要：

本文研究对象是由东莞中山大学研究院和深圳五洲龙集团研发的新型轻量化纯电动中巴。在本次分析，整个框架皆是用同一种截面的杆件来搭建，而承受扭矩最大的地方，实际上是在底盘大梁附近，因此实际情况可能优于本次分析的情况。具体差别有待后续对车身框架进行更加详细的分析比较。

车身框架所受最大绕Z轴弯矩最大的地方在车身立柱与副车架连接的部位，因此在该部位的连接需要做特别的加强处理，以确保该位置足以承受端点的侧向弯矩

关键词：结构分析;ANSYS 静态特性有限元

引言

现代汽车绝大多数都具有作为整车骨架的车架。车架处于车身和车桥之间，也是乘员、车身、水箱、电机和电池包等的承载体。车架的强度、刚度直接影响整车的使用寿命、舒适性、车内噪声、操纵稳定性等基本性能[1]。因此，验证客车车架在一定载荷条件下是否满足设计要求，对于其结构的优化设计，提高客车车架的工作效率和使用寿命都是非常重要和必要的[2，3]。

本文研究对象是由东莞中山大学研究院和深圳五洲龙集团研发的新型轻量化纯电动中巴。根据分析需要，首先应用CAD技术完成三维实体建模，并对模型进行简化;然后，应用有限元方法对该客车结构进行静力学性能分析、并提出合理化的建议。这项工作对全面掌握该客车的力学特性、提高设计水平和设计效率、缩短开发周期、提高我国在车身方面的自主开发能力具有积极的作用。

1.中巴车架建模

本文运用Pro/ENGINEER软件对中巴车架进行三维实体建模，并使用圆杆代替复杂截面来对车架进行简化，获得关键点坐标以及线条划分;运用命令流将车架的关键点坐标和线条划分导人有限元分析软件ANSYS 12.1中，形成中巴车架的有限元模型。

1.1中巴车架三维实体建模

由东莞中山大学研究提供的设计图纸及相关技术参数，运用Pro/ENGINEER软件进行三维实体建模，获得中巴框架模型如图1所示。使用直径为20mm的圆杆代替有复杂截面的铝合金杆件，以此对中巴框架进行简化处理。

1. 提取关键点及线条

简化框架共提取关键点276个，线段477条。由于穿梭中巴并非左右对称的结构，因而需要对整个框架进行建模。使用命令流的方法，将关键点坐标及划分的线段导入ANSYS中，获得模型。

1. 中巴框架静态特性分析

2.1边界约束、载荷处理及网格划分

在右前悬挂支撑点设置限制所有自由度的约束，以此为基准点。其他3个悬挂的支撑点只限制Z轴方向（即车身上下方向）上的运动，允许其他5个自由度。

在座椅支架上方分布20个乘客（包括司机）的载荷，单个乘客的质量为75Kg，施加3倍重力，力的方向沿Z轴负方向，总大小为F1=20×75×3×9.8=44100N。

在电池包放置的地方分布电池包的载荷，其中车身右侧在车门两侧各放置一个80Kg的电池包，车身右后侧放置一个50Kg的电池包;在车身左侧中部放置3个80Kg的电池包，电池包同样施加3倍重力，力的方向沿Z轴负方向，总大小为F2=（5×80+50）×3×9.8=13230N。

车架总体施加压力为F=F1+F2=57330N，由于电机是属于簧下质量，所以并未加上载荷。

以R=20mm的圆形截面，采用Beam188单元，单元边长为50mm，对线框单元进行划分网格。

1. 计算结果及分析

经过ANSYS的计算求解，得到杆件轴力图、杆件扭矩图、绕Y轴弯矩图，绕Z轴弯矩图。

由分析可知，车身框架所受最大轴向压力为9030N，受最大轴向拉力为7358N。因为乘客载荷是直接加载在座椅支架上，所以车身左侧支架上的轴力响应要比底盘的响应要明显，但9030N的轴力是铝型材可以接受的范围之内。车身框架所受最大扭矩为666081N·mm，也就是666.081N·m。在本次分析，整个框架皆是用同一种截面的杆件来搭建，而承受扭矩最大的地方，实际上是在底盘大梁附近，因此实际情况可能优于本次分析的情况。

具体到车身框架，在受到绕Y轴弯矩最大的地方，即车身地板上绕杆件端点水平转轴转动的杆件，杆件所受最大绕Y轴弯矩为146000N·mm，也就是146N·m。由图10可知，车身框架所受最大绕Z轴弯矩最大的地方，即车身立柱绕立柱端点水平转轴转动的杆件，杆件受到的最大弯矩为495576N·mm，也就是495.576N·m。

1. 结论

由于本次分析对该中巴的结构进行了较大幅度的简化，而且载荷加载相对于该中巴的实际情况来说，过于集中于几个关键节点，因此分析结果会与实际情况有所出入，但对于该中巴框架的载荷分布大致情况，可以有较为直观的了解。

在本次分析，整个框架皆是用同一种截面的杆件来搭建，而承受扭矩最大的地方，实际上是在底盘大梁附近，因此实际情况可能优于本次分析的情况。具体差别有待后续对车身框架进行更加详细的分析比较。

车身框架所受最大绕Z轴弯矩最大的地方在车身立柱与副车架连接的部位，因此在该部位的连接需要做特别的加强处理，以确保该位置足以承受端点的侧向弯矩。

[1]周中坚，卢耀祖.机械与汽车结构的有限元分析[M].上海：同济大学出版社，1997.

[2]尹衍丽.三轴测试转台结构的静动态特性分析及实验研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2000.

[3]高卫民，王宏雁.汽车结构分析有限元法[J].汽车研究与开发，2000（6）：30-62.

作者简介：单清云（1988-），男，山东潍坊人，学历：本科，主要研究方向：电动汽车。