電動三輪車車架設(shè)計及動態(tài)分析說明書及答辯PPT
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電動三輪車車架設(shè)計及動態(tài)分析
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(shù)限制，電動三輪車摩托車的車架在設(shè)計時，主要由傳統(tǒng)的設(shè)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(jié)構(gòu)的設(shè)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(guān)數(shù)據(jù)。由于電腦技術(shù)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(guān)的力學性能參數(shù)。以下是本文的主要內(nèi)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)、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(guān)鍵詞：三輪車；車架；ANSYS；靜強度；動力學分析；振型
Abstract
The 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 2
1.1電動三輪車簡介 2
1.2研究背景 2
1.3研究的目的和意義 2
1.4國內(nèi)電動三輪車發(fā)展歷史及現(xiàn)狀 3
1.5國內(nèi)電動三輪車車架的發(fā)展現(xiàn)狀 4
1.6課題研究的主要內(nèi)容 5
第二章 6
2.1 ANSYS workbench簡介 6
2.2電動三輪車組成及前期處理 6
2.3坐標系的確定及車架模型三維圖 7
第三章 10
3.1靜力結(jié)構(gòu)分析基本原理 10
3.2確定材料參數(shù) 11
3.3單元網(wǎng)格的劃分 11
3.4確定約束和邊界條件 13
3.5彎曲工況分析 14
3.6滿載緊急制動工況分析 17
3.7爬坡工況分析 19
3.8滿載扭轉(zhuǎn)工況分析 21
3.9各工況計算結(jié)果的分析 24
第四章 26
4.1動態(tài)分析簡介 26
4.2動態(tài)分析選擇原則 26
4.3動力學分析 26
4.3.1 0-20m常載加速工況計算 27
4.3.2 0-40m常載加速工況計算 28
4.3.3 0-80m常載加速工況計算 30
4.3.4 0-20m滿載加速工況計算 31
4.3.5 0-40m滿載加速工況計算 32
4.3.6 0-80m滿載加速工況計算 34
4.4計算結(jié)果分析 35
第五章 37
5.1模態(tài)分析簡介 37
5.2模態(tài)分析結(jié)果 37
5.3模態(tài)分析結(jié)論 40
論文總結(jié) 42
參考文獻 43
致謝 44
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(jié)計的不合理。比如結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的有限元分析模擬，在車架未規(guī)模生產(chǎn)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(shè)計，主要是依靠傳統(tǒng)的經(jīng)驗，將電動三輪車車架結(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)計方法可行，但不能是車架的結(jié)構(gòu)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(chǎn)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(shè)計的方法，使各零件的尺寸合理，材料運用得當，減少生產(chǎn)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(chǔ)上，對車架結(jié)構(gòu)進行動態(tài)分析，最后得出了車架滿足動態(tài)性能的要求。
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(zhuǎn)動，再通過鏈條和鏈輪將動力傳遞給驅(qū)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)取?
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(chǎn)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(shè)計的精度和水平，因此有限元法在整車的設(shè)計上運用比較廣泛。目前，在設(shè)計車架的過程中，設(shè)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(shè)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(jié)構(gòu)過重，增加設(shè)計和制造的成本；第二，在傳統(tǒng)的方法中，設(shè)計和計算結(jié)果可能會不同步，車架的生產(chǎn)周期延長。為了提高車架的設(shè)計水平和生產(chǎn)制造車架的效率，有必要大幅度增加使用有限元法來設(shè)計車架的比重。
1.3 研究的目的和意義
在整車結(jié)構(gòu)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(zhì)量。在復雜路況總承受著不同的力和力矩?，F(xiàn)在設(shè)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(shè)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(guān)系到三輪車的正常行駛，同時也關(guān)系到三輪車整車的安全性。
1.4 國內(nèi)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(chǎn)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(guān)的企業(yè)高達上千家。2012年，三輪車產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)地區(qū)較廣，無法制定相關(guān)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(chǎn)的方式，導致三輪車的性能和品質(zhì)難以保證；
（3） 生產(chǎn)電動三輪車的企業(yè)規(guī)模較小，缺乏資金和核心技術(shù)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(shù)含量的組合體，設(shè)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(lǐng)域越來越廣泛，在農(nóng)村的地位顯得尤為重要。
國內(nèi)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(chǔ)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(shè)有儀表板，用來顯示速度、里程、電壓、電量等。
