某商用车纯电动改装方案中车架性能分析

2018年4月
第47卷第4期
机械设计与制造工程
Machine Design and Manufacturing Engineering
Apr.2018
Vol.47 No.4
DOI：10. 3969/j.iss n.2095 - 509X.2018.04.012
某商用车纯电动改装方案中车架性能分析
王源绍，唐徐平，乔克婷，许凌
(南京工业大学浦江学院，江苏南京211134)
摘要：商用车车架作为汽车承载的主要结构，其刚度与强度是汽车结构设计的重点关注参数。

在 对传统商用车进行纯电动化改装时，必须对车架进行综合性能分析，以确保车架性能匹配纯电动 商用车的需求。

通过对车架三维建模，并利用H y p e r W o k s对车架进行结构分析以及拓扑优化设计，满载情况下模拟其弯曲、扭转工况下强度和刚度，并根据拓扑优化结果提出轻量化改进建议。

通过对比相同工况下传统商用车和纯电动商用车车架的强度和刚度参数，为纯电动改装方案提供理论计算依据。

关键词：有限元；车架；结构分析；电动车
中图分类号：U270.1文献标识码：A文章编号:2095 -509X(2018)04 -0056 -04
商用车由于其货物运输属性的要求，依然广泛 采用非承载式车身结构。

车架作为轻卡、轻货、轻 客、皮卡等商用车型的主要受力部件，具有支承连接汽车的各零部件、承受来自车内外各种载荷的功 用，并对整车承载性能、安全性能等起到至关重要的作用。

国家“十三五”规划中，确定实施“纯电驱动”技术转型战略，实现各类电动汽车产业化。

目前纯 电动商用车更多的是在城市及近郊使用，对续航里 程的要求略低于乘用车，并能降低污染，因此纯电 动商用车研发制造的吸引力在逐渐增加。

受制于成本、技术等因素，更多的企业选择在当前传统燃油车的基础上进行电动汽车的改装。

但是纯电动汽车由于原理和结构的特点，与传统汽 车相比对车身结构等性能要求均存在差异，因此对 传统汽车车身结构进行分析计算，确定最终车身结 构改进的可行性，以便更好地满足纯电动汽车的技 术要求。

国内许多研究人员利用多种有限元分析软件对车架及电动车相关部件进行分析设计。

盛建等[1]对某纯电动客车车架结构模态进行分析与优化设计，采用S d i d W o k s等软件对车架进行了模态 分析和优化设计，为车架的设计和改进提供了依据 和参考。

邵超城等[2]对所设计的车架进行了强度、刚度分析和模态分析，验证了车架的强度要求，找出了车架中局部变形和应力过大区域，为车架结 构改进提供了重要依据。

尹安东和李红等[3-4]，均 利用H y p e r W o k s等软件重点对电动汽车车架进行 了静态分析和模态分析，并通过理论分析寻找薄弱 环节，为改良设计等提供理论依据和技术支持。

本 文结合实际生产，对某一需要改装的车架进行研究，在 本性能 的 ，进行 构优 化，为后续的轻量化设计等提供理论依据和改进方 。

1建模
1.1 几何模型
根据所研究车型的车架实物以及图纸尺寸，利 用三维设计软件C A T I A对车架进行几何建模，建 立车架三维模型，对后续分析影响不大的元件和孔 洞等进行简化处理。

将车架三维模型导入H y-p e M e h软件，利用其提供的强大的几何清理功能，生成所需要的简化模型，用于网格划分、分析。

最终经过处理后的三维车架模型如图1所示。

1.2 有限元模型
在有限元软件中对车架不同零部件进行装配，并采用恰当的刚性单元模型模拟真实焊接、螺栓等 连接方式及布置位置，最终形成完整的某商用车车
收稿日期:2017-11 -20
基金项目：南京工业大学浦江学院2016年校级课题（n jp j2016 - 2 - 11 $
作者简介:王源绍（1987—），男，山东临沂人，南京工业大学浦江学院讲师，硕士，主要研究方向为汽车被动安全、轻量化。

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架有限元分析模型，如图2所示。

车架总节点数、和焊点 18 252，16 916,561。

设定材料参数：弹性模量/$ 210G P a，泊松比M$ 0&0,密度p $ 7.84 x10-6kg/m m3。

图1车架三维模型
图2 车架有限元模型
2性能分析
本文重点对车架性能进行静力。

在 ：条件下，模拟弯曲、工 架的位移、应力等。

本在进行弯曲刚度、扭转刚 ，不考虑悬架的影响。

2.1 载荷分布
统燃油商用 架所承受的载荷分配到相应节点上，模拟真实 。

传统 进行纯电动改装之后，由于没有了传统的动力总成和油箱，取而代之的是动力电池模，因在在较大差异。

大多数
电池放在 部 架 。

本所研究的
某商用 构和实际用途，选择电 量约为220k/，放在部。

电动机等相关附设施质量约为120k/，放在发动机舱位置。

驾驶 、箱、、量 不 。

架 受见表1，改装后车架承受 见表2。

表1原车架主要承受载荷
名称质量/k/
动力成280
驾驶室400
货箱150
载人(5)325
载货650
油箱（满）40
表2改装车架主要承受载荷
名量/k/
电池220
驾驶室400
箱150
载人(5)325
载货650
电机附属等120
2.2 弯曲工况
曲工况模拟 四轮着地时汽车在良匀速直线行驶的 （4)。

