第 6 期张天 : 基于 ANSYSWorkbench 的电动车车架疲劳分析 571 及时在设计时期进行改进, 同时为后期的开发改进提供理论支持要求图 3 为应变云图, 可看出车架最大变形出现在鞍管处, 变形量为 0.33mm, 刚度满足要求 1 恒定振幅载荷疲劳分析 1.1 车架模型建立及静应

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中倬缇翟
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1 第 28 卷第 6 期 2013 年 12 月山东建筑大学学报 JOURNAL OF SHANDONG JIANZHU UNIVERSITY Vol.28 No.6 Dec 文章编号 : (2013) 基于 ANSYSWorkbench 的电动车车架疲劳分析张天 ( 中国重汽集团济南卡车股份有限公司总装一部, 山东济南 ) 摘要 : 为优化电动车车架设计及后续改进, 通过三维软件 Solidworks 对电动自行车车架进行三维建模, 并导入 ANSYSWorkbench 软件从而获得有限元模型根据车架实际试验要求, 对有限元模型进行结构的静力分析, 获得车架各部分应力应变情况, 随后分别进行恒定载荷疲劳分析和随机载荷疲劳分析 ; 在此基础上, 对车架在不同工况环境下的寿命进行分析评估, 探讨不同工况下寿命随载荷的变化情况, 找出应力集中部位和容易产生失效的部位关键词 : 电动自行车 ; 车架 ; 疲劳分析 ;ANSYSworkbench 中图分类号 :U484 文献标识码 :A FatigueanalysisofelectricvehicleframebasedonANSYSworkbench ZhangTian (TheFirstAsemblyDepartmentofChinaCNHTCJinanTruckCo.,Ltd.,Jinan250116,China) Abstract:Theelectricbicycleframemodelisbuiltbythree dimensionalsoftware,andfemodelis obtainedbyimportingthemodeltoansys Workbench software. Accordingtotheactualtest requirementsofframe,thestresandstrainconditionsofthepartsoftheframeareobtainedthrough thestaticanalysisoffiniteelementmodel,andbasedontheresultsofstaticanalysis,fatigueanalysis iscariedout.thenlifeoftheframeisobtainedunderdiferentconditionsandthelifechangeswith theloadunderdiferentconditionsarediscused,andthestresconcentrationandweakpartsare identified. Keywords:electricvehicle;frame;fatigueanalysis;ANSYSworkbench 0 引言电动自行车从出现到现在一直处于快速发展的状态, 简易款电动自行车在自行车基础上演化而来, 但相对于自行车, 电动自行车以电池电力驱动为主, 人力骑行为辅, 同时骑行速度有所提高, 所以电动车车架强度要比自行车要求高随着市场上电动车种类及数量越来越多, 对公路交通产生的影响越来越大, 电动车新国标的不断修订, 目前电动自行车逐渐从自行车中独立出来 [1] 车架是电动自行车中最主要的结构, 它起到连接支撑各部件的作用, 同时承受着传给它的各种力和力矩, 必须有足够的可靠性和寿命 [2], 目前电动车车架设计中对产品疲劳性能多通过经验计算为主, 随着 CAE(ComputerAided Engineering) 技术发展, 在产品设计阶段采用疲劳分析, 可在物理样机制造之前进行疲劳分析和优化设计 [3] 文章通过 CAE 软件对电动车车架疲劳强度进行分析, 从理论上获得车架在恒定疲劳载荷和随机疲劳载荷下寿命情况, 确认车架结构上薄弱环节, 收稿日期 : 作者简介 : 张天 (1984-), 男, 助理工程师, 学士, 主要从事结构设计及产品开发等方面的工作.E mail:tony-chang@163.com

第 6 期张天 : 基于 ANSYSWorkbench 的电动车车架疲劳分析 571 及时在设计时期进行改进, 同时为后期的开发改进提供理论支持要求图 3 为应变云图, 可看出车架最大变形出现在鞍管处, 变形量为 0.33mm, 刚度满足要求 1 恒定振幅载荷疲劳分析 1.

