CN112035953B - 基于刚柔耦合的电动三轮车车架轻量化设计方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于刚柔耦合的电动三轮车车架轻量化设计方法及系统，包括以下步骤：建立刚体车架模型；建立电动三轮车其他部件并搭建完整的电动三轮车模型；建立路面模型；建立柔性车架模型；设置多种驾驶工况并进行三轮车在这些工况下的虚拟试验，分析原车架的动态应力特性；根据应力分析结果给出初步轻量化设计方案，并对其再次进行应力分析，检验是否满足强度要求；调整车架钢板厚度再做分析，得到刚好满足设计要求而又最大轻量化的车架。
Description
技术领域
本发明涉及农业机械中车架结构设计领域，具体是一种基于刚柔耦合技术的电动三轮车车架轻量化设计方法及系统。
背景技术
车架是电动三轮车的主要承载部件，在行驶过程中承受着各种动静载荷。为了使得在复杂的工况下满足强度要求，车架材料往往存在富余，这导致电动三轮车质量较大，然而为了提高续驶里程和动力性能，迫切的需要对车架进行轻量化设计。
目前，我国电动三轮车的设计主要沿用燃油三轮车的根据市场反馈的经验设计方法，设计周期长，而且成本大，跟不上技术发展的步伐。随着计算机工程的发展，有不少学者采用基于ANSYS的静强度分析方法，分析车架的应力分布，据此进行轻量化设计。然而，三轮车装载往往不规则，而且农村道路复杂，这导致三轮车在行驶中车架载荷变化范围很大，采用静态加载的方法无法得出车架在各工况下的动态应力特性，因而得到的结构往往不能既满足强度要求又达到最佳的减重效果。
发明内容
为了能够更好地解决车架轻量化设计和强度耐久性之间的矛盾，本发明的主要目的在于提出一种基于刚柔耦合的电动三轮车车架轻量化设计方法，根据车架在多种复杂工况下的动态应力特性，优化车架结构，以弥补现有的经验设计和静强度分析方法的不足，减少车架设计周期，提高优化效率，得到满足强度要求而又最大轻量化的车架。
为达到以上目的，本发明的技术方案如下：
本发明提出的一种电动三轮车车架结构轻量化设计方法，包括以下步骤：
(1)建立刚体车架模型；
(2)建立电动三轮车其他部件并搭建完整的电动三轮车模型；
(3)建立路面模型；
(4)建立柔性车架模型；
(5)设置多种驾驶工况并进行三轮车在这些工况下的虚拟试验，分析原车架的动态应力特性；
(6)根据应力分析结果给出初步轻量化设计方案，并对其再次进行应力分析，检验是否满足强度要求；
(7)调整车架钢板厚度再做分析，得到刚好满足设计要求而又最大轻量化的车架。
优选的，所述步骤(1)中利用CATIA软件建立车架的整体模型，将其导入到仿真软件RecurDyn中做必要的前处理，包括：删除质量非常小的线束、螺栓等部件；消除焊接部件之间的间隙；将不发生相对运动的部件合并为整体。
优选的，所述步骤(2)根据实际测得的三轮车数据，建立钢板弹簧、轮胎、驱动桥、货箱、驾驶室等的简化模型，并添加相应的力和约束。
优选的，所述步骤(3)中的路面模型是根据路面标准ISO 8606建立的，包括水平路面、8度坡路和不平度等级为D级的颠簸路面。
优选的，所述柔性体车架的建立包括划分网格、创建力分配刚性单元和将全柔性体车架转化为模态柔性体。
优选的，所述步骤(5)中的工况是根据GB/T7258和GB/T5378中对电动三轮车的性能要求设定的，包括满载紧急制动、高速行驶、爬坡、转弯和颠簸行驶。经过CAE分析之后输出各工况下的应力曲线和应力云图，将最大应力与车架材料的许用应力作对比，以得出车架的强度特性。
优选的，所述步骤(6)综合使用轻量化材料、打孔和减小钢板厚度的利弊，采用不改变原加工设备和工艺的第三种方法，将车架整体减薄1毫米，接着采用与步骤(5)相同的方法，对车架进行应力分析，得出初次轻量化方案的不合理处.
