摘 要車架是三輪車承受整車重量及外部載荷的主要部件。因技術限制，電動三輪車摩托車的車架在設計時，主要由傳統(tǒng)的設計經(jīng)驗和路面測試來完成，雖然這種方法可以完成車架結構的設計，但過于局限。而且車架是一個大型的受力件，如果不能提前預測到車架各部分的變形情況，這種方法就不能完整的得出車架的承載性和安全性的相關數(shù)據(jù)。由于電腦技術的發(fā)展，我們可以用電腦軟件對車架進行應力分析及強度計算，并通過分析得出車架的動靜態(tài)力學性能及強度指標。由于條件限制，本文研究的電動重型載貨三輪車摩托車模型來源于網(wǎng)上，本文對此電動三輪車進行了動靜態(tài)力學性能分析，并得出了相關的力學性能參數(shù)。以下是本文的主要內容：1，對三輪車的概況進行簡要介紹。二，利用 CATIA 軟件建立電動三輪車車架的實體模型，然后把模型導入到 ANSYS workbench 中，由于車架屬于大型的裝配件，則需對模型進行一些前期的處理。由車架的結構特征，采用殼體-實體單元相間的有限元分析模型較為合理，最后在爬坡、滿載彎曲、滿載扭轉、滿載緊急制動，四種工況下進行三輪車車架的靜強度與力學性能的計算以及分析。三，利用 ANSYS 軟件中的動力學模塊對該車架進行動力學分析，分別對滿載和常載情況下，不同路段，不同加速度，以相同的初速度行駛進行模擬分析，得出車架在動態(tài)行駛過程中的強度和動力學參數(shù)。四，利用 ANSYS workbench 中的模態(tài)分析模塊，得出三輪車車架的前六階振型及固有頻率，再與電機定子鐵心固有頻率進行對比，看車架會不會與定子鐵心發(fā)生共振現(xiàn)象。關鍵詞：三輪車；車架；ANSYS；靜強度；動力學分析；振型AbstractThe frame is the main part of the load of the tricycle.Before that, the electric tricycle motorcycle frame design is mainly composed of traditional design experience and the road test to complete, but this approach is too limited, and the stress of the frame is a big thing, if you don't know the frame deformation and stress distribution of each part, this design method can not be fully obtained related theory frame of the bearing and the security of data.Due to the development of computer technology, we can use computer software to analyze the stress analysis and strength calculation of the frame, and analyze the dynamic and static mechanical properties and strength indexes of the frame.The main content of this paper contains the following aspects:First, the overview of tricycles is briefly introduced.Second, the use of CATIA 3 d design software to draw the electric tricycle frame entity model, and will be imported into the model in the ANSYS software, as a result of the frame are large assembly, need some of the early processing of the model.By frame structure characteristics, the use of alternate with the finite element analysis model of shell and entity unit is relatively reasonable, finally in climbing, full load bending, torsion, full of emergency braking under the working condition of four types of frame calculation and analysis