所以文章对焊缝材料和 S-N 曲线的定义与母材材料相同图 2 应力分布图图 1 车架 3D 图及网格划分图对车架采用四面体网格划分, 焊缝处网格通过局部网格控制稍作细化处理 [5], 划分结果如图 1 所示, 车架共计 18926 个单元,37055 个节点 ; 前叉共计 3291 个单元,6363 个节点根据车架 / 前叉组合振动试验要求, 前叉轮轴处及后平叉轮轴处固定, 施加全约束,

应力主要集中于鞍管及各管连接处, 最大应力位于鞍管与前梁加强管连接处和鞍管与立叉连接处, 应力为 52.2MPa, Q135 材料屈服极限为 135MPa, 所以静力强度符合图 3 应变云图 1.2 恒定振幅载荷疲劳计算分析车架振动属于高周疲劳, 所以此处选择应力疲劳分析, 首先定义载荷类型对称循环载荷, 建立交互应力循环, 载荷谱如图 4 所示设置疲劳强度因子为 0.

2 第 6 期张天 : 基于 ANSYSWorkbench 的电动车车架疲劳分析 571 及时在设计时期进行改进, 同时为后期的开发改进提供理论支持要求图 3 为应变云图, 可看出车架最大变形出现在鞍管处, 变形量为 0.33mm, 刚度满足要求 1 恒定振幅载荷疲劳分析 1.1 车架模型建立及静应力计算分析通过三维软件 Solidworks 对所分析车架整体进行建模, 模型完成后导入 ANSYSWorkbench, 如图 1 所示车架整体由车架和前叉两部分组成车架采用圆型钢管焊接结构, 圆型钢管截面性能优良, 外形美观 [4], 材料为 Q135, 采用氩弧焊, 车架无减震和活动铰链结构, 如果焊缝处无质量缺陷, 焊缝材料的强度可以达到或超过与母材等强的效果, 所以文章对焊缝材料和 S-N 曲线的定义与母材材料相同图 2 应力分布图图 1 车架 3D 图及网格划分图对车架采用四面体网格划分, 焊缝处网格通过局部网格控制稍作细化处理 [5], 划分结果如图 1 所示, 车架共计个单元,37055 个节点 ; 前叉共计 3291 个单元,6363 个节点根据车架 / 前叉组合振动试验要求, 前叉轮轴处及后平叉轮轴处固定, 施加全约束, 在相应部位加配重 [6], 实验时前管施加 10kg 负载, 鞍管施加 50kg 负载, 五通处施加 20kg 负载, 电池配重为 17kg 电池盒支撑焊于后平叉与后平叉中梁处, 为简化模型, 减少运算量, 故将电池盒支撑省略, 电池配重施加于后平叉中梁处尽管疲劳与循环或重复载荷有关, 但使用的结果却基于线性静力分析, 而不是谐分析, 首先进行静力分析, 查看应力分布如图 2 所示, 应力主要集中于鞍管及各管连接处, 最大应力位于鞍管与前梁加强管连接处和鞍管与立叉连接处, 应力为 52.2MPa, Q135 材料屈服极限为 135MPa, 所以静力强度符合图 3 应变云图 1.2 恒定振幅载荷疲劳计算分析车架振动属于高周疲劳, 所以此处选择应力疲劳分析, 首先定义载荷类型对称循环载荷, 建立交互应力循环, 载荷谱如图 4 所示设置疲劳强度因子为 0.8, 企业标准要求振动试验超过 15 万次, 设置设计寿命输入 16 万次定义最小基本载荷变化幅度为 50% 和最大基本载荷变化幅度为 200% 疲劳敏感曲线查看计算结果, 图 5 寿命云图反映最小为次, 完全能达到设计要求, 由图 6 所示看到最大交变应力为 65.3MPa, 其分布与静力应力分布大致相同 ; 由图 7 安全系数云图看出最低安全系数在 1.86 左右, 达到设计要求查看疲劳敏感曲线如图 8 所示, 在载荷变化幅度 130% 以内, 对寿命影响不明显, 当载荷变化幅度大于 175% 以上时将不再满足设计寿命, 反映出如果经常骑行在路面起伏较大路段, 车架疲劳寿命会降低的比较明显

572 山东建筑大学学报 2013 年械结构失效的突然性给工程应用带来很大威胁 [8], 骑行中突然发生随机的疲劳破坏往往给骑行者造成灾难性后果, 所以预测车架的随机疲劳寿命很有必要图 4 正弦载荷谱图图 7 安全系数云图图 5 寿命疲劳云图图 8 疲劳敏感性曲线图图 6 等效交变应力云图 2 随机载荷疲劳分析

通过雨流循环计算和损伤累加计算原理, 对模型在恒定载荷疲劳计算基础上再次进行随机疲劳载荷计算由于条件限制, 不能实际测得相应路面的数据, 所以借用比较接近实际的比例历程文件, 定义载荷历程数据如图 9 所示, 同样设置疲劳强度因子为 0.8, 设计寿命 16 万次查看结果, 从图 10 寿命曲线看, 最高为 3.