优选的，所述步骤(7)将车架强度足够部位的刚板厚度保持不变，将强度不足部位钢板加厚，再做分析，从而得到最终优化的车架结构。
第二方面，本发明还提出了一种基于刚柔耦合技术的电动三轮车车架轻量化设计系统，包括：
第一创建模块，被配置为建立刚体车架模型；
第二创建模块，被配置为建立电动三轮车其他部件并搭建完整的电动三轮车模型；
第二创建模块，被配置为建立路面模型；
第三创建模块，被配置为建立柔性车架模型；
虚拟试验模块，其设置多种驾驶工况并进行三轮车在这些工况下的虚拟试验；
分析模块，其分析原车架的动态应力特性，根据应力分析结果给出初步轻量化设计方案，并对给出的设计方案再次进行应力分析，检验是否满足强度要求；
调整模块，其调整车架钢板厚度再做分析，得到刚好满足设计要求而又最大轻量化的车架。
本发明具有如下的优点及效果：
1、基于实测数据建立电动三轮车的模型，根据国标设置多种工况和路面，使得分析结果更贴近于真实情况。
2、将钢板弹簧、前悬架等的部件用力学模型简化建模，通过设计弹性部件的刚度与实际部件相等，可保证建模的准确性，并且简化了建模过程，提高了分析速度。
3、借助CAE工具，利用刚柔耦合分析方法分析出车架在多种工况下的动态应力，在此基础上进行结构优化，避免了传统经验设计的盲目性，弥补了准静态分析方法不能准确得出车架在复杂工况下受力情况的缺陷。
4、采用调整钢板厚度的车架轻量化方法，不改变原加工设备和工艺，可以省去采用高强度轻质材料的大成本，以及避免在车架上打孔的复杂工艺和高的技术要求。
5、整个设计过程具有周期短、成本低、效率高、可靠性高等的优点。
附图说明
图1是轻量化设计的方案图；
图2是车架的刚体模型；
图3是前悬架的简化模型；
图4是钢板弹簧的简化模型；
图5是简化钢板弹簧满载和空载下的垂向变形量；
图6电动三轮车模型；
图7是颠簸路面的路谱图；
图8是左车架的全柔体模型；
图9是颠簸工况下原车架的最大应力状态云图；
图10制动工况下三种尺寸左右车架的应力曲线；
图11是颠簸工况下三种尺寸前车架的应力曲线；
图12是颠簸工况下三种尺寸左右车架的应力曲线；
附图标记：1、车架，1-1、转向立管，1-2、前车架，1-3、驾驶室固定支架，1-4、电池支架，1-5、左车架，1-6、前圆管横梁，1-7、ECU支架，1-8、橡胶垫，1-9、后圆管横梁，1-10、板簧后连接板，1-11、板簧限位板，1-12、板簧前连接板，1-13、右车架，1-14、货箱固定支架；
1-2-1、前横梁，1-2-2、前车架竖梁，1-2-3、后横梁，1-2-4、前立管中间横梁，1-13-1、后斜撑，1-13-2、上纵梁，1-13-3、中间立柱，1-13-4、下纵梁；
2、前悬架，2-1、液压筒，2-2、弹簧，2-3、悬架前叉，3、轮胎，4、驾驶室，5、货物，6、货箱，7、路面，8、钢板弹簧，8-1、梁单元，9、ECU，10、电池。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；
为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
实施例1
本实施例提出了一种基于刚柔耦合技术的电动三轮车车架轻量化设计方法，如图1所示，包括以下步骤：
(1)建立刚体车架模型；
(2)建立电动三轮车其他部件并搭建完整的电动三轮车模型；
(3)建立路面模型；
(4)建立柔性车架模型；
(5)设置多种驾驶工况并进行三轮车在这些工况下的虚拟试验，分析原车架的动态应力特性；
(6)根据应力分析结果给出初步轻量化设计方案，并对其再次进行应力分析，检验是否满足强度要求；