of static strength and mechanical properties.Third, using the dynamic module of ANSYS software dynamics analysis of the frame, respectively to full load and often carry case, different sections, different acceleration, at the same speed at the beginning of simulation analysis, it is concluded that the frame in the process of dynamic driving strength and kinetic parametersFourth, the modal analysis module of ANSYS workbench, draw a tricycle frame first six order vibration mode and natural frequency, and then compared with natural frequency of stator core, will see a frame with the stator iron core resonance occur.Keywords: tricycle;The frame;ANSYS;Static strength;Dynamic analysis;Vibration mode目 錄引言 1第一章 21.1 電動三輪車簡介 .21.2 研究背景 .21.3 研究的目的和意義 .21.4 國內電動三輪車發(fā)展歷史及現(xiàn)狀 .31.5 國內電動三輪車車架的發(fā)展現(xiàn)狀 .41.6 課題研究的主要內容 .5第二章 .62.1 ANSYS workbench 簡介 .62.2 電動三輪車組成及前期處理 .62.3 坐標系的確定及車架模型三維圖 .7第三章 .103.1 靜力結構分析基本原理 103.2 確定材料參數(shù) 113.3 單元網(wǎng)格的劃分 113.4 確定約束和邊界條件 133.5 彎曲工況分析 143.6 滿載緊急制動工況分析 173.7 爬坡工況分析 193.8 滿載扭轉工況分析 213.9 各工況計算結果的分析 24第四章 264.1 動態(tài)分析簡介 264.2 動態(tài)分析選擇原則 264.3 動力學分析 264.3.1 0-20m 常載加速工況計算 274.3.2 0-40m 常載加速工況計算 284.3.3 0-80m 常載加速工況計算 304.3.4 0-20m 滿載加速工況計算 314.3.5 0-40m 滿載加速工況計算 324.3.6 0-80m 滿載加速工況計算 344.4 計算結果分析 35第五章 .375.1 模態(tài)分析簡介 375.2 模態(tài)分析結果 375.3 模態(tài)分析結論 40論文總結 .42參考文獻 .43致謝 .441引 言電動三輪車作為一種交通運輸工具，以其獨特的優(yōu)勢已經(jīng)被我們廣泛使用。然而，在生活中往往會看到電動三輪車在使用時間過長以后，車身發(fā)生斷裂或變形的情況，這是由于電動三輪車車架結計的不合理。比如結構不合理導致應力過于集中，材料尺寸過小導致彎曲變形等。本文正是通過對車架結構的有限元分析模擬，在車架未規(guī)模生產前提前預測車架各部分的變形及應力分布情況，避免了車架出現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)而發(fā)生較大的變形或者斷裂現(xiàn)象。傳統(tǒng)的車架設計，主要是依靠傳統(tǒng)的經(jīng)驗，將電動三輪車車架結構設計出來，依靠整車的路面行駛狀況再決定車架尺寸是否變更。這種設計方法可行，但不能是車架的結構進行優(yōu)化，不知道車架的應力分布狀況，導致材料浪費，增加生產成本。而通過車架的有限元分析，可以預測到車架的各部分變形及應力的分布情況，再通過優(yōu)化設計的方法，使各零件的尺寸合理，材料運用得當，減少生產成本。本文先對電動三輪車車架進行了建模，然后通過 ANSYS workbench 對車架進行靜態(tài)分析，得出了車架滿足靜強度要求，然后在靜力分析的基礎上，對車架結構進行動態(tài)分析，最后得出了車架滿足動態(tài)性能的要求。2第一章1.1 電動三輪車簡介電動三輪車是以電為動力，帶動電機轉動，再通過鏈條和鏈輪將動力傳遞給驅動輪，主要用于拉貨和拉人的運輸工具。電動三輪車具有適用性強，機動性高，維護方便，價格便宜等優(yōu)點，可以輕松的行駛在狹窄的馬路上。電動三輪車主要用于家里、城市、廠房、礦場、旅游及短距離運輸?shù)?。