基于ANSYS的可伸缩车载行李架结构分析

汪献伟,房以伟,倪晨倩,王金高,陈婕玮

(1. 江苏理工学院机械工程学院, 江苏 常州 213001;2. 科达车业有限公司, 江苏 扬州 225800)

1 可伸缩车载行李架的结构设计

车载行李架作为一种车辆附属设备安装在车辆顶部,可以有效拓展车辆的收纳空间,并提升驾乘乐趣[1-2].本文设计一种可伸缩车载行李架,主要由两根横杆和两根竖杆组成,横杆固定不动,竖杆通过连接件固定在横杆上,横杆的伸缩可适用于不同宽度的汽车,竖杆可根据出行携带物品的多少进行伸缩调整.横杆空心杆一端连着带有卡钩的支承座,另一端与横杆连接杆连接.纵杆空心杆一端通过连接件与横杆固连,另一端与纵杆连接杆相连.该车载行李架的横杆空心杆、纵杆空心杆、纵杆连接杆尺寸分别为40 mm×30 mm×700 mm、40 mm×30 mm×750 mm、30 mm×20 mm×800 mm,空心杆厚度2 mm,纵杆和横杆的伸缩范围分别是0.9～1.6 m、1.4～2.0 m.为了保证纵、横杆的长度可调,在纵、横杆连接杆上开有与卡子匹配的凹槽,凹槽中固定了两块带有卡槽的条形板,连接杆的两端安装了滑动套,便于滑动伸缩,空心杆的外端安装一个固定套,起引导和保护作用.杆内安装一个弹片用于固定卡子,保证调整尺寸后不会发生滑动,按下卡子处于外部的一端,卡子另一端抬起,离开条形板卡槽,使连接杆可以进行滑动,调整尺寸.松开卡子后,弹片重新压紧卡子,使卡子卡入条形板卡槽中,使行李架尺寸固定.行李架的总体结构和伸缩结构分别如图1、图2所示.

图1 车载行李架整体结构

图2 车载行李架局部可伸缩结构

2 车载行李架的结构分析及评定

2.1 车载行李架的结构静力学分析

车载行李架作为车辆附件除了要满足装饰性要求外,还必须保证车辆安全性,特别是在高速和危险路段情况下行驶车辆的安全性.本文设计的车载行李架承重范围为30～50 kg,车辆在行驶过程中,行李架需要额外承受四种典型的载荷工况,即向下、向前、向后和侧向载荷,如表1所示.行李架的纵、横杆均采用轻质、高强度的铝合金材料[1].为了保证车载行李架在最大承重、四种不同载荷工况下的安全性,基于Workbench分析平台对全伸、半伸、全缩三种不同状态下的车载行李架分别创建有限元模型并开展四种不同载荷工况下的仿真模拟[3].图3给出了全伸时车载行李架的有限元模型,整体结构采用六面体网格,单元尺寸为10 mm,单元数目为13 180,节点数目为80 398,约束形式为对其两横杆四个端面进行固定约束.半伸和全缩时行李架采用同样的网格类型和约束形式.分析结果表明,工况4引起的车载行李架的应力和变形最大.图4、图5分别给出了车载行李架在全伸、半伸和全缩时的等效应力和总变形.当车载行李架处于全伸状态时,由侧向载荷引起的最大等效应力为107 MPa,半伸状态下的最大等效应力为87 MPa,全缩状态下的最大等效应力为34 MPa.而全伸、半伸、全缩状态下车载行李架产生的最大变形分别为8.6、4.9、1.1 mm,均低于10 mm的阈值[4].

表1 工况负荷表

图3 全伸车载行李架网格模型

(a) 全伸

(a) 全伸

2.2 基于分析设计的强度评定

分析设计有别于常规设计,在分析设计中,根据外部载荷性质的不同,应力被分为总体薄膜应力、局部薄膜应力、弯曲应力、二次应力以及峰值应力等,针对不同的应力类型采用不同的评定标准,对于常规管道或压力容器,在无热载荷作用时,其局部最大应力不得超出设计应力强度Sm的1.5倍,而对于一些重要的零部件,其局部最大应力不得超出设计应力强度的1.3倍.对于车载行李架则要求其最大局部薄膜应力和薄膜加弯曲应力不得超出1.5Sm[5-8].为了获得车载行李架的局部薄膜应力、薄膜加弯曲应力,在应力最大区域即横杆空心杆与连接件连接处沿杆子厚度方向创建分析路径,通过应力线性化[9-10]提取车载行李架在全伸、半伸、全缩三种状态的局部薄膜应力和薄膜加弯曲应力,全伸状态下的应力最大,如表2所示,但远低于允许的应力阈值,具有足够的安全裕度.

表2 应力线性化 MPa

3 车载行李架的模态分析

考虑到车辆在山区或颠簸路面长时间行驶对行李架的结构冲击,有必要对车载行李架开展模态分析,模态分析的目的是为了获得行李架的固有频率和振型,固有频率和振型可以通过求解由质量、阻尼、刚度和力向量组成的有限元刚度矩阵获得[11],在求解时需要注意物理坐标向模态坐标的转换,计算式为:

(1)

由于车载行李架的阻尼很小,在无阻尼振动状态下式(1)可进一步简化为：

(2)

图6给出了全伸时车载行李架的前六阶模态,当固有频率较低时,大变形主要发生在纵杆的跨中区域;当固有频率较高时,大变形主要发生在横杆的跨中区域;当固有频率进一步增大时,纵、横杆都将产生较大的变形,但纵杆的变形量大于横杆的变形量.表3为车载行李架在半伸和全缩状态下前六阶振型对应的固有频率和最大变形,行李架在全缩状态下的各阶固有频率高于半伸状态下相应的固有频率.鉴于车辆在行驶过程中外部的激励频率通常小于30 Hz,因此车辆在颠簸路段行驶不会导致行李架的共振破坏.

(a) 一阶模态

表3 在半伸和全缩状态下车载行李架的最大位移和固有频率

4 结语

本文设计了一种可伸缩式车载行李架,并基于ANSYS-Workbench仿真计算平台,结合四种典型工况对车载行李架承载状态进行结构静力学分析.通过应力线性化提取了车载行李架中各种不用类型的应力,并进行分类评定,评定结果表明行李架内部的局部薄膜应力和薄膜加弯曲应力均低于相应的设计应力阈值,满足结构强度要求.对车载行李架开展模态分析,提取车载行李架在不同伸缩状态下的前六阶振型和固有频率,随着固有频率的变化,行李架的最大变形既可能出现在纵杆上,也可能出现在横杆上,但是无论车载行李架处于全伸、半伸还是全缩状态,其最低固有频率均较大,不会导致车载行李架结构的共振破坏.