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电动汽车车架的随机振动分析

更新时间:2009-03-28

0 引言

随着能源危机的进一步升级,作为传统交通工具的替代品,电动汽车得到了世界各国的关注。电动汽车更因其自身噪声低、能源利用率高、污染小等优势使人们找到了未来解决能源问题的新出路。

而作为整车的受力基体部分,车架的振动参数无疑是衡量电动汽车稳定性与安全性的重要指标。在车辆行驶过程中,路面不平度不仅使乘客感到不适,也会导致车架结构或车架上零件的损坏,从而降低车辆的使用寿命[1-3]。电动汽车行驶在城市沥青路面上时,受到来自路面的随机激励,若激励过大或使整车发生共振,必然会引起整车波动[4],将导致电动汽车产生疲劳破坏,因此电动汽车的随机振动分析具有一定的实际研究价值。

水云天苏醒过来,脸上已经显出辞世的倦容。老人睁开眼睛,显现出生命迹象,深情地望着林志。林志坐在床前,轻轻地说:“老师,您有什么事,吩咐我啊!”

1 随机路面仿真模型的获取

随机振动是由路面不平度引起的,其激励过程不可用确定的函数来描述,但可采用概率统计方法来研究。对车架进行随机振动分析,主要是研究车架在随机激励过程中的响应特性[5-6]

我国剖宫产率目前呈现出非理性的增长状态,不合理的剖宫产手术极大浪费了有限的医疗卫生资源,并增加了产后并发症的发生,对广大妇女的健康造成严重影响[9]。我国剖宫产率近20年已超过WTO推荐标准(15%)的3倍,其中有1/3的剖宫产手术可以避免[10]。中华医学会围产学会提出,要严格掌握剖宫产指征,将郊县剖宫产率降至10%以下,其他地区剖宫产率降至15%,重复剖宫产率降至60%。目前,我国剖宫产现状与此标准相差甚远,为实现这一目标,不仅需要广大医务工作者的努力,还需要社会各界共同努力。

目前,主要应用谱分析法来分析随机载荷。功率谱密度分析(PSD)作为谱分析的一种类型,也可称为随机振动分析[7]。文中利用位移功率谱密度分析方法对车架进行随机振动分析。

车辆平顺性有效的路面波长通常在0.35 m<λ<91 m,即空间频率0.011m-1<n<2.83m-1,常用车速为36~108km/h,即u=10~30 m/s。所以,可以保证时间频率范围0.33~28.3 Hz,其覆盖车身固有频率1~2 Hz和车轮固有频率10~15 Hz。

由于功率谱密度具有单位频带内的功率的含义,故空间频谱密度和时间频谱密度可分别表示为:

 

式中:H(ω)为频响函数。

 

上式可看为白噪声激励的一阶线性系统的响应。由随机振动理论可得

由此,说明“主动性”是人的本能之一,就像初生的孩子本能寻找母乳一样,其在认知领域也主动地认识自然寻求滋润。它不需要培养,它依靠的是醒悟、激励、推动来激发和促成。

 

在城市沥青路面上,多座位电动汽车的平均行驶速度为40 km/h。在式(4)中当ω→0时,Gq(ω)→∞。因此实用功率谱密度为

 

式中:ω0为最低截止角频率。

同理可得

 

式中,为在Δn范围内的功率大小。所以和Gq(f)两者的关系为

由上式可推出路面不平度的微分方程:

 

由图4可知,车架的最大变形发生在车架中部左右2个主横梁上,最大变形值为4.9281mm,在变形量最大位置选择节点进行位移响应分析,第1个节点为车架中部最右侧横梁与第1根短纵梁交接处;第2个节点为车架中部最左侧横梁与第1根长纵梁交接处;第3个节点为车架中部最左侧横梁与第1根短纵梁交接处;利用Workbench分析得到3个节点的位移响应谱分布曲线如图5所示。

  

图1 路面不平度时域模型

在实验前,要求学生做好分工,每组6位同学,组内6位同学分别完成实验1~6中的某一个实验(课前分好工,防止课上小组分工不协调,耽误时间),其他同学协助,并仔细记录实验现象。这样,不仅锻炼了每位学生的动手能力,也充分体现了小组协作、互助。实验完成后,组内成员一起挖掘现象背后的本质原因,培养学生宏观辨识与微观探析共同发展的化学核心素养。

电力企业作为民生企业,由于其特殊性,长期处于垄断经营状态。由于电力企业改革还处在摸索时期,在向市场经济转变的过程中,还存在众多陈旧的管理体制、管理理念及方法[1]。

根据式 (7),应用 Matlab/Simulink软件建立时域仿真分析模型来表示路面不平度,如图1所示。

以车架满载弯曲下的动态分析结果为基础在Workbench中对车架进行边界约束,并加载B级路面上的随机位移功率谱密度对车架进行谱分析求解[9]

  

图2 B级路面时域激励信号

  

图3 B级路面不平度功率谱密度

2 车架的随机振动分析

在进行仿真时,根据需要输入路面不平度系数和车速,便可得到相应情况下的时域路面激励信号。B级路面车速为40 km/h的路面激励信号如图2所示,B级路面不平度功率谱密度如图3所示。