電動三輪車按用途可以分為三種類型：①小型家用②中型貨運③工廠型。根據(jù)不同的用途，在生產制造時，對三輪車采用的標準也不相同，以適應不同的工作環(huán)境。1.2 研究背景因為有限元法可以提高整車設計的精度和水平，因此有限元法在整車的設計上運用比較廣泛。目前，在設計車架的過程中，設計者們大多數(shù)采用傳統(tǒng)的方法來簡化計算，這會導致了兩個問題：第一，過多的簡化會使得設計出來的車架精度不高，為達到車架所需的強度和剛度，而使得車架結構過重，增加設計和制造的成本；第二，在傳統(tǒng)的方法中，設計和計算結果可能會不同步，車架的生產周期延長。為了提高車架的設計水平和生產制造車架的效率，有必要大幅度增加使用有限元法來設計車架的比重。1.3 研究的目的和意義在整車結構中，車架起著不可或缺的作用。在貨車中，車架承載了駕駛室、發(fā)動機、底盤、人及貨物的質量。在復雜路況總承受著不同的力和力矩?，F(xiàn)在設計三輪車的首要目的是保證三輪車行駛的安全性，所以要保證三輪車設計的各個零部件的安全性。因此，對車架的強度和剛度的分析很重要，因為它關系到三輪車的正常行駛，同時也關系到三輪車整車的安全性。31.4 國內電動三輪車發(fā)展歷史及現(xiàn)狀我國電動三輪車在 2001 年才開始發(fā)展。雖然發(fā)展較晚，但是其發(fā)展速度驚人。在 2004 年時，我國電動三輪車總生產不到 50 臺，經(jīng)過 7 年的發(fā)展，我國電動三輪車已經(jīng)高到 500 萬年，全國與三輪車相關的企業(yè)高達上千家。2012 年，三輪車產銷超過 800 萬臺。經(jīng)過十幾年的迅速發(fā)展，我國電動三輪車產業(yè)已經(jīng)形成四大板塊，分別是徐州、山東、天津、江蘇常州，四大板塊占整個電動三輪車產業(yè)的 90％以上 [1]。雖然我國電動三輪車的發(fā)展取得了一些成就，但是仍處于低水平狀態(tài)，導致這一狀況的原因大體上可以分為以下四個因素：（1）電動三輪車的起步落后于國外，生產地區(qū)較廣，無法制定相關的標準來約束電動三輪車的發(fā)展；（2）市場較廣，但市場的開發(fā)不夠全面，導致電動三輪車的整體水平較低，再加上多數(shù)企業(yè)采用套牌生產的方式，導致三輪車的性能和品質難以保證；（3）生產電動三輪車的企業(yè)規(guī)模較小，缺乏資金和核心技術的支持，不能形成較大的品牌，導致電動三輪車行業(yè)格局動蕩；（4）電動三輪車的主體與三輪摩托車類似，屬于低水平、低技術含量的組合體，設計比較傳統(tǒng)，思路比較單一，缺乏創(chuàng)新性。雖然電動三輪車在許多地方有著不可突破的局限，但是它有著許多車都沒有的優(yōu)點，比如節(jié)能減排、實用環(huán)保、方便快捷等，正是因為這些優(yōu)點，電動三輪車應用的領域越來越廣泛，在農村的地位顯得尤為重要。國內電動三輪車主要以正三輪車為主，按不同的用途可分為以下三種類型：（1）按車種分：普通三輪車和特種三輪車；（2）按功率分：單電瓶電動三輪車和多電瓶電動三輪車，本文研究的是一輛五個電瓶串聯(lián)的多電瓶電動三輪車；（3）按款式分：標準型，功率為 150W 左右，外形比較簡單，續(xù)行里程在40Km 至 50Km 之間，操作起來簡單方便。多功能型，在標準型的基礎上增加了避震裝置、照明裝置及喇叭等，功能比標準型多，騎行時比較舒適，夜間使用更為方便。豪華型，外形比較新穎，裝飾豪華，功能比多功能型更加齊全，設有儀表板，用來顯示速度、里程、電壓、電量等。4國內的電動三輪車用途比較廣泛，而國外的電動三輪車用途比較單一，主要用于旅游觀光，以倒三輪為主。1.5 國內電動三輪車車架的發(fā)展現(xiàn)狀車架是整車的主要承載部件，承受著這種各樣的力，所以車架應保證足夠的強度。國內電動三輪車車架都是矩形碳鋼管焊接而成，結構和工藝比較落后，存在諸多的缺點：（1）結構和工藝的落后，使得產品品牌的價值不能再產品本身上體現(xiàn)，使得各家的產品都處于低水平狀態(tài)；（2）車架重要部位的強度不夠，不重要的部位使用了較多的材料，造成了材料的浪費；（3）質量差外觀丑，在大規(guī)模制造時不能確保產品一致，合格率較低，嚴重時出現(xiàn)零件不能裝配的現(xiàn)象；（4）安全性差，由于車架主要采用焊接結構，在大規(guī)模制造時，很難控制焊接部位的焊接質量，造成三輪車在騎行時發(fā)生車架斷裂的情況；（5）生產效率低下，在制造車架的過程中，零件的焊接及裝配都是人工進行的，效率低下；（6）成本增高，三輪車行業(yè)處于發(fā)展初期，產品的技術不夠，所有技術都從零開始，避免不了的走彎路，使得投入的資金加大。電動三輪車的車架機構主要分為一下三類：（1）陣式車架結構陣式車架結構是早期采用的較為普遍的電動三輪車結構，結構簡單，整體大多地方采用料厚較大的鋼梁。