基于ANSYS的新能源轻量化汽车车架分析与设计

陈和娟

(无锡商业职业技术学院，江苏 无锡 214153)

0 引言

随着新能源汽车快速崛起，汽车产业核心竞争力在变革，低碳、电动、智能化成为未来新能源汽车的发展方向。新能源汽车动力来源有两种：一种是油电混合动力，另一种是纯电动类型。油电混合动力类型是以燃油发动机作为主要动力，电动机作为辅助动力；纯电动类型是以特斯拉为代表的纯电车型。

世界铝业协会研究表明，车身质量对能量消耗具有很大影响，车质量每减少10%，能耗随之减少6%～8%[1]。相比油电混合动力车型，纯电动汽车彻底摆脱了燃油发动机。因此，在保证强度和安全性能的前提下，电动汽车需尽可能地降低整车质量。车架是汽车的核心零部件之一，承载了大部分零部件和货物的质量，强度和刚度必须满足一定的要求。车架轻量化技术应用是提升新能源汽车性能的创新应用，在汽车工业中具有广阔的前景。

1 技术要求

车架轻量化材料主要分为两类，一类是高强钢材料，包括普通高强钢、先进高强钢以及超高强钢；另一类是低密度材料，包括铝合金、镁合金、塑料、复合材料等。在结构方面，车架设计需兼顾赛车手驾驶时操作空间舒适性、车辆发生碰撞时保护赛车手安全性以及制造过程装配工序和使用过程维修处理的方便性等环节。根据“2020全国新能源汽车关键技术技能大赛”的赛制要求，车架采用下铝、上钢、复合材料覆盖的总体结构设计，底板框架采用强度不低于6063无缝铝合金管件的轻量化材料焊接而成，底板框架贯穿车辆前后并清晰可见，防滚架和车架均要求采用钢管桁架式结构，车架的水平轮廓尺寸不得小于底板框架的大小；驾驶舱与驱动系统、控制系统、动力电池之间须有一个防火墙。驾驶舱整个底部装配车身底板，保证赛车手在任何情况下都不接触地面，并防止杂物进入驾驶舱[2]。

2 方案步骤

车架要轻量化，还要有一定的强度和刚度。车架设计时，首先确定车架整体轮廓和尺寸，再根据人机工程性能，确定驾驶舱座椅、方向盘、加速踏板、制动踏板的位置，然后进行有限元分析，确定最佳设计方案[3]。

3 分析与设计

3.1 车架轮廓与尺寸

车架由竖杆和横杆组成，其形式主要有边梁式和中梁式两种。边梁式车架由两根位于两边的竖杆和若干根横杆组成，将竖杆与横杆焊接连接成坚固的刚性构架；底板框架的最大长度(外缘)≥ 2160mm，最大宽度(外缘)≥550mm，轮距≥1600mm。从俯视图上看，鼻翼不得超出前轮轮胎前端 600mm，要求和前轮轮胎外缘等齐；尾翼不得超出后轮胎后端500mm，要求和后轮轮胎外缘等齐；鼻翼的横向部分距离地面的高度不得超过 250mm。所有空气动力学装置的连接方式，都必须能保持足够的强度，以保证赛车在行驶时不会出现过度的震动或掉落。车架设计外形轮廓和尺寸如图1、表1所示。

图1 车架轮廓

表1 车架设计轮廓尺寸

3.2 内部构件位置

驾驶的舒适性、视野对赛车手技能的发挥起着至关重要的作用。为了使驾驶舱适合赛车手舒适，利于赛车手随时灵活应对赛场状态，设计要求主驾位置左右护栏中心线的最大宽度≥1000mm，赛车手位置左右护栏的最高点距离座椅上平面最低点的垂直距离≥300mm。座椅要符合人体工程学，对受力集中的部位进行局部加强，赛车手头盔与防滚架、车架构成的外侧平面之间的距离≥200mm，与防滚架最高外缘水平面的距离≥180mm，距离防滚架最高构件与前部横梁的连线之间的垂直距离(相当于车辆四轮水平朝天)≥100mm；赛车手肩部、躯干、臀部、大腿、膝盖、手臂、手肘、手与防滚架构成的内侧平面之间的距离≥100mm；方向盘最高边缘距离防滚架最高构件与前部横梁的连线之间的垂直距离(相当于车辆四轮水平朝天)≥50mm。驾驶舱主要尺寸如表2所示。