人都聚集到了北坝两座山包间谷口处。迟恒惊慌失措赶到,不知道自己能做什么。狂泼的雨如同充满仇恨的怨妇,歇斯底里要用她的泪与呜咽去吞噬所有。他看见有人在架水泵、挖放泵的水洼,有人向坝堤外侧铺又长又宽的塑料布以作临时水渠,避免泄水冲涮砂质堤坝,迟恒赶紧过去帮着铺。很快,四台水泵开始抽吸库面积水往外吐。他从坝坡爬上来,水如蛇一样阴冷地已绕上脚根,不远处,魏昌龙蹲在坝旁一动不动死死盯着边线水位。迟恒刚想过去,突然想到极度紧张的人,很容易暴躁失控。

  

图4 随机振动分析车架的等效应变云图

多座位电动汽车以40 km/h车速在B级路面上行驶时,车架的位移变形云图如图4所示。

式中:q(t)为路面不平度函数,m;W(t)为均值为零的高斯白噪声;n00为路面空间截止频率,n00=0.11 m-1

  

图5 3个点的位移响应谱分布曲线

  

图6 梁的位置示意图

由图5可知,3个点均在26.762 Hz时出现位移极大值,该频率为车架满载下动态分析的第3阶固有频率,由车架试验模态分析结果车架第5阶22.64 Hz和第6阶29.19 Hz可知,车架的固有频率与该频率相差较小,因此在电动汽车整车设计中应避免其他部件的振动频率接近该频率,避免共振耦合的发生[10-12]

3 结构优化设计

车架应变云图显示该车架最大应力发生在车架前部的立梁与连接前部和中部的方钢交接位置,车架其他位置应力均在52 MPa以下,说明这些位置选用的材料有较大富余地满足使用要求,应考虑轻量化研究[10]

车架尾部放置电池位置最大变形在1 mm以下,且组合应力在37 MPa以下,可以将此处的槽钢换为其他轻质型钢,以减小车架质量;由车架位移分布图可知车架尾部载客位置中间的纵梁变形较明显,且在车架满载弯曲工况下梁扭曲变形过大,应该增加支撑梁;原车架中部载客位置的槽钢选用的是10#槽钢,由分析云图可知,最大变形集中在车架中部的中间一排载客位置,另外2排载客位置位移及应力相对较小,故保留车架主梁来承担载荷,将梁1~8换为其他轻质型钢(梁1~8位置如图6所示)

我何庆林,字云乔,别署近鸥堂。1974年生于四川梓潼。2002年毕业于中国美术学院中国画系山水画专业。现为杭州画院专职画师、中国美术家协会会员、中华诗词学会会员。

  

图7 优化后车架静力分析

考虑到可选角钢型号较多,故应用优化模块实验设计(DOE—Design of Experiment)探究设计参数与目标参数间的关系[13],再对产品进行深一步的多目标优化,确定产品的优化方案,以保证产品的综合性能达到最好,最终将车架梁1~8由槽钢换为100 mm×100 mm×6 mm的角钢,得到满载弯曲工况下车架的位移变形及应力分布图如图7。

由图7可知,车架尾部放置电池位置可以满足强度刚度要求,车架尾部载客位置中间的纵梁变形状况明显得到改善,最大应力降低,一阶频率超出了路面激励范围[14-15],有效提高了车架动态特性。

4 结论

本文介绍了车架随机振动分析过程,结合车架满载下的动态分析结果表明:车架位移变形较大,应力过大,低阶固有频率偏低。结合力学理论知识提出改进方案,对改进后车架再次进行有限元分析,车架变形、应力均减小,低阶固有频率提高。在Workbench车架的随机振动分析中,得到车架在路面激励作用下在26.762 Hz时位移响应最大,为车架的结构改进提供重要的理论依据。

[参 考 文 献]

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[3] 郝君起,陶元芳.混合动力电动汽车设计方案分析[J].机械工程与自动化,2010(6):214-216.

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[5] 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.

[6]侯军海.电动汽车桁架式车架结构的拓扑优化设计[D].太原:中北大学,2012.

[7]王青春,范子杰,洪在地,等.有限元方法及Midas软件在汽车结构分析中的应用[M].北京:机械工业出版社,2014.

[8]杨卓.低速纯电动汽车车架的轻量化研究[D].广州:华南理工大学,2014.

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[12]张阿玲.一种电动汽车车身、车架结构设计及其性能优化[D].太原:中北大学,2012.

[13]FUKUSHIMA J,SUZUKI K,KIKUCHI N.Shape and Topology Optimization of a Car Body with Multiple Loading Conditions[J].SAE paper,2015,4(3):36-38.

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[15]路春光,郭灿志,刘宝刚,等.微型电动车车架静态及预应力模态分析研究[J].制造业自动化,2015,37(6):11-14.

 
张硕,龙海洋,裴未迟,李耀刚,叶晓濛,楚京
《机械工程师》 2018年第05期
《机械工程师》2018年第05期文献

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