這樣設計的效果雖然提高了車架整體的承載性能和抗扭剛度，但是相應的也降低了車架的空間利用率，造成車輛在行駛過程中相對不便，一般適用于大中型客車和載重型貨車。（2）承載式車架結構即“無車架結構的承載式車身”，其車身的設計要求很嚴格，生產工藝高，但是其重量輕且重心低，可利用的空間大。（3）鋼管式車架:鋼管式車架與承載式車架結構相似，也是由多個鋼管焊接而成，不同的是在車架的脆弱部位進行了加強，用以提高車架的整體剛度。51.6 課題研究的主要內容（1）了解電動三輪車車架的結構特點和連接方式，收集與三輪車相關的資料，制定三輪車車架分析思路與方法。（2）建立 CATIA 車架的三維模型 [2]，憑借計算機的數(shù)據(jù)處理水平，考慮分析結果的準確性和計算精度，設計不同的有限元模型，通過 ANSYS 的初步分析挑選出最好的方案，（3）根據(jù)電動三輪車的設計標準，分別在滿載彎曲、滿載緊急制動、滿載扭轉和爬坡 4 種工況下進行靜力分析，得出車架的強度和剛度數(shù)據(jù)，再將得出的數(shù)據(jù)與車架的材料的許用指標進行對比，看是否滿足強度和剛度的要求。（4）在靜力學分析的基礎上，利用 ANSYS workbench 平臺的動力學分析模塊對車架進行動力學分析 [3-4]，在常載和滿載時，分別以不同加速度、不同路段進行分析，得出車架在整車行駛過程中的動力學參數(shù)。（5）在動態(tài)性能分析過后，可利用 ANSYS workbench 平臺的模態(tài)分析模塊對車架進行模態(tài)分析，將分析得到的數(shù)值地面激勵的固有頻率進行對比，看會不會發(fā)生共振。若兩者數(shù)值接近，則會發(fā)生共振，并提出相應的解決方案。6第二章2.1 ANSYS workbench 簡介ANSYS workbench 是由美國 ANSYS 公司研發(fā)的新型有限元分析平臺，主要用來求解生活中的實際問題。它不僅有原 ANSYS 經(jīng)典平臺的有限元分析基本功能，還增加了功能強大的三維建模功能以及優(yōu)化設計功能。為了解決技術人員在產品設計與研發(fā)工作中遇到的各種問題而構造出了一個 CAD/CAE 的協(xié)同環(huán)境。ANSYS workbench 主要應用領域有航空航天、電子、機械、日用品等。ANSYS workbench 是一個功能強大的協(xié)同仿真平臺。它具有如下優(yōu)點：它可以和所有主流 CAD 軟件實現(xiàn)對接，并可以進行數(shù)據(jù)傳遞。網(wǎng)格劃分功能十分強大，ANSYS workbench 會根據(jù)研究的不同物理學科，設置了各種網(wǎng)格劃分算法的細節(jié)，保證了不同仿真分析都有合理的網(wǎng)格。同時，ANSYS workbench 具有強大的優(yōu)化設計功能，使產品在設計方面得到更好的優(yōu)化 [5-6]。2.2 電動三輪車組成及前期處理電動三輪車整車圖如下所示：圖 2-1 電動三輪車整車模型7電動三輪車整車主要包括下面幾個部分：（1）動力和傳動部分。主要由電瓶、驅動電機、傳動鏈輪、軸承、變速器等組成。（2）電氣儀表部分。主要由顯示燈、顯示裝置、音響裝置以及充電器等組成。（3）操縱制動部分。主要由調速裝置、車把、制動裝置組成。（4）車身部分。主要由車架、車斗、座椅、前叉、輪胎等組成。由于車架是一個較大的承載件，在建立三維模型前應進行簡化處理，即忽略一些對車架影響不大的受力件即裝置，并對車身載荷進行分配。三輪車的動力部分質量不可忽略，可考慮將動力部分的質量分配給左右副直梁；電器儀表部分和操縱制動部分質量較輕，對整車行駛沒有影響，故可以忽略其質量。2.3 坐標系的確定及車架模型三維圖為了有限分析的順利進行，在進行分析前必須先對車架模型劃分坐標系，選取車架的左右對稱面為 OXY 面，OYZ 面為踏板第一梁的前端面，OXZ 面為踏板第一梁的頂面。規(guī)定 X 軸的正方向朝車尾，Y 軸的正方向朝上，Z 軸正方向為駕駛員左手方向，其差價三維圖及坐標示意圖如下：圖 2-2 電動三輪車車架主視圖8圖 2-3 電動三輪車車架主視圖圖 2-4 電動三輪車車架俯視圖9圖 2-5 電動三輪車車架坐標圖10第三章3.1 靜力結構分析基本原理靜力學分析 [7]是用來計算結構在定載荷作用下的各種響應，如位移響應、應力響應、應變響應等，即探討結構在受到外力作用后，結構的變形、應力、應變分別是多少。和固定不變的載荷相對應，在結構靜力分析中，結構響應也是固定不變的。靜力學分析中，固定不變的載荷與響應是一種理想的假設，假設載荷和結構響應時間的變化很慢。通常來說，靜力分析所處理的載荷一般包括五種：①位移載荷②慣性力③外部施加的力④溫度載荷⑤能流載荷。結構靜力分析也就是研究結構在固定不變的載荷作用下物體的變形及強度。在經(jīng)典力學中動力學的通用方程：（3-1）????????tPK}{CMf???式中[M]為與質量相關的矩陣，[C]為與阻尼相關的矩陣，[K]為與剛度相關的矩陣， ?