表2 驾驶舱主要尺寸

3.3 有限元分析

在满足上述设计要求的基础上，校验车架的强度和刚度。利用SolidWorks建立赛车车架三维实体几何模型，将模型离散化，并将结构体所受实际载荷分别作用到各单元体上，最后求出各单元体节点力和位移[4]。有限元分析可进一步指导设计师对结构耐久性、操纵稳定性、可靠性、安全性等性能进行优化，进一步解决结构轻量化的问题。

1)网格划分

车架底盘选用Φ25mm×25mm×1mm 6063铝方管；主梁、辅梁分别选用Φ25mm×1.6mm、20mm×1.2mm 4130航空管。4130航空管弹性模量为211GPa，泊松比为0.279，质量密度为7850kg/m3[5]，完成赛车架几何建模及清理的模型如图2所示。将三维建模导入ANSYS有限元软件，划分网格。网格类型为三角形网格和四边形网格混用。网格划分如图3所示。

图2 几何模型

图3 网格划分

2)刚度分析与测试

车架的刚度包含弯曲刚度和扭转刚度。弯曲刚度体现了车架在受到垂向载荷作用时抵抗弯曲变形的能力，扭转刚度体现了车架在崎岖不平路况下行驶时车身结构抵抗扭转变形的能力[6]。根据赛制要求，进行弯曲刚度、扭转刚度分析计算，并完成了抗扭转性能测试。

弯曲刚度分析时，假设车架纵向张力相同，将车架简化成一根弯曲刚度均匀的简支梁，在简支梁上任一点施加一垂向载荷，如图4所示，弯曲刚度载荷如图5所示，弯曲工况变形如图6所示，计算车架的弯曲刚度[7]如式(1)和式(2)所示。

图4 车架弯曲刚度分析示意图

图5 弯曲刚度载荷

图6 弯曲工况变形图

(1)

(2)

式中:EI为弯曲刚度，N·m2；F为施加的集中载荷，N；L为两个支撑点间的纵向距离，m；a为前支撑点到加载点的距离，m；b为后支撑点到加载点的距离，m；Z为载荷施加点处垂向变形量，mm。

施加载荷对称，经计算得EI= 51100N·m2，由此可判断车架弯曲刚度合理。

扭转刚度分析时，将车架看成是扭转刚度均匀的杆件，对其加载设定如图7所示，弯曲工况变形如图8所示。计算公式如式(3)所示。

图7 扭转刚度载荷

图8 扭转工况变形图

(3)

式中：GJ为车架扭转刚度值；T为车架所受力矩；L为轿车车身轴距；δ为车架前、后轴的相对扭转角。

经计算得GJ=3 731.05 (N·m/deg)，车架扭转刚度充足。

进行抗扭转性能测试时，检测车架、车身、底板的柔性变形和应力后恢复的性能。进行抗扭转性能测试时，要求驾驶舱的右前、左后角承受合适的向下预紧力，用液压千斤顶给车辆底板的右后角位置施加5min、150～200kg的向上压力。模拟赛项，在车辆右后方加载2000N的力，如图9所示，总变形只有3.6mm，如图10所示。变形量小，说明安全性高。整体设计如图11所示。

图9 模拟赛项扭转刚度载荷

图10 模拟赛项扭转工况变形图

图11 优化后车架的整体设计

4 结语

通过对车架的设计，建立参数化模型，对车架的弯曲刚度、扭转刚度和模拟赛项扭转刚度进行有限元分析，减小钢管壁厚，增加三角稳定结构。优化后的车架弯曲刚度为51100N·m2，扭转刚度为3731.05N·m/deg，相比前期设计开发，分别提升了 8%和11%，车辆的安全性得到了提高。根据分析筛选的设计变量进行优化，获得车架最小质量为35kg，按照模拟赛制参加比赛，测试车架总变形只有3.6mm，达到了赛规设计的要求，满足了对赛车进行轻量化改进的目的。