曲工况模拟时，对4个 的支撑点进行自由度约束，即约束左前支撑点i，n E z向自由度;约 束右前支撑点i及z向自由度'约束左后支撑点N 及^向自由度;约束右后支撑点z向自由度;释放支 撑点的全部转动自由度。

对 架和电动改装后的车架受力
进行弯曲工 模拟，架的应力云图和位移云图如图3〜6所。

图5 原车架弯曲工况位移云图
图6 电动改装后车架弯曲工况位移云图
通过图3、图4可以得到车架在弯曲工况下的
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最大应力 及位移。

可以看出，弯曲工 ，最
大应力发生位置大致相同，但应力 在差异，
由于整车电 位置在 中部 ，纯电
动商用 架中部应力较传统动力总成所。

架最大弯曲应力为93.5M P a，而进行电
动改装之后，车架最大弯曲应力为93.6M P a。

二者
差 ，说明 架在弯曲工，足纯电动改装需求。

通过图5%图6可以得到车架在弯曲工况下的 最大位移 。

由电池的，进行纯电动改装后，车架最大位移，由1.85m m增加至2. 14m m，但依然 架最初的 设 求。

综上，纯电动改装之后，架在弯曲工‘依然满足 及刚 求。

2.3扭转工况
架 工况模拟 ，一空时车
架的 形。

型具体受力 ，当其右
后 空时，极限 ，选择此极限工况进行。

工 用与 曲工 相 的 ，设 曲工 。

工
件为：约束左前支撑点的i，N E z向自由
'约束右前支撑点的i及z向自由度'约束左后支 点的N及^向自由度;释放左后支撑点的i#向由度'释放模型中4个支撑点的全部转动自由度。

对 架和电动改装后的车架受力情进行 工 模拟，架的应力云图和
位移云图如图7〜10所。

图8 电动改装后车架扭转工况应力云图• 58 •
由图7%图8可以 架 工 最大应力位置和 。

通过对比发现，架在承受传统动力总成和纯电动 件下，应力大小和范化 。

最大应力由597. 8MPa 1为604.2M P a。

由图9和10可以得到最大位移由42. 1m m增加至42. 3m m。

因此，在对此款商用车进行纯电动改装后，车架在 工 件 足强和刚 求。

3结构优化
通过 发现，车架性能过剩，存在较大的轻量化空间，本文利用HyperWorks软件中OptiStrnct 模块进行 优化，对架进行优化。

架
的所有部件设为优化部分，建 应，以500M P a为最大应力约束，以最
优化，密 设 量，进行 优化 ，可以清 出不 的密 点，在
前提下，针对不同部位采取 材料进行量化结构优化。

通过调整密显 隐某一 内的材料，可更清晰地 密度的分布，图11所。

以图11所选的密度阈值，进行材料厚度趋势。

由图可以看出，由发动机质量的，前部横梁可以进行较大的减重处理，车架部分可以进 行部 重处理，车架后部由 需求，轻量化 较小。

利用图11，工设计，可以在现架的 梁 进行 重 理，以量化 效果。

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4结束语
本文通过运用计算机辅助工程分析方法，针对 某企业商用车车架进行性能分析，为其纯电动化改 装提供理论依据，为企业降低开发成本。

本文成功 应用Hyperworks软件对某车架进行了不同工况下的性能分析，并对车架进行了拓扑优化设计。

通过 对原车型和纯电动车型的对比，设置不同的载荷条 件，在弯曲、扭转两个典型工况下进行强度、刚度分 析。

通过分析对比验证了在此车架上进行纯电动改装方案的可行性，为后续改装分析提供理论依据，同时为进一步优化设计奠定基础，也为其他同 类车型改装优化提供参考。

通过对拓扑优化结果的分析，为后续轻量化设计改进提供方向和依据，为电动车整车轻量化设计提供基础。

参考文献：
[1]盛建，戴作强,张铁柱.纯电动客车车架结构模态分析与优化
设计[J].制造业自动化,2015,37(8):44 - 47.
[2]邵超城，刘强，龙飞永.纯电动汽车车架设计及有限元分析
[J].机械设计与制造，2011(8):39 -41.
[3]尹安东，龚来智，王欢，等.基于HyeSoks的电动汽车车架
有限元分析[J].合肥工业大学学报，2014，37(1):6 -9.
[4]李红，张海峰，王忆望，等.基于H ypeM esh的电动汽车车架
结构优化设计[J].扬州大学学报（自然科学版），2012，15
(1)：38 -41.
The performance analysis on the frame of a pure electric commercial vehicle
W A N G Yuanshao，T A N G Xuping，QIAO Keting，X U Ling
(Pujiang Institute，Nanjing Technology University，Jiangsu Nanjing，211134，China)
Abstract ；The s t i f f n e s s and strength of the frame play an important part in the commercial vehicle structure de­sign.The modifying a commercial vehicle t o a pure electric vehicle requires the performance analysis for the frame under matching the electric vehicle load.I t builds the 3D modal，analyzes t l i e stru pology optimization in Hyper"W orl^s.Based on simulation of the bending and torsion conditions，i t obtains the stress and displacement counter of the frame.The optimization results supply the direction Comparing the results between the vehicle and the electric vehicle，i t showthat the K e y words ;f i n i t e element method; frame; structural analysis； electric vehicle
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