3 572 山东建筑大学学报 2013 年械结构失效的突然性给工程应用带来很大威胁 [8], 骑行中突然发生随机的疲劳破坏往往给骑行者造成灾难性后果, 所以预测车架的随机疲劳寿命很有必要图 4 正弦载荷谱图图 7 安全系数云图图 5 寿命疲劳云图图 8 疲劳敏感性曲线图图 6 等效交变应力云图 2 随机载荷疲劳分析在实际骑行过程中, 行驶道路表面凹凸不平, 使得行驶在上面的车辆产生垂直方向的位移变动, 道路表面的凹凸不平是随机的, 它对车辆产生随机激励, 这种激励过大将导致结构产生疲劳破坏 [7] 机雨流分析法是用于把不规律应力历程转化为用于疲劳计算的循环的一种技术 [9], 能比较全面的反映随机载荷的过程通过雨流循环计算和损伤累加计算原理, 对模型在恒定载荷疲劳计算基础上再次进行随机疲劳载荷计算由于条件限制, 不能实际测得相应路面的数据, 所以借用比较接近实际的比例历程文件, 定义载荷历程数据如图 9 所示, 同样设置疲劳强度因子为 0.8, 设计寿命 16 万次查看结果, 从图 10 寿命曲线看, 最高为 , 最低为 , 满足设计要求由图 11 安全系数云图看, 最低安全系数为 1.08, 满足要求, 薄弱环节及最大应力同样位于鞍管与前梁加强管连接处和鞍管与立平叉连接处通过图 12 和图 13 雨流阵列及其对应的损伤阵列的结果, 反映出大部分循环发生在较低应力范围, 但高应力范围仍会造成主要损伤, 而且在高应力下, 少量次数的损伤累加就可能造成失

所以疲劳分析的结果基本能够反映真实情况虽然随机载荷下输出的不是真实结果, 但是其预测性还是能反映很多问题的, 跟现实中一样, 车架通过振动试验后一般不会产生断裂等情况, 但市场仍会有车架断裂的反馈 [10]

4 第 6 期张天 : 基于 ANSYSWorkbench 的电动车车架疲劳分析 573 效所以在路况非常差的情况下对车架寿命影响会很大图 9 历程数据载荷图样车架进行振动试验, 车架振动试验检测合格, 继续将振动次数增加至 25 万次, 车架在振动试验进行到将近 20 万次时产生焊缝开裂的问题, 裂缝位于五通管与后平叉连接处, 该位置与静力分析及恒定振幅载荷疲劳分析最大应力位置基本一致, 振动导致产生开裂的次数与恒定振幅载荷疲劳分析得到的寿命结果相差在 15% 左右, 所以疲劳分析的结果基本能够反映真实情况虽然随机载荷下输出的不是真实结果, 但是其预测性还是能反映很多问题的, 跟现实中一样, 车架通过振动试验后一般不会产生断裂等情况, 但市场仍会有车架断裂的反馈 [10] 所以通过随机载荷疲劳分析能够对在复杂路况下骑行情况进行模拟, 其分析结果能够对产品设计及改进提供理论依据图 10 寿命云图图 12 雨流阵列图图 11 安全系数云图 3 车架振动试验将样机车架进行送样检测, 根据车架 / 前叉组合振动试验要求, 并将振动次数提高至 15 万次, 对送图 13 损伤阵列图