(7)调整车架钢板厚度再做分析，得到刚好满足设计要求而又最大轻量化的车架。
具体如下：
1、利用CATIA软件建立车架1的整体模型，将其导入到仿真软件RecurDyn中作前处理，其中车架1的结构如图2所示。车架1主要由左车架1-5、右车架1-13、前车架1-2、转向立管1-1、电池支架1-4和板簧限位板1-11等焊接而成。车架1与货箱6之间垫有用以减震和保护车架的橡胶垫1-8，将橡胶垫1-8用一种具有三个方向旋转和三个方向转动的六自由度线性弹簧力取代。线性弹簧在X、Y和Z方向的力和力矩/>是车架1和货箱6之间相对位移和速度的函数，由下式计算：
其中，Ks 11，Ks 22，Ks 33和Ks 44,Ks 55,Ks 66分别是货箱6相对于车架1在X,Y,Z方向上移动和转动刚度；Δx,Δy,Δz和Δθx,Δθy,Δθz分别为在X,Y,Z方向上货箱相对于车架的位移和转角；和/>分别为在X,Y,Z方向上货箱相对于车架的移动速度和转动角速度；Cs 11,Cs 22,Cs 33和Cs 44,Cs 55,Cs 66分别为在X,Y,Z方向上货箱6的移动和转动阻尼。
通过控制刚度和阻尼矩阵，可使得线性弹簧力的连接效果等价于实际橡胶垫1-8。当货箱6和车架1之间的距离不大于橡胶垫1-8的厚度时，设定Ksii和Csii的值如表1中所示，当距离超过橡胶垫厚度时，相应的值都为零。
表1线性弹簧的刚度和阻尼系数
2、如图3所示为前悬架2的简化模型，其中的弹簧2-2的弹性作用通过在液压筒2-1和悬架前叉2-3之间建立弹簧力实现，根据要求将弹簧刚度设为20N/mm。此悬架2为双筒双阻尼结构，根据技术要求，悬架以0.52m/s的速度动作时，压缩阻尼力为200±50N，恢复阻尼力为400±100N,由公式可知悬架压缩时阻尼系数为0.48N.s/mm，同理可得恢复时阻尼系数0.96N.s/mm。通过在液压筒2-1和前叉2-3之间建立阻尼力，并由式定义阻尼力的值以实现悬架2压缩和恢复时具有不同的阻尼值；其中，Ft为阻尼力，ΔV为在液压筒2-1轴线方向上前叉2-3相对于液压筒2-1的移动速度。
悬架2的最大行程为120±3mm，通过在前叉2-3和液压筒2-1之间建立限位力，并定义当行程超过120mm时，力为无穷大,反之则力为零，从而实现对悬架2的限位作用。
如图4所示为钢板弹簧8的模型，由于实际的板簧各钢板之间的接触和力很复杂，建立完整的钢板弹簧不仅耗时费力，还会降低分析速度，因而利用集成梁模型建立简化的钢板弹簧。它主要由与实际板簧等宽的13个梁单元8-1构成。相邻梁单元8-1之间由根据铁木辛柯梁理论建立的梁力连接起来，梁力的值由下式计算：
其中的Fax，Fay，Faz和Tax，Tay，Taz分别为相邻梁单元之间在X、Y、Z方向的力和力矩。x,y,z和θab1,θab2,θab3分别是一个梁单元相对于另一个梁单元在X、Y、Z方向的位移和转角。Vx,Vy,Vz和ωab1,ωab2,ωab3是在X、Y、Z方向的相对速度和角速度。L是梁单元沿着中心轴的原长，Cij是阻尼系数，它的值为0.001倍的刚度系数Kij，Kij由下式计算：
其中，Asy和Asz是梁单元在Y、Z方向上的剪切变形修正系数，E和G分别是杨氏模量和剪切模量，ρ是密度，Ixx,Iyy,Izz是面积矩，A是梁的横截面积。设置梁单元8-1的参数如表2所示，使得在稳定状态下，简化板簧8的空载垂向变形量为21mm，满载垂向变形量为68.5mm，如图5所示,分别和真实板簧空满载变形量相等，因而实现了二者的刚度等价。
表2梁单元的参数