國內(nèi)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(nèi)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(nèi)電動三輪車車架都是矩形碳鋼管焊接而成，結(jié)構(gòu)和工藝比較落后，存在諸多的缺點：
（1） 結(jié)構(gòu)和工藝的落后，使得產(chǎn)品品牌的價值不能再產(chǎn)品本身上體現(xiàn)，使得各家的產(chǎn)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(zhì)量差外觀丑，在大規(guī)模制造時不能確保產(chǎn)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(jié)構(gòu)，在大規(guī)模制造時，很難控制焊接部位的焊接質(zhì)量，造成三輪車在騎行時發(fā)生車架斷裂的情況；
（5） 生產(chǎn)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(chǎn)品的技術(shù)不夠，所有技術(shù)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(gòu)主要分為一下三類：
（1） 陣式車架結(jié)構(gòu)
陣式車架結(jié)構(gòu)是早期采用的較為普遍的電動三輪車結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，整體大多地方采用料厚較大的鋼梁。這樣設(shè)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(jié)構(gòu)
即“無車架結(jié)構(gòu)的承載式車身”，其車身的設(shè)計要求很嚴格，生產(chǎn)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(jié)構(gòu)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。
1.6 課題研究的主要內(nèi)容
（1）了解電動三輪車車架的結(jié)構(gòu)特點和連接方式，收集與三輪車相關(guān)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(jié)果的準確性和計算精度，設(shè)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(shè)計標準，分別在滿載彎曲、滿載緊急制動、滿載扭轉(zhuǎn)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(chǔ)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。
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(shè)計功能。為了解決技術(shù)人員在產(chǎn)品設(shè)計與研發(fā)工作中遇到的各種問題而構(gòu)造出了一個CAD/CAE的協(xié)同環(huán)境。ANSYS workbench主要應用領(lǐng)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(shè)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(shè)計功能，使產(chǎn)品在設(shè)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
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(qū)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(diào)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(zhì)量不可忽略，可考慮將動力部分的質(zhì)量分配給左右副直梁；電器儀表部分和操縱制動部分質(zhì)量較輕，對整車行駛沒有影響，故可以忽略其質(zhì)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
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
圖2-5 電動三輪車車架坐標圖
第三章
3.1 靜力結(jié)構(gòu)分析基本原理
靜力學分析[7]是用來計算結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)在受到外力作用后，結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)靜力分析中，結(jié)構(gòu)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(shè)，假設(shè)載荷和結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)靜力分析也就是研究結(jié)構(gòu)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）
式中[M]為與質(zhì)量相關(guān)的矩陣，[C]為與阻尼相關(guān)的矩陣，[K]為與剛度相關(guān)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(guān)因素，即排除和，故靜力學方程可以寫成下列形式：
（3-2）
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、、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(gòu)件內(nèi)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）
[]為材料的屈服強度，、、為某一點的主應力。
由于本車是一款新型車，車架的綜合性能是否到達設(shè)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(shè)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(guān)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(shè)置，Q235相關(guān)數(shù)據(jù)如下表所示：
表3-1 材料參數(shù)
彈性模量
MPa
密度
泊松比
屈服應力
MPa
抗拉強度
MPa
0.28
235
375~460
3.3 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(zhì)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。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(zhuǎn)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(jié)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(jié)果得出，該車架模型共54108個節(jié)點，25251個單元。
