摘 要車(chē)架是三輪車(chē)承受整車(chē)重量及外部載荷的主要部件。因技術(shù)限制，電動(dòng)三輪車(chē)摩托車(chē)的車(chē)架在設(shè)計(jì)時(shí)，主要由傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和路面測(cè)試來(lái)完成，雖然這種方法可以完成車(chē)架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，但過(guò)于局限。而且車(chē)架是一個(gè)大型的受力件，如果不能提前預(yù)測(cè)到車(chē)架各部分的變形情況，這種方法就不能完整的得出車(chē)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(duì)車(chē)架進(jìn)行應(yīng)力分析及強(qiáng)度計(jì)算，并通過(guò)分析得出車(chē)架的動(dòng)靜態(tài)力學(xué)性能及強(qiáng)度指標(biāo)。由于條件限制，本文研究的電動(dòng)重型載貨三輪車(chē)摩托車(chē)模型來(lái)源于網(wǎng)上，本文對(duì)此電動(dòng)三輪車(chē)進(jìn)行了動(dòng)靜態(tài)力學(xué)性能分析，并得出了相關(guān)的力學(xué)性能參數(shù)。以下是本文的主要內(nèi)容：1，對(duì)三輪車(chē)的概況進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。二，利用 CATIA 軟件建立電動(dòng)三輪車(chē)車(chē)架的實(shí)體模型，然后把模型導(dǎo)入到 ANSYS workbench 中，由于車(chē)架屬于大型的裝配件，則需對(duì)模型進(jìn)行一些前期的處理。由車(chē)架的結(jié)構(gòu)特征，采用殼體-實(shí)體單元相間的有限元分析模型較為合理，最后在爬坡、滿(mǎn)載彎曲、滿(mǎn)載扭轉(zhuǎn)、滿(mǎn)載緊急制動(dòng)，四種工況下進(jìn)行三輪車(chē)車(chē)架的靜強(qiáng)度與力學(xué)性能的計(jì)算以及分析。三，利用 ANSYS 軟件中的動(dòng)力學(xué)模塊對(duì)該車(chē)架進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，分別對(duì)滿(mǎn)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(jìn)行模擬分析，得出車(chē)架在動(dòng)態(tài)行駛過(guò)程中的強(qiáng)度和動(dòng)力學(xué)參數(shù)。四，利用 ANSYS workbench 中的模態(tài)分析模塊，得出三輪車(chē)車(chē)架的前六階振型及固有頻率，再與電機(jī)定子鐵心固有頻率進(jìn)行對(duì)比，看車(chē)架會(huì)不會(huì)與定子鐵心發(fā)生共振現(xiàn)象。關(guān)鍵詞：三輪車(chē)；車(chē)架；ANSYS；靜強(qiáng)度；動(dòng)力學(xué)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(dòng)三輪車(chē)簡(jiǎn)介 .21.2 研究背景 .21.3 研究的目的和意義 .21.4 國(guó)內(nèi)電動(dòng)三輪車(chē)發(fā)展歷史及現(xiàn)狀 .31.5 國(guó)內(nèi)電動(dòng)三輪車(chē)車(chē)架的發(fā)展現(xiàn)狀 .41.6 課題研究的主要內(nèi)容 .5第二章 .62.1 ANSYS workbench 簡(jiǎn)介 .62.2 電動(dòng)三輪車(chē)組成及前期處理 .62.3 坐標(biāo)系的確定及車(chē)架模型三維圖 .7第三章 .103.1 靜力結(jié)構(gòu)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(mǎn)載緊急制動(dòng)工況分析 173.7 爬坡工況分析 193.8 滿(mǎn)載扭轉(zhuǎn)工況分析 213.9 各工況計(jì)算結(jié)果的分析 24第四章 264.1 動(dòng)態(tài)分析簡(jiǎn)介 264.2 動(dòng)態(tài)分析選擇原則 264.3 動(dòng)力學(xué)分析 264.3.1 0-20m 常載加速工況計(jì)算 274.3.2 0-40m 常載加速工況計(jì)算 284.3.3 0-80m 常載加速工況計(jì)算 304.3.4 0-20m 滿(mǎn)載加速工況計(jì)算 314.3.5 0-40m 滿(mǎn)載加速工況計(jì)算 324.3.6 0-80m 滿(mǎn)載加速工況計(jì)算 344.4 計(jì)算結(jié)果分析 35第五章 .375.1 模態(tài)分析簡(jiǎn)介 375.2 模態(tài)分析結(jié)果 375.3 模態(tài)分析結(jié)論 40論文總結(jié) .42參考文獻(xiàn) .43致謝 .441引 言電動(dòng)三輪車(chē)作為一種交通運(yùn)輸工具，以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)被我們廣泛使用。