论文部分内容阅读
摘 要：底盘作为微型电动汽车的一个关键构成部分，承受着大部分载荷，固定与连接着绝大多数零部件。在汽车底盘结构设计时，应保证底盘具有足够的刚度与强度，保证底盘结构静动态特性合理。为达到优化底盘结构目的，本文对微型电动汽车底盘结构进行了相应分析，并根据几种不同工况静态力学分析给出了底盘结构优化对策。
关键词：微型电动汽车；底盘；有限元模型；结构优化
前言：底盘结构在整个微型电动汽车构造与行驶中起着至关重要的作用，直接关系着电动汽车行驶安全性、舒适性与可靠性。由于汽车运行会面临各种各样的工况，而不同工况会在不同程度上给底盘结构带来应力作用，造成底盘结构弯曲，降低汽车安全性能，因而必须要通过底盘结构分析对其进行优化处理。
1.微型电动汽车底盘结构分析
1.1底盘结构分析
微型电动汽车的底盘结构主要由两部分构成，即主底盘和副底盘，为边梁式结构，长245cm，宽128cm。主底盘两侧由长、短纵梁和横梁组成，长纵梁和短纵梁分别为2根，横梁有若干，而副底盘则由4根横梁与2根纵梁组成。主、副底盘均采用标准的矩形管型钢材制成[1]。这种底盘结构能够实现底盘空间的最大化利用，具有重量轻、结构简单便捷、刚度大、强度高等多种优点，既便于各种零部件安装，又能够使各种部件在底盘空间上得到更好的布局，并为今后底盘结构改装优化提供便利。微型电动汽车底盘结构参数主要有载重量、最大行驶速度、最大爬坡度、输出功率等。
1.2有限元模型建立
对微型电动汽车底盘结构进行分析，了解了电动汽车底盘构造之后还需要构建有限元模型，进行有限元分析。使用ANSYS软件对底盘结构进行有限元建模。实际上ANSYS软件可以识别几何模型与有限元模型两种模型，几何模型建模有实体建模和直接对结构进行建模两种方法，但几何建模对于工作量大、结构过于复杂的底盘结构不适用，可能会造成计算不准确、精度不高问题[2]。而作为一种专门的数学模型——有限元模型则可以较好的避免上述问题，因而本文决定对电动汽车底盘结构进行有限元模型建立。
有限元模型由节点和连接节点的网络构成，在ANSYS软件中，可以通过两种渠道来建立底盘结构有限元模型，一种是直接在软件中利用各种工具绘制图形，一种是利用其他绘图软件构建模型，然后再将模型导入到ANSYS软件中，转化成该软件可识别的有限元模型[3]。相比其他软件，采用ANSYS软件进行底盘结构有限元建模，在网格处理设置方面具有明显优势，可以很早将模型分解为所需要的有限元模型，即借助软件之间的关联接口将模型对应的属性输入到ANSYS软件，就可以实现对模型的分析计算。电动汽车底盘结构单元刚度矩阵模型如下
其中，{K}为单元节点力矩阵，[K]为单元刚度矩阵，{δ}为单元节点位移矩阵。该模型描述了底盘结构节点之间受力情况以及位移变化关系。
2.微型电动汽车底盘结构优化
2.1不同工况静态力学分析
紧急制动工况下，很容易造成汽车底盘与悬架连接处发生开裂，需要对该工况下底盘结构的惯性力与所承受的反向纵向载荷力进行分析计算。在底盘结构上施加纵向加速度，制动距离设定在8m，启动速度为50m/s，经计算制动减速度为9.5m/s2，假设能够达到这样大的减速度，当汽车在紧急制动速度逐渐减小时，取动载荷系数为1.5，结果表明由于存在纵向加速度，底盘结构前部会前倾，但幅度不大，由于承受载荷集中于后部，因而底盘结构后部会发生较大变形[4]。
转弯工况下，在转弯半径、离心力与车速的作用下汽车车身会向外侧倾斜。在横纵向分别施加0.5g加速度，用以分析转弯时电动汽车的静态力学。结果表明，转弯时汽车由于受侧、纵向的加速度作用，底盘结构外侧有向内倾斜趋势，且外侧后半部分发生较大变形。
