节能车车架有限元强度分析

雷浩

摘 要：节能车是为高校参加全国或世界节能竞技大赛，为车辆节能环保作出贡献而生的专业车辆，为提高其燃油经济性能，车架的强度、质量、疲劳寿命成为了设计关键；本文通过使用建模软件Rhino简化模型，有限元分析软件ANSYS完成车架结构强度分析，并基于此进行优化改进，对小型车辆的节能设计、开发具有一定的理论和实践意义。

关键词：节能车；车架；有限元；强度分析

中图分类号：U463 文献标识码：A

0.引言

随着汽车产业的发展，全球能源危机日益凸显。于此背景下，Honda于广州国际赛车场举办了每年一届的Honda节能竞技大赛。为达到降低油耗的目的，大赛规定参赛团队设计制作的节能车需規定时间、规定赛程路线下，行驶要求距离（于指定时间内绕赛场行驶3圈），并由所得结果换算出节能车每升油能够行驶的公里数。为设计、制造出油耗低、实用性高的节能车辆，质量轻、强度高的车架是优胜的关键。

利用传统的设计方法很难综合考虑车架复杂受力及变形情况，且经常需要依赖长时间的设计经验和制作经验，而Finite Element Method（有限单元法）正好是辅助解决这一问题的关键。通过有限元静强度分析，可得出车架抗弯和抗扭特性，对比材料特性，其分析结果中的最大应力需低于材料许用应力极限与安全系数的比值。而车架开发具体流程为：二维草图设计—三维模型设计—车架网格划分—边界条件的施加—选择合理的求解方式—分析求解结果—参照结果进行多次优化。依照以上设计流程，使用的软件工具为ANSYS APDL完成车架强度分析和优化。由于车架使用规则截面不锈钢型材搭接焊接制造，因而可使用过ANSYS APDL软件改变车架结构设计，如减小梁横截面积和厚度，于关键受载位置进行结构优化（更改该位置材料属性或型材特性）等措施，方便地通过更改实常数和截面参数更改车架整体属性，快速完成车架可控变量轻量化过程。

1.车架结构设计

选择型材搭接焊接的双层结构车架的强度和刚度最为牢靠，且由于车架结构较为复杂，故使得车架难被模仿设计，但同时增加了设计和分析的难度。车架设计方面使用了CAD类设计软件，如常用的Solidworks、AutoCAD、UG、CATIA等软件完成车架的三维设计。

为简化三维车架模型，使用CAD类工业设计软件Rhino对车架进行简化（为便于在ANSYS软件中使用BEAM梁截面单元对车架进行网格划分，而需通过Rhino对车架提取其梁截面中线）。而导入模型目的是提取车架梁截面中线作为有限元分析中梁截面网格划分的参照依据，使用BEAM188梁单元对车架进行网格拟合，其中车架存在两种截面，分别为长与宽16mm，厚度1.5mm型材，和长16mm与宽8mm，厚度1.5mm截面型材，材料均为未经特殊处理的不锈钢型材。

车架模型经Rhino软件简化后，导入有限元分析软件ANSYS进行模型前处理（包括编辑、赋予材料属性、划分网格、施加边界条件）；其中网格类型选择Beam188梁单元，Beam188梁单元是2节点单元，每个节点含6个自由度，包括3个沿X轴，Y轴，Z轴方向的转动自由度，该单元适合较细或中等厚度的梁结构，分析车架可获得较好的效果，且计算简便。而且车轮和车架是刚性连接，所以无需模拟悬架。

2.车架分析前处理

车架前处理包括赋予网格相应的材料属性，网格划分，载荷的确定和施加。本文主要考虑车架在受到最大载荷情况下的最大应力值及所处位置作为判别车架强度是否满足要求的基准，若最大应力出现于驾驶员脚蹬位置及非车架搭接焊缝和座舱、发动机及其周围位置（非主要载荷作用位置，非容易导致失效的位置及可能产生应力集中的结构形状突变位置等），则可相应地降低安全系数值以更利于考虑车架的轻量化。

