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輪轂電機驅(qū)動電動車的開發(fā)作為一種新穎的電動車研究方向，受到學術(shù)和工程界的普遍關(guān)注。三軸轉(zhuǎn)向電動車采用輪轂電機驅(qū)動，車架作為整車的主要承載部件，其結(jié)構(gòu)對整車的使用壽命、可靠性及后續(xù)試驗的可行性等方面有著重要的影響。車架結(jié)構(gòu)設(shè)計在滿足足夠的強度和剛度的同時，也要達到輕量化的要求。因此，通過對車架結(jié)構(gòu)進行有限元分析進而降低車架質(zhì)量是車架設(shè)計中的一個重要環(huán)節(jié)。
本文在電動車車架CAD模型尺寸的基礎(chǔ)上，利用有限元軟件ANSYS中beam188單元建立車架有限元分析模型；對車架進行靜力分析，并參考分析結(jié)果對車架結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，使車架結(jié)構(gòu)達到輕量化與安全性的統(tǒng)一。
進行車架有限元分析時，除了要將其離散為有限元模型外，還必須引入車架約束。整車車身質(zhì)量采取適當?shù)姆绞绞┘拥礁鬏S；地面反作用力通過懸架傳遞給車架；懸架減振系統(tǒng)及導向桿系的模擬采用釋放行駛方向的轉(zhuǎn)動，即X方向的轉(zhuǎn)動。載荷施加模式及位置、約束模式及位置和剛性化區(qū)域。
針對對車架結(jié)構(gòu)進行有限元分析的主要目的是研究車架的靜態(tài)特性，則根據(jù)模型建立的難易程度及分析實際需要，對車架分析模型采取必要的簡化措施：1）省去非承載件，其載荷采取施加到剛性化區(qū)域主節(jié)點；2）忽略轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的質(zhì)量載荷影響；3）車身覆蓋件采用質(zhì)量載荷集中處理；4）忽略梁單元間焊接因素的影響。
車架結(jié)構(gòu)主要采用45#方鋼和角鋼焊接而成。因此車架有限元分析模型建立采用具有建模簡單、單元數(shù)目少、計算速度快等優(yōu)點的Beam188梁單元。
根據(jù)所設(shè)計的CAD模型尺寸在ANSYS中創(chuàng)建關(guān)鍵點，然后將關(guān)鍵點連成線（梁單元中心線），再根據(jù)線創(chuàng)建有限元分析模型并選擇恰當?shù)木W(wǎng)格劃分。依據(jù)模型簡化結(jié)果建立車架有限元計算模型，劃分網(wǎng)格之后模型共有個2170梁單元和2190個節(jié)點。各軸質(zhì)量載荷施加在各軸相應(yīng)剛性化主節(jié)點上。
為了便于載荷施加，對車架有限元模型進行局部剛性化處理，且近似認為整車所有載荷由車架承擔。模型中所有載荷均可以按均布載荷形式施加到有限元模型中相應(yīng)單元。模型簡化之后，電動車滿載時車架前軸、中軸、后軸質(zhì)量載荷分布。
電動車測試時行駛工況較復雜，為了保證電動車測試安全可靠，車架須有足夠的強度，同時車架須輕量化。因此電動車車架應(yīng)進行與強度相關(guān)的水平彎曲、極限彎曲和正面碰撞（換算成恒力）等靜力分析。
滿載的電動車在水平路面上勻速行駛時，水平靜彎曲工況與電動車水平靜放時車架受載情況基本類似，產(chǎn)生靜彎曲變形。主要模擬電動車勻速行駛時車架應(yīng)力分布情況。
約束條件：僅釋放懸架系統(tǒng)導向機構(gòu)車架支座及減振支座在行駛方向的轉(zhuǎn)動，即釋放X方向轉(zhuǎn)動。車架水平彎曲工況下載荷較大處為中軸和后軸減振器支座架，其他部位載荷較小，主要原因是中軸和后軸是乘員乘坐區(qū)。較大應(yīng)力區(qū)集中在中軸減震器支座架與車架上縱梁焊接處，最大值為2.73MPa。由應(yīng)力值分析可知，電動車車架有較多的強度裕量進行車架輕量化改進。
極限彎曲工況主要分析電動車在滿載的情況下在崎嶇不平的路面上行駛時，一輪懸空的情況下產(chǎn)生的彎曲載荷，其極限彎曲載荷為電動車在一輪懸空時產(chǎn)生的非對稱支撐下的靜態(tài)扭轉(zhuǎn)狀態(tài)。此工況作用下的動載在時間上變化很緩慢，所以慣性載荷很小，車架的扭轉(zhuǎn)特性可以近似看作是靜態(tài)的。
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