2.2底盘结构优化处理
依据上述对两种工况下汽车底盘结构静态力学分析计算结果，对底盘结构进行优化处理。针对底盘结构前端容易前倾变形问题，应在现有基础上一根横梁旁边增加另外一根横梁，用以分散结构前端承受的重量与载荷，减小应力和变形。针对底盘结构中间2根纵梁受力变形较大问题，应在中间部分增加一根横梁，分担纵梁承受的载荷。为了减少汽车本身总重量，在满足应力要求的条件下，应适当减小主梁尺寸[5]。针对只有一个支撑点的底端支架与悬挂悬耳处在常见工况下所受应力都是最大的问题，应在支架两侧焊接一个加强筋，将支架与悬耳连接起来，增大受力面积，转移应力分布，降低应力对底盘结构的影响。针对底盘结构后部变形问题，应在与减振连接处加设2根加强筋，一方面加强对连接处的支撑，一方面固定底盘后半部分，减小工况下应力对后半部分的受力变形影响。
总结：微型电动汽车在实际运行中会遇到各种各样的工况，给底盘结构造成不同程度的载荷，使底盘结构出现这样那样的问题。通过模型建立、工况力学计算分析，微型电动汽车底盘结构设计应选择刚度、强度大的材质，并依据不同工况下底盘结构受力对各种零件进行合理布设，减小受力对汽车底盘结构影响。
参考文献
[1] 乔长胜. 微型电动汽车悬架的动力学仿真与结构优化[D].河北联合大学，2014.
[2] 季惠. 微型纯电动汽车车身前围参数化设计及整车CFD分析[D].山东理工大学，2015.
[3] 姜卫远. 基于拓扑优化的电动汽车新概念车身设计方法研究[D].北京理工大学，2015.
[4] 王忆望. 微型电动轿车动力传动匹配与结构性能优化的关键技术研究[D].扬州大学，2011.
[5] 邓号，路春光，刘伟民. 微型电动游览车底盘结构的静动态分析[J]. 机械工程与自动化，2013，01：84-86.
作者简介：石正鹏（1980年），男，安徽芜湖，汉族，现职称：工程师，学历：本科，研究方向： 车辆工程。
关键词：微型电动汽车；底盘；有限元模型；结构优化
前言：底盘结构在整个微型电动汽车构造与行驶中起着至关重要的作用，直接关系着电动汽车行驶安全性、舒适性与可靠性。由于汽车运行会面临各种各样的工况，而不同工况会在不同程度上给底盘结构带来应力作用，造成底盘结构弯曲，降低汽车安全性能，因而必须要通过底盘结构分析对其进行优化处理。
1.微型电动汽车底盘结构分析
1.1底盘结构分析
微型电动汽车的底盘结构主要由两部分构成，即主底盘和副底盘，为边梁式结构，长245cm，宽128cm。主底盘两侧由长、短纵梁和横梁组成，长纵梁和短纵梁分别为2根，横梁有若干，而副底盘则由4根横梁与2根纵梁组成。主、副底盘均采用标准的矩形管型钢材制成[1]。这种底盘结构能够实现底盘空间的最大化利用，具有重量轻、结构简单便捷、刚度大、强度高等多种优点，既便于各种零部件安装，又能够使各种部件在底盘空间上得到更好的布局，并为今后底盘结构改装优化提供便利。微型电动汽车底盘结构参数主要有载重量、最大行驶速度、最大爬坡度、输出功率等。
1.2有限元模型建立
对微型电动汽车底盘结构进行分析，了解了电动汽车底盘构造之后还需要构建有限元模型，进行有限元分析。使用ANSYS软件对底盘结构进行有限元建模。实际上ANSYS软件可以识别几何模型与有限元模型两种模型，几何模型建模有实体建模和直接对结构进行建模两种方法，但几何建模对于工作量大、结构过于复杂的底盘结构不适用，可能会造成计算不准确、精度不高问题[2]。而作为一种专门的数学模型——有限元模型则可以较好的避免上述问题，因而本文决定对电动汽车底盘结构进行有限元模型建立。