根据实测数据将电动三轮车的其他部件如货箱、驾驶室、货物、轮胎等按照与实际同尺寸同质量的方式简化建模，然后根据实际运动关系添加运动副得到图6所示电动三轮车模型。其中货物质量设为满载质量1000千克。轮胎的断面宽度为5英寸，轮辋直径为12英寸，根据轮胎标准将轮胎参数设定为表3中所示。
表3轮胎参数
3、建立三种路面模型。水平路面是标准的沥青路，长度为300000mm,宽度为50000mm。厂家设计的该电动三轮车最大爬坡能力为8度，因此本文建立了8度坡路模型，其中坡长为7068.79mm,坡高为983.7859mm,坡前有一段长度为16000mm的水平路段，用于三轮车加速到目标爬坡速度。根据农村道路的实际不平情况以及ISO 8606，设置了图7所示不平度等级为D的颠簸路面，包含有搓板路、各种凸块路和凹坑路，其中凸块的最大高度为70mm。
4、建立左右车架以及前车架的柔性体模型，其中单元选取四面体四节点的Solid4单元,它不但可以计算结果的准确性还能大大简化建模过程。由于车架结构简单，形状规则，在划分网格时，最大网格尺寸为10mm，最小尺寸为1mm。在车架的约束部位建立力分配刚性单元(FDR)实现柔体车架之间或和刚体部件之间的连接，FDR可将施加在主节点上所有载荷转移到从节点，从节点被刚性的连接在一起，不会发生相对运动，因而可反映出刚柔部件之间真实的连接效果。经过有限元建模，得到图8所示的全柔体的左车架模型。
将全柔性体车架转化为模态柔性体。对全柔体部件分析时可以准确计算出大的变形和非线性，但是分析时间较长。而采用模态柔体在分析时不考虑非线性变形，通过计算结构的模态，可大大提高分析速度。由于车架在不发生屈服的条件下只产生线性变形，因而将全柔体车架转化为模态柔体可在不失分析准确性的前提下缩短分析时间。
5、根据GB/T5378和GB/T7258对电动三轮车的性能要求以及三轮车的实际使用情况，设置满载高速行驶、紧急制动、爬坡、转弯和颠簸行驶五种工况，用以分析车架在这些工况下的应力特性。
其中高速工况代表电动三轮车的最常见工作状态，此时全轮着地，车架因承受货物和各装配部件的重力作用而发生弯曲变形。高速行驶时车速设定的是标准规定的35km/h。
紧急制动工况主要研究在规定的制减速度下地面制动力对车架的影响。在制动瞬间，车架还承受着所有制动重量的惯性力，因而对车架强度是极大的考验。根据标准设定制动初速度是35km/h，制动过程持续2秒。
转弯工况主要分析离心力对车架的影响。根据标准，电动三轮车转弯时最大转向角不能超过45度，为了测定极限情况的应力，设定三轮车先在5秒内顺时针转弯45度，接着在5秒内逆时针转弯45度，最后保持直线行驶。转弯时车速控制为10km/h。
爬坡工况主要研究在开始爬坡的瞬间，地面对前轮产生大的回弹作用使车架发生大的弯曲变形，以及三轮车重心后移，导致车架后部承受极大的载荷时，车架的应力情况。在爬坡时三轮车的车速为10km/h,通过程序控制电动机以恒定的功率输出驱动三轮车行驶。
颠簸工况主要研究凸块或凹坑等的不平路面对车架产生的极大冲击和振动对车架强度的影响。颠簸行驶时车速为10km/h。
6、确定强度评判准则：所有工况下分析出的最大等效应力不得大于车架材料的许用应力。由于车架的材料为35号钢，其屈服极限为315MPa,取安全系数为1.2，由315/1.2＝262.5可得许用应力为262.5MPa。当最大等效应力未超过许用应力，且有较大的安全余量时，则考虑对车架进行轻量化处理。其中等效应力的计算公式为：
式中σmises为冯·米塞斯应力，σ1、σ2、σ3分别为三大主应力。