3.4 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(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)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(cè)，第二電瓶架里有三個電瓶，可以將三個電瓶作為一個質(zhì)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(zhì)量點作用在踏板左右縱梁上，作用點坐標為（1480,0,0）。
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
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
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
3.6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(shù)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(guān)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
制動距離
6m
制動初速度
制動加速度
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
3.7 爬坡工況分析
根據(jù)《載重型電動三輪車通用技術(shù)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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
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
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(zhuǎn)工況分析
根據(jù)《載重型電動三輪車通用技術(shù)條件》DB37/T 1010-2008中對電動三輪車側(cè)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：
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
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
3.9 各工況計算結(jié)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(zhuǎn)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(cè)車輪抬起后，大部分載荷向右便宜，使右側(cè)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(cè)車輪抬起后，大部分載荷向左偏移，使左側(cè)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(zhuǎn)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(jié)果
項目名稱
最大變形量/mm
最大等效應力/MPa
彎曲工況
常載
0.61054
61.11
滿載
0.7069
67.785
滿載緊急制動工況
0.67576
61.901
爬坡工況
常載
0.72498
70.709
滿載
0.72291
70.291
扭轉(zhuǎn)工況
左輪抬高
0.72274
110.71
右輪抬高
0.72592
108.88
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(jié)構(gòu)是否滿足強度要求的條件不僅是在結(jié)構(gòu)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(chǔ)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(nèi)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(jié)構(gòu)最低階固有頻率的1/3，可進行靜力分析；
（3） 載荷對結(jié)構(gòu)剛度的變化可忽略時，可進行線性分析；
（4） 載荷引起結(jié)構(gòu)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(shù)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
車斗
105kg
常載加速工況
0-20m
0
7.07s
500kg
0-40m
0
11.55s
0-80m
0
20.00s
滿載加速工況
0-20m
0
7.56s
600kg
0-40m
0
12.65s
0-80m
0
23.09s
重力加速度
4.3.1 0-20m常載加速工況計算
0-20m常載加速工況計算是指：電動三輪車三輪全部著地，以初速度為0，加速度為800，沿X軸負半軸運動運動時車架的應力及變形情況。車架載荷、邊界施加圖、總變形量、等效應力云圖如下所示：
圖4-1 0-20m常載加速工況車架載荷及邊界條件施加圖
圖4-2 0-20m常載加速工況車架總變形量云圖
圖4-3 0-20m常載加速工況車架等效應力云圖
4.3.2 0-40m常載加速工況計算
0-40m常載加速工況計算是指：電動三輪車三輪全部著地，以初速度為0，加速度為600，沿X軸負半軸運動運動時車架的應力及變形情況。車架載荷、邊界施加圖、總變形量、等效應力云圖如下所示：
圖4-4 0-40m常載加速工況車架載荷極邊界
圖4-5 0-40m常載加速工況車架總變形量云圖
圖4-6 0-40m常載加速工況車架等效應力云圖
4.3.3 0-80m常載加速工況計算
0-80m常載加速工況計算是指：電動三輪車三輪全部著地，以初速度為0，加速度為400，沿X軸負半軸運動運動時車架的應力及變形情況。車架載荷、邊界施加圖、總變形量、等效應力云圖如下所示：
圖4-7 0-80m常載加速工況車架載荷及邊界條件施加圖
圖4-8 0-80m常載加速工況車架總變形量云圖
圖4-9 0-80m常載加速工況車架等效應力云圖
4.3.4 0-20m滿載加速工況計算
0-20m滿載加速工況計算是指：電動三輪車三輪全部著地，以初速度為0，加速度為700，沿X軸負半軸運動運動時車架的應力及變形情況。車架載荷、邊界施加圖、總變形量、等效應力云圖如下所示：
圖4-10 0-20m滿載加速工況車架載荷及邊界條件施加圖
圖4-11 0-20m滿載加速工況車架總變形量云圖
圖4-12 0-20m滿載加速工況車架等效應力云圖
4.3.5 0-40m滿載加速工況計算
0-40m滿載加速工況計算是指：電動三輪車三輪全部著地，以初速度為0，加速度為500，沿X軸負半軸運動運動時車架的應力及變形情況。車架載荷、邊界施加圖、總變形量、等效應力云圖如下所示：
圖4-13 0-40m滿載加速工況車架載荷及邊界條件施加圖
圖4-14 0-40m滿載加速工況車架總變形量云圖