為位移矢量，P 為力矢量。靜力學與動力學相比，靜力學少了時間的約束，所以在靜力學分析中應忽略與時間相關因素，即排除 和 ，故靜力學方程可以寫成下列形式：?（3-2）????fPK?通常，在靜力學分析過程中，研究某一點的應力狀態(tài)時，一般用 、 、1?2來表示該點三個方向的主應力，并規(guī)定 ＞ ＞ ，遵循材料力學里四大強3? 1?23度理論中的第四強度理論 [8]，第四強度的表述是：形狀改變比能是引起材料發(fā)生屈服破壞的主要因素，無論在什么應力狀態(tài)下，只要構件內的任意一點處的形狀改變比能到達單向應力狀態(tài)下的最大值，材料就會發(fā)生屈服破壞。發(fā)生破壞的條件，按第四強度理論的強度條件為：， ≤[ ] （3-3）??????213221r ???????r?[ ]為材料的屈服強度， 、 、 為某一點的主應力。12311由于本車是一款新型車，車架的綜合性能是否到達設計要求無法全面衡量，所以對車架的參數(shù)的有限元模擬驗證是很有必要的。為了確保車架在滿足強度和剛度的前提下能達到設計的目標值，所以需要對該車在不同工況下進行靜力分析，在得出車架的總變形及相關零件的最大應力、最大應變圖的情況下，可以初步知道哪些地方為車架的薄弱環(huán)節(jié)，并采取相應的加強措施，避免整車在行駛過程中因車架變形過大而斷裂現(xiàn)象發(fā)生。3.2 確定材料參數(shù)車電動三輪車車架材料采用的是普通碳鋼 Q235，進行靜力學分析前，需對材料進行設置，Q235 相關數(shù)據(jù)如下表所示：表 3-1 材料參數(shù)彈性模量MPa密度 3kg/m泊松比 屈服應力MPa抗拉強度MPa5106.2?3108.7?0.28 235 375~4603.3 單元網(wǎng)格的劃分ANSYS 程序的網(wǎng)格劃分功能十分強大，使用十分便捷，并且劃分網(wǎng)格的質量高。其網(wǎng)格的劃分方法 [9-13]主要包括四種：自由網(wǎng)格劃分、映射網(wǎng)格劃分、延伸網(wǎng)格劃分、自適應網(wǎng)格劃分。（1）自由網(wǎng)格劃分自由網(wǎng)格劃分方法沒有對單元的形狀進行限制，網(wǎng)格也不遵循任何模式，所以這種網(wǎng)格劃分方法適合對復雜的模型進行網(wǎng)格劃分。另外，部分用戶選擇先對模型進行網(wǎng)格劃分然后進行組裝，組裝時發(fā)生網(wǎng)格不匹配現(xiàn)象，造成了很多的麻煩，自由網(wǎng)格劃分就可避免這種現(xiàn)象。在對面進行網(wǎng)格劃分的時候，自由網(wǎng)格劃分可以選擇單元的組成形狀，可以選擇只有四邊形組成，也可以只有三角形組成，或者三角形和四邊形混合。12在對體進行自由網(wǎng)格劃分時，一般指定網(wǎng)格為四面體單元、六面體單元作為過渡。（2）映射網(wǎng)格劃分映射網(wǎng)格劃分采用的是先分再合的原理，用戶先將將模型拆分成幾個部分，然后選擇適合各部分的單元屬性和網(wǎng)格控制，再生成映射網(wǎng)格，這種劃分網(wǎng)格的方法主要用于規(guī)則面和體的網(wǎng)格劃分。（3）延伸網(wǎng)格劃分延伸網(wǎng)格劃分可以將一個二維的平面網(wǎng)格通過體掃掠的方法轉化成一個三維實體網(wǎng)格，提單元是從體的一個面掃掠貫穿整個體而形成的。如果體掃掠掃過的網(wǎng)格面形狀全部是三角形，那么體將自動生成四面體單元，如果網(wǎng)格面形狀全部是四邊形，那么體將自動生成六面體單元，如果面單元由三角形網(wǎng)格和四邊形網(wǎng)格共同組成，則體將由四面體單元和六面體單元共同組成。（4）自適應網(wǎng)格劃分自適應網(wǎng)格劃分的前提是生成了具有邊界條件的實體模型，用戶可以指示程序自動地進行網(wǎng)格劃分，并對網(wǎng)格的離散誤差進行分析、估計，直到誤差的值小于用戶事先定義的值或者達到用戶事先定義的求解次數(shù)。從車架整體來說，車架屬于焊接件，外部形狀較為復雜，因此采取自由網(wǎng)格劃分的方法。單元網(wǎng)格主要以三維四面體和六面體為主。具體網(wǎng)格劃分結果如下圖所示：圖 3-1 電動三輪車車架網(wǎng)格劃分圖通過 ANSYS workbench 網(wǎng)格劃分結果得出，該車架模型共 54108 個節(jié)點，25251 個單元。133.4 確定約束和邊界條件對于電動三輪車車架而言，車把管只起著控制三輪車的行駛方向的作用，通過軸承和車把管組合在一起，所以需要限制車把管在 XYZ 方向的移動，即將車把管的下端面定義為固定支撐。同理，焊接在車架上的 8 個吊耳和吊板，主要作用就是將車身載荷傳遞給板簧，故也可以將其定義為固定支撐。