微型新能源汽车底盘结构静强度分析及优化设计

王道胜，史振萍

（德州学院汽车工程学院，山东 德州 253023）

微型新能源汽车底盘结构静强度分析及优化设计

王道胜，史振萍

（德州学院汽车工程学院，山东 德州 253023）

文章主要针对微型新能源汽车三种危险工况下底盘结构的屈曲强度分析，并对其结构进行优化。采用solidworks软件建模，导入ansys中进行屈曲强度分析，得到微型新能源汽车应力和变形变化情况并以此为依据进行结构优化，有效的保证了微型新能源汽车的结构强度，延长了工作寿命。

新能源汽车；有限元分析；屈曲强度；结构优化设计

CLC NO.: U469.7 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)01-21-03

前言

随着全球能源日趋短缺，环境污染及全球变暖问题日趋严重，新能源汽车被各国普遍关注，甚至被提高到关乎未来国家产业竞争力的高度。在电动汽车的各结构中底盘结构是最基本的，负责连接其它零部件,是主要的承载部件，各种载荷都作用在底盘结构上,底盘结构的性能指标在电动车设计中十分关键，所以底盘结构的结构分析及优化设计意义重大[1]。

1、有限元理论基础

有限元法是把结构整体分解成一定数量离散单元进行分析计算再由微小单元结构强度和变化组合成整体强度和变形的过程，有限元法的主要分析过程包括：结构离散化、离散单元有限元分析、集成分析和结果分析[2]。主要分析流程图如图1所示。

图1 有限元分析流程图

有限元法在计算时的特点为化整为零和化零为整，鉴于汽车结构受力的复杂性，汽车底盘结构分析及优化若使用传统结构分析则需要反复优化和计算，有限元法的运用则大大缩减了计算过程和工作量[3]。

2、微型新能源汽车底盘结构受载分析

微型电动车底盘主要由主底盘、副底盘两部分构成，主底盘由两侧两根长纵梁、两根短纵梁和若干根横梁组成，副底盘由两根纵梁和四根横梁组成，这种主副底盘结构可以使底盘空间利用率最大化。该底盘长 2450mm，宽 1280mm，主、副底盘采用标准的矩型管型材焊接而成。具体电动车整车参数如表 1 所示：

表1 微型新能源汽车主要参数

微型新能源汽车电动车的主要危险工况包含三种：包括对角两轮悬空、转弯和紧急刹车，分别称为I、II、III工况。

2.1 电动车有限元分析及结构优化

三种工况下分别对其进行屈曲强度分析和变形分析，电动车骨架底盘主要由Q235材料焊接而成，材料参数如表2。

表2 底盘材料属性及力学性能

底盘采用solid187单元建模，以尺寸为5mm的六面体网格划分，在工作状态下电车一般保持50km/h速度前行，前端主要载荷为发动机和控制器重量；中间部位载荷为座椅和乘客质量；后端主要为蓄电池重量，单元数量为4989个，网格数量为24781个。I工况应力分析云图如图2，变形云图如图3，由于篇幅限制，工况Ⅱ、Ⅲ的应力及应变云图不再展示。

图2 底座最大应力云图

图3 底座最大变形云图

分析可知：微型新能源汽车在工作工程中，主要的受力和变形主要出现在中间两横梁位置，I工况下最大应力为199MPa，最大变形为5.78mm。Q235材料所允许的屈曲强度235MPa，若取动载系数为1.3，则许用强度为180MPa，新能源汽车底盘最大强度已大于许用强度，影响了汽车正常寿命。综合三种工况受力在底盘中间部分焊接一根连接架连接中间两横梁，后半部分减震连接处加焊两根支撑梁，可以有效的减小应力集中现象。

2.2 优化后模态分析

模态分析的具体工作方法是获取材料结构特征值和特征矢量，特征值就是要知道结构振动的一些基本振型对应的频率[4]，在实际应用中，有时为了加强振动，应尽量接近基本频率，有时为了避免共振，应避开这些基本频率。基本频率是辨别结构变形快慢的参考，也是结构整体刚度的代表，如果结构的基本频率低，代表结构刚度很低，相反，如果频率很高，则代表结构刚度很高[5]。振型的变化是材料在相应激振频率下的变形趋势，可以根据变形趋势改变其结构刚度。优化后底盘虽然可以有效降低其应力强度和变形，但对于其是否会产生共振仍不能保证，为保证其良好工作性能，对优化后底盘进行十阶模态分析，获取其十阶模态下固有频率，跟汽车工作过程中激震频率对比，验证其动态结构特性[6]。

微型新能源汽车在工作过程中，主要受电机工作频率和路面激励为主，其中电机工作频率为40HZ-60HZ，路面激震频率为15HZ。跟表4对比可以发现，易发生共振的区域主要出现在二阶到四阶之间，但其与固有频率均不会出现重合。

3、结论

鉴于新能源汽车寿命较短的问题，在三种工况下对新能源汽车中间部分和后轮部分进行优化并对优化后微型新能源汽车进行十阶模态分析，有效的提高了微型新能源汽车寿命并验证其不会产生共振的特性。

[1] 胡雪芳.基于有限元法的某SUV后部碰撞分析研究[J].郑州大学学报(工学版),2016,01:1.

[2] 游建军.基于有限元法的方柱美化天线强度校核[J].机电工程技术,2016,Z1:124-127.

[3] 曾耀明,史忠良.中外新能源汽车产业政策对比分析[J]. 企业经济,2011,02:107-109.

[4] 孙浩然.日本新能源汽车产业发展分析[D].吉林大学,2011.

[5] 蔡力钢,马仕明,赵永胜,刘志峰,杨文通. 多约束状态下重载机械式主轴有限元建模及模态分析[J]. 机械工程学报,2012,03: 165-173.

[6] 刘昌领,陈建义,李清平,仇晨,罗晓兰. 基于ANSYS的六缸压缩机曲轴模态分析及谐响应分析[J]. 流体机械,2012,08:17-21-26.

Analysis on Buckling Strength of Chassis Structure of New Energy Minicar and its Optimal Design

Wang Daosheng, Shi Zhenping
( Texas college of automotive engineering institute, Shandong Dezhou 253023 )

A This paper focuses on the analysis on buckling strength of chassis structure of new energy minicar under three kinds of dangerous working conditions, and the optimization of its structure. It adopts solidworks software for modeling, then leads it into ansys to conduct buckling strength analysis, then gets the changing situation of stress and deformation of new energy minicar, and on this basis, carries out structure optimization, thus effectively guarantees the structure strength of new energy minicar and prolongs its working life.

New Energy Car; Finite Element Analysis; Buckling Strength; Optimal Design of Structure

U469.7

A

A1671-7988 (2017)01-21-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.01.009

王道胜（1990.08—），男，本科，就读于德州学院。