7、在RecurDyn中对三轮车进行虚拟实验，分析原车架(钢板厚度为3mm)的应力情况。图9所示为原车架在应力变化最大的颠簸工况下的最大应力状态云图，可见最大应力出现在左右车架下纵梁1-13-4的中间位置以及前车架的前横梁1-2-1和两个竖梁1-2-2的连接部位，因而输出这些部位的最大应力，如表5所示。其中前车架只在颠簸工况下应力较大，因而只输出在该工况下的应力。可见，在各工况下最大应力都远小于许用应力，表明车架材料存在富余，可以对其进行减重处理。
表4原车架在五种工况下的最大应力
8、考虑到调整车架钢板厚度不改变原加工设备，且技术要求低，因而将车架整体减薄1mm，再做分析。表5为减薄后车架(钢板厚度为2mm)在五种工况下的应力，可见紧急制动工况左右车架最大应力达到343MPa,颠簸工况下前车架最大应力达到276MPa，均超过了许用应力262.5MPa，表明2mm钢板厚度的车架不满足强度要求，因而这个轻量化方案需做改进。(此时车架的变形为非线性，采用模态柔体进行分析得到的结果不准确，但由于这个方案会被舍弃，因而可以采用这个分析方法)。
表5减薄1mm后的车架在五种工况下的最大应力
9、经过对应力云图的分析可知，2mm厚度车架只在左右车架下纵梁中间位置以及前车架前部强度不足，而其他部位的应力较原车架变化不大，因而将左右车架下纵梁1-13-4以及前车架的前横梁1-2-1和两个竖梁1-2-2的钢板回调为3mm,其余部位的钢板厚度仍保持为2mm。
10、2mm厚度车架只在制动和颠簸工况强度不足，因而对混合厚度的车架(钢板厚度为2mm和3mm)只在这两个工况下进行分析。为了便于对比，将三种尺寸车架的最大应力输出在同一张图上，得到图10、图11和图12所示应力曲线。可见混合厚度车架的最大应力与原始车架相差无几，而远小于2mm毫米车架。
表6为三种尺寸车架的重量和应力对比。
表6三种尺寸车架的对比表
由表可知，原车架总重为53kg，经轻量化设计后质量为42.9kg,质量减轻了19.1％，而车架的最大应力为248.8MPa,只比原车架增加了2.6％，依然小于许用应力，表明满足强度要求。总体而言，该轻量化设计方法使电动三轮车车架材料得以合理分配，取得了良好的减重效果，能够提高设计效率，降低制造成本，对之后的电动三轮车制造以及类似的部件优化具有一定的指导意义。
实施例2
进一步，本实施例还提供了一种基于刚柔耦合技术的电动三轮车车架轻量化设计系统，包括：
第一创建模块，被配置为建立刚体车架模型；
第二创建模块，被配置为建立电动三轮车其他部件并搭建完整的电动三轮车模型；
第二创建模块，被配置为建立路面模型；
第三创建模块，被配置为建立柔性车架模型；
虚拟试验模块，其设置多种驾驶工况并进行三轮车在这些工况下的虚拟试验；
分析模块，其分析原车架的动态应力特性，根据应力分析结果给出初步轻量化设计方案，并对给出的设计方案再次进行应力分析，检验是否满足强度要求；
调整模块，其调整车架钢板厚度再做分析，得到刚好满足设计要求而又最大轻量化的车架。
上述每个模块具体的设计过程与实施例1完全相同。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修改、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于刚柔耦合的电动三轮车车架轻量化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
建立刚体车架模型；
建立电动三轮车其他部件模型并搭建完整的电动三轮车模型；
建立路面模型；
建立柔性车架模型；