5 574 山东建筑大学学报 2013 年 4 结语首先通过 ansysworkbench 对电动自行车车架进行静力分析, 得出车架结构应力分布情况, 再在此基础上进行恒定振幅载荷下的疲劳分析, 得出车架寿命结果满足设计要求, 并获得寿命随载荷变化曲线然后通过雨流法模拟车架在实际复杂路况下运行, 分析获得车架寿命及损伤情况最后将分析结果与实际试验结果进行比较, 验证分析的正确性, 同时简介提高了开发效率参考文献 : [1] 杜文华, 张大卫, 张丽, 等. 电动自行车主车架模态特性分析及灵敏度研究 [J]. 中北大学学报 ( 自然科学版 ),2008(3): [2] 肖登红. 电动自行车车架结构拓扑优化研究 [D]. 太原 : 中北大学,2011. [3] 李兵, 何正嘉, 陈雪峰.ANSYSWorkbench 设计仿真与优化 [M]. 北京 : 清华大学出版社,2008. [4] 贾玉琢, 王瑜, 姜凤龙. 基于 ANSYS 建模的钢管塔经济高度分析 [J]. 山东建筑大学学报,2007,22(5): [5] 徐灏. 机械设计手册 ( 第一卷 )[M]. 北京 : 机械工业出版社, [6] GB , 电动自行车通用技术条件 [S]. 北京 : 中国标准出版社,1999. [7] 马瑞雪, 王欣, 张科峰. 客车骨架结构的随机振动疲劳分析 [J]. 机械研究与应用,2011(1): [8] 徐楠, 李乃根, 孙鹏. 应力疲劳寿命可靠性分析通用模型研究 [J]. 山东建筑大学学报,2008,23(1):31-33,94. [9] 姚卫星. 结构疲劳寿命分析 [M]. 北京 : 国防工业出版社, [10] 李进. 电动自行车车架失效分析及改进方案 [J]. 电动自行车, 2011(4): 檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪 ( 上接第 563 页 ) [26] 魏军从, 涂军波. 减水剂对刚玉质自流浇注料流变性能的影响 [J]. 河北理工学院学报,2006,28(2): [27] 张巍. 不定形耐火材料之可塑料的研究进展 [J]. 硅酸盐通报, 2012,31(2): [28] 张巍, 戴文勇. 焦宝石基可塑料的研制 [J]. 耐火与石灰,2010, 35(6): [29] ZhangW.,DaiW.Y.,YuX.F.,etal.Efectofheattreatment temperatureonpropertiesofchinesecalcined flintclaybased plasticrefractories[j].china srefractories,2009,18(2): [30] 戴文勇, 小宫山勇, 张巍, 等. 防冻型黏土质可塑料的研制 [J]. 耐火材料,2009,43(1): [31] 陈广宏. 可塑料的喷涂施工 [J]. 国外耐火材料,2001(5):55, 60. [32] 元木英二, 野中克美. 不定形耐火材料的喷涂施工方法 : 中国, ZL [P] [33] 窦广明, 陈广宏. 可塑料喷涂施工技术及其应用 [J]. 江苏冶金,2003,31(4): [34] 陈广宏, 窦广明, 张洪广. 轧钢加热炉可塑料喷涂施工技术的探讨 [J]. 江苏冶金,2002,30(1): [35] 小野泰史, 元木英二, 野中克美. 不定形耐火物的喷射施工法 : 中国, [P] [36] 王永萍, 鲍戟, 高立, 等. 可塑料喷涂新工艺在宝钢的应用 [J]. 工业炉,2004,26(1): [37] 吴亚丽, 黄欢. 可塑料喷涂技术在加热炉内衬中的应用 [J]. 广东建材,2011(5): [38] 钟岱辉, 樊文燕, 刘立红, 等. 施工扰动对地基承载力的影响分析 [J]. 山东建筑大学学报,2010,25(1): [39] 于书伟, 王波, 王涛. 加热炉炉顶耐火可塑料的施工 [J]. 耐火材料,2011,45(3): [40] 潘杰. 石油化工窑炉中耐火纤维可塑料的施工 [J]. 安装, 2002,22(3): [41] 戴文勇, 张巍, 吴洋. 影响可塑料加热炉炉顶拱顶的因素和预防措施探讨 [J]. 耐火与石灰,2009,34(2): [42] 李敬. 步进梁式加热炉炉顶坍塌事故分析 [J]. 工业炉,2008, 30(1): [43] 何立民. 余热锅炉耐火可塑料炉底塌落原因分析 [J]. 耐火材料,2001,35(3):184. [44] 李云江, 宋晓辉, 樊炳辉. 喷射钢纤维混凝土机器人的研究与实现 [J]. 山东建筑大学学报,2008,23(5):

中国公路学报年

中国公路学报年第卷第期年月中国公路学报孟瑾朱平胡志刚根据耐久性试验中常用的整车台架试验方法通过多体动力学模型仿真模拟整车在四轮路面激励下的运动状态提取车身与底盘连接位置的载荷历程采用有限元法分析动载荷作用下的车身结构响应基于传统的应力寿命方法方法寻找车身薄弱环节辨识危险零件应力双轴性并选择多轴疲劳损伤参量预测车身疲劳寿命分析结果表明结合多体动力学与多轴疲劳的寿命