有限元模型由节点和连接节点的网络构成，在ANSYS软件中，可以通过两种渠道来建立底盘结构有限元模型，一种是直接在软件中利用各种工具绘制图形，一种是利用其他绘图软件构建模型，然后再将模型导入到ANSYS软件中，转化成该软件可识别的有限元模型[3]。相比其他软件，采用ANSYS软件进行底盘结构有限元建模，在网格处理设置方面具有明显优势，可以很早将模型分解为所需要的有限元模型，即借助软件之间的关联接口将模型对应的属性输入到ANSYS软件，就可以实现对模型的分析计算。电动汽车底盘结构单元刚度矩阵模型如下
其中，{K}为单元节点力矩阵，[K]为单元刚度矩阵，{δ}为单元节点位移矩阵。该模型描述了底盘结构节点之间受力情况以及位移变化关系。
2.微型电动汽车底盘结构优化
2.1不同工况静态力学分析
紧急制动工况下，很容易造成汽车底盘与悬架连接处发生开裂，需要对该工况下底盘结构的惯性力与所承受的反向纵向载荷力进行分析计算。在底盘结构上施加纵向加速度，制动距离设定在8m，启动速度为50m/s，经计算制动减速度为9.5m/s2，假设能够达到这样大的减速度，当汽车在紧急制动速度逐渐减小时，取动载荷系数为1.5，结果表明由于存在纵向加速度，底盘结构前部会前倾，但幅度不大，由于承受载荷集中于后部，因而底盘结构后部会发生较大变形[4]。
转弯工况下，在转弯半径、离心力与车速的作用下汽车车身会向外侧倾斜。在横纵向分别施加0.5g加速度，用以分析转弯时电动汽车的静态力学。结果表明，转弯时汽车由于受侧、纵向的加速度作用，底盘结构外侧有向内倾斜趋势，且外侧后半部分发生较大变形。
2.2底盘结构优化处理
依据上述对两种工况下汽车底盘结构静态力学分析计算结果，对底盘结构进行优化处理。针对底盘结构前端容易前倾变形问题，应在现有基础上一根横梁旁边增加另外一根横梁，用以分散结构前端承受的重量与载荷，减小应力和变形。针对底盘结构中间2根纵梁受力变形较大问题，应在中间部分增加一根横梁，分担纵梁承受的载荷。为了减少汽车本身总重量，在满足应力要求的条件下，应适当减小主梁尺寸[5]。针对只有一个支撑点的底端支架与悬挂悬耳处在常见工况下所受应力都是最大的问题，应在支架两侧焊接一个加强筋，将支架与悬耳连接起来，增大受力面积，转移应力分布，降低应力对底盘结构的影响。针对底盘结构后部变形问题，应在与减振连接处加设2根加强筋，一方面加强对连接处的支撑，一方面固定底盘后半部分，减小工况下应力对后半部分的受力变形影响。
总结：微型电动汽车在实际运行中会遇到各种各样的工况，给底盘结构造成不同程度的载荷，使底盘结构出现这样那样的问题。通过模型建立、工况力学计算分析，微型电动汽车底盘结构设计应选择刚度、强度大的材质，并依据不同工况下底盘结构受力对各种零件进行合理布设，减小受力对汽车底盘结构影响。
参考文献
[1] 乔长胜. 微型电动汽车悬架的动力学仿真与结构优化[D].河北联合大学，2014.
[2] 季惠. 微型纯电动汽车车身前围参数化设计及整车CFD分析[D].山东理工大学，2015.
[3] 姜卫远. 基于拓扑优化的电动汽车新概念车身设计方法研究[D].北京理工大学，2015.
[4] 王忆望. 微型电动轿车动力传动匹配与结构性能优化的关键技术研究[D].扬州大学，2011.
[5] 邓号，路春光，刘伟民. 微型电动游览车底盘结构的静动态分析[J]. 机械工程与自动化，2013，01：84-86.
作者简介：石正鹏（1980年），男，安徽芜湖，汉族，现职称：工程师，学历：本科，研究方向： 车辆工程。