圖4-15 0-40m滿載加速工況車架等效應力云圖
4.3.6 0-80m滿載加速工況計算
0-80m滿載加速工況計算是指：電動三輪車三輪全部著地，以初速度為0，加速度為300，沿X軸負半軸運動運動時車架的應力及變形情況。車架載荷、邊界施加圖、總變形量、等效應力云圖如下所示：
圖4-16 0-80m滿載加速工況車架載荷及邊界條件施加圖
圖4-17 0-80m滿載加速工況車架總變形量云圖
圖4-18 0-80m滿載加速工況車架等效應力云圖
4.4計算結(jié)果分析
電動三輪車加速行駛工況時的應力及應變統(tǒng)計如下表：
表4-2 加速工況分解結(jié)果統(tǒng)計表
項目名稱
加速度
最大變形量
最大變形發(fā)生區(qū)域
最大應力值
最大等效應力所在區(qū)域
常載加速工況
0-20m
0.62197mm
第四橫梁中部
62.798MPa
右縱梁與右外吊板連接處
0-40m
0.61906mm
第四橫梁中部
62.375MPa
右縱梁與右外吊板連接處
0-80m
0.61619mm
第四橫梁中部
61.953MPa
右縱梁與右外吊板連接處
滿載加速工況
0-20m
0.71853mm
第四橫梁中部
69.405MPa
右縱梁與右外吊板連接處
0-40m
0.71509mm
第四橫梁中部
68.941MPa
右縱梁與右外吊板連接處
0-80m
0.71179mm
第四橫梁中部
68.478MPa
右縱梁與右外吊板連接處
由上表可知，在加速工況下，發(fā)生最大變形的區(qū)域都在車斗第四橫梁的中部，最大等效應力都集中在右縱梁與右外吊板的連接處。這一結(jié)論與靜態(tài)分析得到的結(jié)果完全吻合，而且不論在何種工況下，車架的等效應力值均不大于材料的許用應力235MPa，可見該車架滿足動態(tài)性能的要求。
第五章
5.1模態(tài)分析簡介
模態(tài)振動[13]是彈性結(jié)構(gòu)本身具有的整體特征，通過ANSYS workbench 中的模態(tài)分析功能可以對電動三輪車車架進行模態(tài)分析，得出車架的各階模態(tài)特性。通過得到的模態(tài)特性，就可以預測在此頻段內(nèi)外部或內(nèi)部振源作用下產(chǎn)生的實際振動響應。
對于電動三輪車整車而言，如果車架的振型與地面的固有頻率相近，則車架與地面就會發(fā)生共振，這不僅影響到整車行駛過程的穩(wěn)定性，而且對駕駛員的身體有較大的影響，所以克服電機定子與車架發(fā)生共振是非常必要的。
5.2模態(tài)分析結(jié)果
電動三輪車車架的前六階固有頻率如下：
圖5-1 第一階振型
圖5-2 第二階振型
圖5-3 第三階振型
圖5-4 第四階振型
圖5-5 第五階振型
圖5-6 第六階振型
電機定子的固有頻率可以用如下方法[14]計算：
（5-1）
（5-2）
（5-3）
（5-4）
當階數(shù)m=0時，Ωm=1，當m＞0時，
（5-5）
（5-6）
式中的代表定子鐵心軛部剛度，代表定子軛部質(zhì)量，代表齒部質(zhì)量，Dc為定子鐵心平均半徑，表示定子材料的密度，代表定子材料的彈性模量，為泊松比，為軛部平均高度，為齒寬，、分別代表定子鐵心的外徑和內(nèi)徑，代表定子疊片的有效長度。
電機定子鐵心相關(guān)參數(shù)如下表所示：
表5-1 定子相關(guān)參數(shù)表
定子鐵心處齒根處半徑與
殼外半徑的平均半徑
50
cm
材料的彈性模量
1000000
定子鐵心軸向長度
100
cm
鐵心連同機殼的厚度
30
cm
定子圓環(huán)橫截面積
100
cm2
材料密度
7.4
定子槽數(shù)
32
齒高
5
cm
齒的總質(zhì)量
20
Kg
含絕緣的定子繞組質(zhì)量
62
Kg
平均扼質(zhì)量
25
Kg
平均齒截面積
76
cm2
模數(shù)
2.5
由式（5-1）～（5-6）及以上參數(shù)可以計算出電機定子鐵心的固有頻率，其計算出的固有頻率與有限元分析得出的固有頻率對比如下：
表5-2 車架固有頻率與定子鐵心固有頻率比對表
階數(shù)
項目
車架固有頻率/Hz
電機定子鐵心固有頻率/HZ
1
22.227
51.44
2
33.21
88.83
3
33.615
138.74
4
45.598
173.91
5
45.969
198.26
6
58.763
215.34
5.3模態(tài)分析結(jié)論
通過對電動三輪車車架的前六階固有頻率可知，一階固有頻率為22.227Hz，主要發(fā)生彎曲變形；二階固有頻率為33.21Hz，主要發(fā)生彎曲變形；三階固有頻率為33.615Hz，主要發(fā)生彎曲變形；四階固有頻率為45.598Hz，主要發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形；五階固有頻率為45.969Hz，主要發(fā)生彎曲變形；六階固有頻率為58.763Hz，主要發(fā)生彎曲變形。從表5-2中可知，車架前六階固有頻率均遠高于電子鐵心的固有頻率，所以該車架模型不會與電機發(fā)生共振現(xiàn)象。
論文總結(jié)
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(nèi)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(shè)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(chǔ)；
（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(zhuǎn)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(chǔ)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)論。
本文雖然對三輪車車架模型進行了靜態(tài)和動態(tài)的分析，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(jié)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(jié)論沒有太大影響，但是影響了分析結(jié)果的嚴謹性。所以，希望以后能夠?qū)NSYS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(jié)構(gòu)尺寸進行實際的測量，增加分析結(jié)果的嚴謹性。
參考文獻
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致謝
時間過得很快，兩個月的時間一眨眼的功夫就過去了。在這段時間，我學到了很多以前從未接觸過的知識，通過自己的不斷努力，不斷的提升，不斷的學習和試驗，使自己頭腦中模糊的概念逐漸清晰。功夫不負有心人，最終完成了自己論文的寫作。
在此，我想感謝在我做畢業(yè)設(shè)計期間所有幫助過我的人。首先，我想感謝老師，在整個過程中，老師給我的幫助是很大的，論文的題目是老師在眾多畢業(yè)設(shè)計題目中選取的，綜合考慮了論文的難度以及工作量，才將論文題目分配給我們，在我們寫論文期間，也給與了很多的幫助，正是老師的辛勞付出，我的論文才逐漸成形。其次，我想感謝我們小組的成員，在畢業(yè)設(shè)計期間，很多的問題是通過小組成員討論解決的，正是因為他們，我的畢業(yè)設(shè)計才會這么順利的完成。最后，我想感謝我的父母和學校，正是因為父母給我在學習上的鼓勵、支持
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