基于ANSYS电动中巴车架结构静力学分析
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摘要：对车架结构强度进行力学分析。运用ANSYS软件建立中巴车架模型，据中巴实际载荷和悬挂点添加载荷和约束条件。仿真得出相应的应力和变形分布图， 结果表明该中巴车架的强度和刚度满足要求。上述中巴静力学分析可以为车辆结构优化设计提供重要的参考依据，同时该分析方法也可以为许多车架静力学分析所应用。
关键词：中巴车架；ANSYS；静力学分析
1.引言
当前，汽车安全可靠性已成为人们日常交流讨论的焦点话题，如何生产出性能好、结构强度高、安全性强的汽车，也是汽车研发部门关注的核心。因此，汽车研发前对其结构刚度、强度以及可靠性评估就显得尤为关键。目前大量运用现代优化设计方法， 通过有限元法对车架进行分析可以得到较为准确的应力和变形等强度、刚度安全指标，进而评估汽车结构强度的可靠性。
2.1 中巴模型介绍
根据中巴车实体建立三维立体模型，模型由很多零件和子装配组成，整个车身由铝梁和钢梁组成，车身三维由不同截面和尺寸的铝梁通过榫卯方式形成骨架，车身下部由钢梁和铝梁交替形成。最大的底盘特点是三层结构特性，加强了整个车身的结构稳定性[1]。车架三维模型如图1所示。
图 1 中巴车架三维模型
2.2 ANSYS建模程序编写
此中巴车架结构复杂，杆件种类繁多。节点（point）数共计590个，杆件（line）数388个，截面种类13种，材料有铝和钢。
记录整个车架数据，给所有节点编号，从point 1到point 388，在pro/e中生成相应point，批量导出point坐标；然后记录每个杆件相应的连接点，同时记录它的方向节点（用来确立杆件的截面方向）；最后加上每个杆件的截面类型和材料类型。其中材料属性设置时，取弹性模量：铝为69000MPa，钢为210000MPa，泊松比取0.33。根据这些数据编写ANSYS建模程序。
2.3 输入程序建立中巴车架模型
基于以上所编写程序，先输入节点坐标生成车架节点点云图；接着输入杆件line连接关系和材料截面属性以及截面方向程序，同时划分网格，形成中巴车架模型[2]。流程如图2所示。
图2 中巴车架模型建立过程
3.添加载荷和约束条件并仿真
3.1 载荷及约束点统计
该款中巴车为某公司研发试验车型，依据车身配重和满载乘客人数统计载荷。当中巴在高速行驶时，路面存在不平整，将会出现路面冲击载荷，垂直载荷除了考虑整车满载时静载荷外，还应考虑垂直动载荷。这里取3倍极限静载荷[3]。则最大垂直载荷为式中δ为动载荷系数，取值3；为满载时重力。实际电动中巴上较重物件有电机、电池包以及乘客座位，这里分别将主要载荷均匀施加在相应受力节点。约束条件根据车身悬挂点确立。
3.2 仿真求解及结果分析
完成以上步骤后，进行仿真求解，观察有限元模型应力和变形如图3所示。
图3 应力分布图和应力变形图
说明在极限三倍载荷下，最大应力发生在车身中部蓝色区域，发生在车身底部，钢结构上，最大形变量10.85mm，该车身设计总长6.4m，设计允许极限变形范围20mm，可见三倍载荷下形变量符合设计时形变允许范围。由应力变形图看出，最大应力为269.986。根据45号刚材料的屈服强度δ=355最大许用拉应力600 ，考虑到安全系数取1.5-2.0，可以满足不超过许用拉应力，说明整车车架设计基本合理[4]。
4.结论
综上所述，根据对该款电动中巴车架经理学分析可知，整车车架变形基本符合材料力学简支梁变形规律，最大变形发生在车架中部，且满足原先设计的变形范围，同时和最大应力小于材料的屈服极限，满足车架强度要求。通过使用铝结构达到了整车的轻量化，车架结构设计基本合理。同时该分析方法有一定创新性，整车有限元仿真模型复杂、数据量巨大，是目前的一大难题，本文通过巧妙的简化和分步，同时运用程序建模的方式，避免了复杂模型导入引起的各种问题，可以在很多有限元分析领域得到应用，具有较大的理论和实践价值。
参考文献：
[1]黄金陵等.汽车车身结构设计（第1版）[M].北京：机械工业出版社，1996
[2]邓凡平.ANSYS12. 0 有限元分析自学手册[M].北京： 人民邮电出版社， 2011： 193- 203.
[3]徐建平，尚刚，梁乃兴.路面不平度引起的汽车动载荷计算分析.重庆交通学院学报，2005，20（1）
[4]王霄锋.汽车可靠性工程基础[M]. 北京：清华大学出版社，2007.6
作者简介：
王念（1990-）男（汉族），湖北省潜江市，中山大学工学院在读硕士，整车结构设计及强度分析。