對于車身載荷的具體分配如下：表 3-2 車身載荷分配載荷名稱 質量/Kg車架自重 84駕駛員重量 80車斗自重 105常載載荷 500滿載載荷 600電瓶 5X6工具盒 10載荷分配具體方案如下：①車斗自重 105Kg，與所載貨物一同作用在車架上，故可以將貨物與車斗作為一個集中地質量點作用在車加邊框的上表面幾何中心處，作用點坐標（1650,410,0）；②車架自重可以以添加重力加速度的形式作用在車架的中心處心處；③對于駕駛員來說，其質量可以分為三部分，臀部落點處和雙腳落點處，并規(guī)定雙腳落點處的載荷都為 10Kg，其坐標為（150,0,170）和（150,0，-170），則臀部落點的質量為 60Kg，作用點坐標為（560,540,0）；④工具盒與第一電瓶架都位于座椅正下方，故可以將工具盒與電瓶作為一個質量點作用于踏板左右縱梁上，作用點坐標為（650，0，0）；⑤第二電瓶架位于第一橫梁和第二橫梁下側，第二電瓶架里有三個電瓶，可以將三個電瓶作為一個質量點作用在踏板左右橫梁上，作用點坐標為（1050，0，0）；⑥第三電瓶架位于第二橫梁和第三橫梁下方，第三電瓶架里面有一個電瓶，將電瓶作為一個質量點作用在踏板左右縱梁上，作用點坐標為（1480,0,0）。14車架的載荷施加圖如下：圖 3-2 電動三輪車車架載荷施加圖3.5 彎曲工況分析彎曲工況，指的是車輛受到外部載荷的作用，在干燥的路面上靜止或者做勻速運動時，路面對車架變形及強度的影響程度。彎曲工況下，車架載荷、邊界施加圖、車架總變形量云圖及等效應力云圖如下所示：表 3-3 車架載荷分配項目名稱 參數(shù)左踏腳點 10Kg右踏腳點 10Kg臀部落點 60Kg第一電瓶架作用點 16Kg第二電瓶架作用點 18Kg第三電瓶架作用點 6Kg車斗 105Kg常載 500Kg滿載 600Kg標準重力加速度 9806 2m/s15圖 3-3 常載彎曲工況下載荷及邊界條件施加圖圖 3-4 常載彎曲工況下車架總變形圖圖 3-5 常載彎曲工況下車架等效應力云圖16圖 3-6 滿載彎曲工況下載荷及邊界條件施加圖圖 3-7 滿載彎曲工況下車架總變形圖圖 3-8 滿載彎曲工況下車架等效應力云圖173.6 滿載緊急制動工況分析根據(jù)《載重型電動三輪車通用技術條件》DB37/T 1010-2008 中對電動三輪車制動距離的規(guī)定：載重型電動三輪車以 20km/h 車速行駛時，其干態(tài)制動距離應小于等于 6m，濕態(tài)制動距離應小于等于 15m。根據(jù)本文需要，則選擇滿載時干態(tài)路面進行測試，根據(jù)相關的物理知識可以得出，該電動三輪車在制動時的加速度為 ，方向沿 X 軸的正方向。緊急制動工況下，車架載荷、邊2s/m57界施加圖、車架總變形量云圖及等效應力云圖如下所示：表 3-4 車架載荷分配項目名稱 參數(shù)左踏腳點 10Kg右踏腳點 10Kg臀部落點 60Kg第一電瓶架作用點 16Kg第二電瓶架作用點 18Kg第三電瓶架作用點 6Kg車斗 105Kg滿載 600Kg標準重力加速度 9806 2m/s制動距離 6m制動初速度 0k/h制動加速度 257s18圖 3-9 滿載緊急制動工況下載荷及邊界條件施加圖圖 3-10 滿載緊急制動工況下車架總變形圖圖 3-11 滿載緊急制動工況下車架等效應力云圖193.7 爬坡工況分析根據(jù)《載重型電動三輪車通用技術條件》DB37/T 1010-2008 中對電動三輪車駐車制動性能的規(guī)定：即使車上沒有駕駛員，車輛也能平穩(wěn)的停在上下坡道上，駕駛員必須在座位上就可以使車輛制動。另外，應保證載重型電動三輪車在 6°的坡路制動狀態(tài)下，正反兩個方向上應能保持固定不動的狀態(tài)。常載爬坡的含義是車輛以大于 15km/h 的車速在 10°的斜坡上勻速行駛或靜止在斜坡上時，地面制動力對車架結構的應力和應變的影響。滿載爬坡的含義是車輛以大于 10km/h 的車速在 8°的斜坡上迅速行駛或者靜止在斜坡上時，地面制動力對車架結構的應力和應變的影響。在爬坡工況下，車架載荷、邊界施加圖、車架總變形量、等效應力云圖如下所示：圖 3-12 常載爬坡工況下載荷及邊界條件施加圖20圖 3-13 常載爬坡工況下車架總變形圖圖 3-15 常載爬坡工況下車架等效應力云圖圖 3-16 滿載爬坡工況下載荷及邊界條件施加圖21圖 3-17 滿載爬坡工況下車架總變形圖圖 3-18 滿載爬坡工況下車架等效應力云圖3.8 滿載扭轉工況分析根據(jù)《載重型電動三輪車通用技術條件》DB37/T 1010-2008 中對電動三輪車側傾穩(wěn)定性的規(guī)定：載重型電動三輪車在前后或左右傾斜 20°時應能保持相對穩(wěn)定。此工況下，車架載荷、邊界施加圖、車架總變形量云圖及等效應力云圖如下所示：22圖 3-19 左輪抬高時車架載荷及邊界條件施加圖圖 3-20 左輪抬高時車架總變形圖圖 3-21 左輪抬高時車架等效應力云圖23圖 3-22 右輪抬高時車架的載荷及邊界施加圖圖 3-23 右輪抬高時車架的總變形圖圖 3-24 右輪抬高時車架的等效應力云圖243.9 各工況計算結果的分析對常載彎曲工況分析，從車架的等效應力云圖可以得出最大等效應力位于右縱梁與右外吊板的連接處，其應力大小為 61.11MPa，其余部位應力值均較小，其中踏板左縱梁末端應力值最小。