混合動力城市客車車架動態(tài)載荷分析及輕量化設(shè)計(jì).pdf

1、目前，節(jié)能、環(huán)保是汽車領(lǐng)域發(fā)展的必然趨勢，關(guān)系到人類社會的可持續(xù)發(fā)展。汽車質(zhì)量過大，會導(dǎo)致排放大量的污染物，消耗更多的能量。在此背景下，汽車輕量化技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，是目前世界汽車技術(shù)發(fā)展的重要方向之一，其主要實(shí)現(xiàn)方法有結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、輕型材料的使用與先進(jìn)制造工藝的引入。其中，以結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化方法為代表的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)在汽車輕量化研究領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。
　　車架是汽車的重要承載件，必須保證其具有足夠的強(qiáng)度與剛度，車架質(zhì)量占據(jù)整車質(zhì)量的比例較

2、大，因此，在保證車架滿足強(qiáng)度與剛度的條件下實(shí)現(xiàn)車架的輕量化顯得尤為重要。以往對車架的輕量化研究只在靜態(tài)載荷下進(jìn)行，不能很好地滿足車架實(shí)際使用的強(qiáng)度與剛度需求，具有一定的局限性。針對以上問題，本文以某混合動力城市客車車架為研究對象，對整車虛擬樣機(jī)進(jìn)行滿載扭轉(zhuǎn)工況的動態(tài)仿真，提取車架各主要連接部位的動態(tài)載荷峰值力，基于所提取動態(tài)載荷峰值力對車架進(jìn)行輕量化研究。主要研究內(nèi)容如下：
　　(1)建立車架有限元分析模型，對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，針

3、對劃分后的網(wǎng)格進(jìn)行質(zhì)量評估，評估結(jié)果表明所劃分網(wǎng)格質(zhì)量良好。在建立網(wǎng)格質(zhì)量良好的車架有限元模型基礎(chǔ)上，對車架滿載彎曲、滿載扭轉(zhuǎn)、滿載加速、滿載制動以及滿載轉(zhuǎn)彎五種典型工況進(jìn)行靜態(tài)載荷邊界條件的施加，分別計(jì)算出車架在這五種工況下的變形與應(yīng)力，并對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。分析結(jié)果表明：滿載扭轉(zhuǎn)工況下車架的等效應(yīng)力最大，最大等效應(yīng)力值為151.90MPa，該工況為車架最危險(xiǎn)工況。但此時(shí)的最大等效應(yīng)力小于車架材料的最大許用應(yīng)力，車架變形量也遠(yuǎn)小于允許

4、最大變形量，車架強(qiáng)度與剛度均具有一定的冗余量。對車架進(jìn)行前六階模態(tài)計(jì)算分析，結(jié)果表明車架固有頻率避開路面激振頻率與發(fā)動機(jī)怠速頻率，發(fā)生共振現(xiàn)象的可能性較小。
　　(2)建立包括懸架子系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)、輪胎子系統(tǒng)、車身子系統(tǒng)、路面子系統(tǒng)等子系統(tǒng)的整車虛擬樣機(jī)模型，并對其進(jìn)行滿載扭轉(zhuǎn)工況的仿真。針對仿真結(jié)果，提取車架各關(guān)鍵連接點(diǎn)處的動態(tài)載荷峰值力，將所提取動態(tài)載荷峰值力作為滿載扭轉(zhuǎn)工況的邊界條件施加到車架的相應(yīng)位置，并進(jìn)行靜力學(xué)有限元

5、分析。分析結(jié)果表明，此時(shí)車架的最大變形量與最大等效應(yīng)力分別為37.77mm、225.64MPa，相較于靜態(tài)載荷時(shí)的最大變形量32.73mm與最大等效應(yīng)力151.9MPa，有較大差距。基于動態(tài)載荷的車架有限元分析更符合實(shí)際情況，為車架的輕量化設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐。
　　(3)根據(jù)車架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，針對車架最危險(xiǎn)工況，以車架結(jié)構(gòu)材料的最大許用應(yīng)力、車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求的最大變形位移量作為約束條件，以車架結(jié)構(gòu)中段部位兩根長梁的截面厚度尺寸作為設(shè)計(jì)

6、變量，以車架結(jié)構(gòu)質(zhì)量最小為目標(biāo)函數(shù)，使用結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化方法對車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過與優(yōu)化前的車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜態(tài)性能與動態(tài)性能對比，結(jié)果表明：在滿載扭轉(zhuǎn)工況下，車架結(jié)構(gòu)的最大變形量由優(yōu)化前的37.77mm減小到35.93mm，減少了1.84mm；最大等效應(yīng)力由優(yōu)化前的225.64MPa減小到220.69MPa，減少了4.95MPa；優(yōu)化后車架的前六階固有頻率、最大變形量及固有振型均未發(fā)生大的變化，有效地避開了激勵源頻率，避免共振現(xiàn)象的發(fā)生