设置多种驾驶工况并在这些工况下对三轮车模型进行虚拟试验，分析原车架的动态应力特性，具体为：所述驾驶工况是包括满载紧急制动、高速行驶、爬坡、转弯和颠簸行驶；经过CAE分析之后输出各工况下的应力曲线和应力云图，将最大应力与车架材料的许用应力作对比，以得出车架的强度特性；
根据应力分析结果给出初步轻量化设计方案，并对其再次进行应力分析，检验是否满足强度要求；所述初步轻量化设计方案为：综合使用轻量化材料、打孔和减小钢板厚度的利弊，采用不改变原加工设备和工艺的方法，将车架整体减薄设定的厚度，对车架再进行应力分析，得出初次轻量化方案的不合理处；
所述强度评判准则为：所有工况下分析出的最大等效应力不得大于车架材料的许用应力；当最大等效应力未超过许用应力，且有较大的安全余量时，则考虑对车架进行轻量化处理；所述等效应力的计算公式为：
式中σmises为冯·米塞斯应力，σ1、σ2、σ3分别为三大主应力；
调整车架钢板厚度再做分析，得到刚好满足设计要求而又最大轻量化的车架。
2.如权利要求1所述的基于刚柔耦合的电动三轮车车架轻量化设计方法，其特征在于，利用CATIA软件建立车架的刚体车架模型，将其导入到仿真软件RecurDyn中做必要的前处理。
3.如权利要求1所述的基于刚柔耦合的电动三轮车车架轻量化设计方法，其特征在于，根据实际测得的三轮车数据，建立三轮车各个部件的简化模型，并添加相应的力和约束，搭建完整的电动三轮车模型。
4.如权利要求1所述的基于刚柔耦合的电动三轮车车架轻量化设计方法，其特征在于，所述路面模型，包括水平路面、8度坡路和不平度等级为D级的颠簸路面。
5.如权利要求1所述的基于刚柔耦合的电动三轮车车架轻量化设计方法，其特征在于，所述柔性体车架的建立包括划分网格、创建力分配刚性单元和将全柔性体车架转化为模态柔性体。
6.如权利要求1所述的基于刚柔耦合的电动三轮车车架轻量化设计方法，其特征在于，所述调整车架钢板厚度再做分析的方法是：将车架强度足够部位的刚板厚度保持不变，将强度不足部位钢板加厚，再做分析，从而得到最终优化的车架结构。
7.一种基于刚柔耦合的电动三轮车车架轻量化设计系统，其特征在于，包括：
第一创建模块，被配置为建立刚体车架模型；
第二创建模块，被配置为建立电动三轮车其他部件并搭建完整的电动三轮车模型；
第二创建模块，被配置为建立路面模型；
第三创建模块，被配置为建立柔性车架模型；
虚拟试验模块，其设置多种驾驶工况并进行三轮车在这些工况下的虚拟试验，具体为：所述驾驶工况是包括满载紧急制动、高速行驶、爬坡、转弯和颠簸行驶；经过CAE分析之后输出各工况下的应力曲线和应力云图，将最大应力与车架材料的许用应力作对比，以得出车架的强度特性；
分析模块，其分析原车架的动态应力特性，根据应力分析结果给出初步轻量化设计方案，并对给出的设计方案再次进行应力分析，检验是否满足强度要求；所述初步轻量化设计方案为：综合使用轻量化材料、打孔和减小钢板厚度的利弊，采用不改变原加工设备和工艺的方法，将车架整体减薄设定的厚度，对车架再进行应力分析，得出初次轻量化方案的不合理处；
所述强度评判准则为：所有工况下分析出的最大等效应力不得大于车架材料的许用应力；当最大等效应力未超过许用应力，且有较大的安全余量时，则考虑对车架进行轻量化处理；所述等效应力的计算公式为：
式中σmises为冯·米塞斯应力，σ1、σ2、σ3分别为三大主应力；
调整模块，其调整车架钢板厚度再做分析，得到刚好满足设计要求而又最大轻量化的车架。
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