從車架的總變形云圖可以看出，最大變形處位于車斗第四橫梁的中間部位，其最大變形量為 0.61054mm，最小變形處位于車把管下端面。對滿載彎曲工況分析，從車架的等效應力云圖可以得出最大等效應力位于右縱梁與右外吊板的連接處，其應力大小為 67.785MPa，其余部位應力值均較小，其中踏板左梁末端應力值最小。從車架的總變形云圖可以看出，最大變形處位于車斗第四衡量的中間部位，其最大變形量為 0.7069mm，最小變形量位于車把管下端面。出現(xiàn)這種情況的原因是因為車架、車斗及貨物的重量主要依靠吊耳和吊板傳遞給板簧，因此吊耳及吊板處會出現(xiàn)應力集中，而第四橫梁下方?jīng)]有支撐，導致第四橫梁出現(xiàn)向下彎曲的現(xiàn)象。對滿載緊急制動工況分析，從車架的等效應力云圖可以得出最大等效應力也位于右縱梁與右外吊板的連接處，其應力大小為 61.901MPa，應力最小的地方位于踏板左縱梁末端。從車架的總變形云圖可以得出，最大變形處位于車斗第四橫梁的中間部位，其最大變形量為 0.67576mm，最小變形處位于車把管下端面。對常載爬坡工況分析，從車架的等效應力云圖可以得出最大等效應力位于右縱梁與右吊板的連接處，其應力大小為 70.709MPa，應力最小的地方位于踏板左縱梁的末端。從車架的總變形云圖可以可以看出，最大變形出處位于車斗第四橫梁的中間部位，其最大變形量為 0.72498mm，最小變形處位于車把管的下端面。對滿載爬坡工況的分析，從車架的等效應力云圖可以得出最大等效應力位于右縱梁與右吊板的連接處，其應力大小為 70.291MPa，應力最小的地方位于踏板左縱梁的末端。從車架的總變形云圖可以可以看出，最大變形出處位于車斗第四橫梁的中間部位，其最大變形量為 0.72291mm，最小變形處位于車把管的下端面。對滿載扭轉工況的分析，當左輪抬高時，從車架的等效應力云圖可以得出最大等效應力位于右縱梁與右外吊板的連接處，其應力大小為 110.71MPa，應25力最小的地方位于踏板左縱梁的末端，變形量最大的地方仍然是第四橫梁中部，其大小為 0.72274mm。出現(xiàn)這種狀況的原因是因為左側車輪抬起后，大部分載荷向右便宜，使右側載荷急劇增大。當右輪抬起時，從車架的等效應力云圖可以得出最大等效應力位于左縱梁與左外吊板的連接處，其應力大小為108.88MPa，應力最小的地方位于踏板右縱梁的末端，變形量最大的地方仍然是第四橫梁中部，其大小為 0.72592mm。出現(xiàn)這種狀況的原因是因為左側車輪抬起后，大部分載荷向左偏移，使左側載荷急劇增大。綜上所述，在滿載彎曲工況、滿載緊急制動工況、爬坡工況、滿載扭轉工況，車架所受的最大等效應力均不超過材料的許用應力 235MPa，由此可得，該車架滿足靜態(tài)力學性能能要求。表 3-5 各工況分析結果項目名稱 最大變形量/mm 最大等效應力/MPa常載 0.61054 61.11彎曲工況滿載 0.7069 67.785滿載緊急制動工況 0.67576 61.901常載 0.72498 70.709爬坡工況滿載 0.72291 70.291左輪抬高 0.72274 110.71扭轉工況右輪抬高 0.72592 108.8826第四章4.1 動態(tài)分析簡介在實際生活中，衡量一個物體的結構是否滿足強度要求的條件不僅是在結構靜止時承受載荷不發(fā)生斷裂，而且要在運動過程中受到外界的各種載荷不發(fā)生斷裂現(xiàn)象。因此，在對電動三輪車進行靜態(tài)分析的基礎上，再對車架進行動態(tài)分析，保證電動三輪車在實際行駛時的強度。4.2 動態(tài)分析的選擇原則（1）如果在相對較長時間內載荷時一個常數(shù)，可選擇靜力分析，否則為動態(tài)分析；（2）如果動載荷頻率小于結構最低階固有頻率的 1/3，可進行靜力分析；（3）載荷對結構剛度的變化可忽略時，可進行線性分析；（4）載荷引起結構剛度的變化很顯著時，或應變超過彈性范圍，或兩物體間存在接觸，必須進行非線性分析。4.3 動力學分析根據(jù)《載重型電動三輪車通用技術條件》DB37/T 1010-2008 中對電動三輪車動力學性能的要求主要是對電動三輪車的加速工況進行模擬，即對電動三輪車在不同路段以恒定的加速度行駛進行模擬分析。由于電動三輪車在行駛過程中加速度恒定，即所受的載荷恒定，故選擇靜力分析。其主要參數(shù)如下：表 4-1 加速工況主要參數(shù)項目名稱 加速度 a 初速度 v 所用時間t參數(shù)左落腳點 10kg右落腳點 10kg臀部落點 60kg工具盒 10kg電瓶 5x6kg電動三輪車車架設計及動態(tài)分析,答 辯 人：,目錄,一、課題背景及意義,電動三輪車在生活中應用廣泛，使人們的出行更加便捷。