车架网格局部使用ANSYS自适应网格划分的方法，即将车架梁截面网格根据车架型材长短而划分的网格长度相应改变，对于关键部分进行手动调整单元长度进行划分。

节能车车架在划分完网格前，需考虑到以下实际情况向理想情况的等效简化考虑（非完全等效，因而使用的材料许用应力为材料自身最大许用应力与安全系数的比值），如将车架搭接焊接和螺栓紧固连接部位视为刚性连接，发动机和驾驶员在车架上的分布位置与实际情况大致相同，驾驶员对车架的垂向载荷主要分布于座椅支撑位置和脚蹬位置，此外由于发动机自身工作状态下产生振动而对连接的车架部位造成一定的冲击，故将发动机垂向载荷乘以一安全系数（据以往经验确定安全系数数值），以模拟其振动变载荷的幅值，同样车手在快速进出车内可能对车架造成一定冲击，也同样需确定其安全系数数值。车架所受最大工况载荷数值及作用位置：发动机垂向载荷（120N，发动机固定位置），驾驶员垂向座舱载荷（495N，车架座舱位置），驾驶员垂向脚蹬载荷（52.5N，车架前端部脚蹬位置），重力（9800mm/s2，全局）。

车架材料采用普通未经过特殊表面处理的不锈钢型材，型材截面属性为16mm×16mm，厚度1.5mm，单位采用ANSYSAPDL中的MPA单位制（即长度、力、压强、质量单位为mm、N、MPa、t）。Q235不锈钢的性能参数：密度（7.85×10-9t/mm3），弹性模量（2.05×105MPa），拉伸强度（25℃时，312.5MPa），泊松比（0.28），屈服强度

（25℃时，195.83MPa）（其中安全系数数值为根据以往设计、分析经验设定，以满足车架在实际使用要求）。

此外，本文中车架为据以往经验设计，故该钢结构仍有可优化空间。本文试算了该车架在型材截面属性为16mm×16mm，厚度1mm下的车架，进行车架可优化空间预估。

3.求解结果及后处理

车架在完成以上边界条件的施加，完成求解器设置后得到了在使用截面属性为16mm×16mm，厚度1.5mm型材的计算结果如图1中（a）和（b）所示。

型材厚度1.5mm计算结果中，总形变为4.17mm，最大值出现在脚蹬支撑端位置。最大应力为83.3MPa，最大值出现在车架首梁座舱位置。车架所得最大Von_mises应力为83.3MPa，在安全系数为1.2的情况下，远低于Q235钢的屈服强度与安全系数的比值195.83MPa，因而只可能发生弹性形变而无塑性形变，因而4.17mm的形变值属弹性形变范围内，且由于车架載荷主要以垂向载荷为主，因而最大形变也出现在垂向方向，因而设计方向以考虑增加车架垂向强度的加强筋为主，减少在其他两个方向上的加固，车架强度满足设计要求。

在使用截面属性为16mm×16mm，厚度1mm型材的计算结果如图1中（a）和（b）所示。

型材厚度1mm计算结果中，车架所得最大Von_mises应力为113.7MPa，在安全系数1.2情况下，同样远低于Q235钢的屈服强度与安全系数比值195.83MPa，故只可能发生弹性形变而无塑性形变，因而与上述型材1.5mm厚度情况类同，车架强度满足设计要求。

结论

本文主要采用有限元软件，以高效、低成本的方式完成了节能车原型设计车架的强度校核。由分析结果可以得出，该车架强度满足设计要求，具有足够的安全裕量，并在试算采用1mm厚度型材情况下，通过车架结果可知，其强度依然满足设计要求，因而车架在材料选择、材料特征属性、材料后处理工艺等方面仍旧有很大的可优化空间。但由于节能车在参赛及日常使用过程中载荷不仅包含垂向载荷，还将出现运动方向上的加速度变化，车架所承受垂向载荷的冲击，及复杂情况下的随机、多变载荷，因而在未来车架的结构优化工程中将需满足车架所得最大Von_mises应力低于经验安全系数下的材料屈服极限，且若材料加工工艺及后期处理工艺出现差异及变化，重新对材料式样进行强度实物实验以得出材料强度极限也将具有一定的必要性。

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