在方便我們出行的同時，保證電動三輪車的行駛安全也是非常有必要的。車架作為電動三輪車的基本骨架，承受著來自內部以及外部的大多數(shù)載荷，因此要保證整車行駛的安全性，就必須保證車架有足夠的強度及剛度。傳統(tǒng)的設計方法主要依靠經(jīng)驗及路試完成，效率較低，材料分配不合理，造成材料浪費現(xiàn)象。隨著計算機科技的發(fā)展，有限元法日趨成熟，利用有限元法來設計車架結構已是大勢所趨。利用有限元法設計車架結構，可以預測車架的變形及應力分布情況，避免了因材料分配不合理造成材料少用或多用的情況。,二、相關軟件的選用,建模軟件,有限元分析軟件,三輪車車架模型,三、有限元分析介紹,ANSYS網(wǎng)格劃分,對結構模型進行簡化后，再將結構體劃分成有限個單元組成的離散體，單元之間通過單元節(jié)點相連接。由單元，單元節(jié)點，節(jié)點連線構成的集合成為網(wǎng)格。,通常把三維實體劃分成四面體或六面體單元網(wǎng)格。,電動三輪車車架模型的網(wǎng)格劃分結果,節(jié)點數(shù)：54108 單元數(shù)：25251,求解,①在網(wǎng)格劃分之后，系統(tǒng)則會根據(jù)單元的材料性質、形狀、尺寸、節(jié)點數(shù)目、位置及其含義等，找出單元節(jié)點力和節(jié)點位移的關系式； ②將作用在單元邊界上的表面力，體積力和集中力等效的移到節(jié)點上，也就是用等效的節(jié)點力來代替所有作用在單元上的力； ③利用結構力的平衡條件和邊界條件把各個單元按原來的結構重新連接起來，形成整體的有限元方程； ④根據(jù)方程組的具體特點來選擇合適的計算方法，解有限元方程式得出位移。,四、分析過程及結論,1.導入模型并定義材料,,,,材料定義,,幾何建模,模型處理及求解,2.建立坐標系及劃分網(wǎng)格,為了更好的確定載荷施加位置，則可建立局部坐標系。以電動三輪車車架模型的左右對稱面為XOY面，踏板第一橫梁的上端面為XOZ面，踏板底橫梁的前端面為YOZ面，并規(guī)定X軸的正方向為車輛行駛的反方向，Y軸的正方向豎直向上，Z軸的正方向位于駕駛員左手方向。ANSYS workbench可根據(jù)導入模型的特征自動化分網(wǎng)格，用戶只需指定模型的適用場合即可對模型進行網(wǎng)格劃分。,3.施加載荷并確定邊界條件,載荷大小及作用點坐標,4.求解,求解結果,,靜力學分析結果,動力學分析結果,模態(tài)分析結果,,最大等效應力,最大變形量,,最大等效應力,最大變形量,結 論,通過對該車架模型的模擬分析可知，無論是靜態(tài)還是動態(tài)分析，車架的變形量都較小，且都發(fā)生在第四橫梁中間部分；最大等效應力也未超過材料允許的許用強度235MPa；所以該電動三輪車車架模型滿足動態(tài)及靜態(tài)性能要求。通過對車架模型的模態(tài)分析可知，電子定子鐵芯的各階固有頻率均高于車架的固有頻率，所以該車架不會與電機發(fā)生共振現(xiàn)象。,五.論文總結及展望,本文運用了有限元方法對載貨型電動三輪車進行了靜態(tài)分析和動態(tài)分析，完成了幾種生活中常見的工況分析，其主要內容如下： （1）首先針對整車的模型進行了簡化處理，然后運用三維模型設計軟件CATIA對電動三輪車車架進行建模； （2）利用ANSYS workbench中的靜力分析模塊，將導入的車架模型進行材料屬性的定義并對模型劃分網(wǎng)格，為靜力分析打下基礎； （3）通過求解器對車架模型分別在彎曲工況、緊急制動工況、爬坡工況以及滿載扭轉工況進行了求解，得出車架最大變形量及最大等效應力的數(shù)值，并得出了車架模型滿足靜態(tài)強度的要求； （4）在滿足靜態(tài)強度的基礎上對車架進行了動態(tài)分析，模擬整車的行駛過程，具體是對不同的路段以恒加速度行駛時，車架結構能否滿足動態(tài)行駛過程中所需的強度，經(jīng)過分析，得出了車架模型滿足動態(tài)行駛時所需的強度要求；,（5）為預防車架結構會與電機定子鐵芯發(fā)生共振現(xiàn)象，又利用ANSYS workbench中的模態(tài)分析模塊對車架模型了進行了模態(tài)分析，得出了車架的前六階固有頻率，通過兩者的對比，得出了車架不會與電機定子發(fā)生共振的結論。本文雖對車架模型進行了靜態(tài)和動態(tài)分析，但仍有不足之處。一，由于條件限制，并沒有對車架模型的尺寸進行測量造成車架模型的尺寸與實際尺寸有偏差，所以分析的結果會發(fā)生差距；二，對ANSYS軟件的運用不嫻熟，對各模塊的功能沒有研究透徹，造成模型的預處理不詳細或者造成偏差。這兩點雖然對結論沒有太大影響，但是影響了分析結果的嚴謹性。所以，希望以后能夠對ANSYS軟件進行深入性的學習，對各模塊進行深入了解，同時也希望對車架結構尺寸進行實際的測量，增加分析結果的嚴謹性。,Thanks For Watching,謝謝觀看,