然而，在生活中往往會(huì)看到電動(dòng)三輪車(chē)在使用時(shí)間過(guò)長(zhǎng)以后，車(chē)身發(fā)生斷裂或變形的情況，這是由于電動(dòng)三輪車(chē)車(chē)架結(jié)計(jì)的不合理。比如結(jié)構(gòu)不合理導(dǎo)致應(yīng)力過(guò)于集中，材料尺寸過(guò)小導(dǎo)致彎曲變形等。本文正是通過(guò)對(duì)車(chē)架結(jié)構(gòu)的有限元分析模擬，在車(chē)架未規(guī)模生產(chǎn)前提前預(yù)測(cè)車(chē)架各部分的變形及應(yīng)力分布情況，避免了車(chē)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(chē)架設(shè)計(jì)，主要是依靠傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)，將電動(dòng)三輪車(chē)車(chē)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出來(lái)，依靠整車(chē)的路面行駛狀況再?zèng)Q定車(chē)架尺寸是否變更。這種設(shè)計(jì)方法可行，但不能是車(chē)架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，不知道車(chē)架的應(yīng)力分布狀況，導(dǎo)致材料浪費(fèi)，增加生產(chǎn)成本。而通過(guò)車(chē)架的有限元分析，可以預(yù)測(cè)到車(chē)架的各部分變形及應(yīng)力的分布情況，再通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法，使各零件的尺寸合理，材料運(yùn)用得當(dāng)，減少生產(chǎn)成本。本文先對(duì)電動(dòng)三輪車(chē)車(chē)架進(jìn)行了建模，然后通過(guò) ANSYS workbench 對(duì)車(chē)架進(jìn)行靜態(tài)分析，得出了車(chē)架滿(mǎn)足靜強(qiáng)度要求，然后在靜力分析的基礎(chǔ)上，對(duì)車(chē)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，最后得出了車(chē)架滿(mǎn)足動(dòng)態(tài)性能的要求。2第一章1.1 電動(dòng)三輪車(chē)簡(jiǎn)介電動(dòng)三輪車(chē)是以電為動(dòng)力，帶動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，再通過(guò)鏈條和鏈輪將動(dòng)力傳遞給驅(qū)動(dòng)輪，主要用于拉貨和拉人的運(yùn)輸工具。電動(dòng)三輪車(chē)具有適用性強(qiáng)，機(jī)動(dòng)性高，維護(hù)方便，價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，可以輕松的行駛在狹窄的馬路上。電動(dòng)三輪車(chē)主要用于家里、城市、廠房、礦場(chǎng)、旅游及短距離運(yùn)輸?shù)取ｋ妱?dòng)三輪車(chē)按用途可以分為三種類(lèi)型：①小型家用②中型貨運(yùn)③工廠型。根據(jù)不同的用途，在生產(chǎn)制造時(shí)，對(duì)三輪車(chē)采用的標(biāo)準(zhǔn)也不相同，以適應(yīng)不同的工作環(huán)境。1.2 研究背景因?yàn)橛邢拊梢蕴岣哒?chē)設(shè)計(jì)的精度和水平，因此有限元法在整車(chē)的設(shè)計(jì)上運(yùn)用比較廣泛。目前，在設(shè)計(jì)車(chē)架的過(guò)程中，設(shè)計(jì)者們大多數(shù)采用傳統(tǒng)的方法來(lái)簡(jiǎn)化計(jì)算，這會(huì)導(dǎo)致了兩個(gè)問(wèn)題：第一，過(guò)多的簡(jiǎn)化會(huì)使得設(shè)計(jì)出來(lái)的車(chē)架精度不高，為達(dá)到車(chē)架所需的強(qiáng)度和剛度，而使得車(chē)架結(jié)構(gòu)過(guò)重，增加設(shè)計(jì)和制造的成本；第二，在傳統(tǒng)的方法中，設(shè)計(jì)和計(jì)算結(jié)果可能會(huì)不同步，車(chē)架的生產(chǎn)周期延長(zhǎng)。為了提高車(chē)架的設(shè)計(jì)水平和生產(chǎn)制造車(chē)架的效率，有必要大幅度增加使用有限元法來(lái)設(shè)計(jì)車(chē)架的比重。1.3 研究的目的和意義在整車(chē)結(jié)構(gòu)中，車(chē)架起著不可或缺的作用。在貨車(chē)中，車(chē)架承載了駕駛室、發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤(pán)、人及貨物的質(zhì)量。在復(fù)雜路況總承受著不同的力和力矩。現(xiàn)在設(shè)計(jì)三輪車(chē)的首要目的是保證三輪車(chē)行駛的安全性，所以要保證三輪車(chē)設(shè)計(jì)的各個(gè)零部件的安全性。因此，對(duì)車(chē)架的強(qiáng)度和剛度的分析很重要，因?yàn)樗P(guān)系到三輪車(chē)的正常行駛，同時(shí)也關(guān)系到三輪車(chē)整車(chē)的安全性。31.4 國(guó)內(nèi)電動(dòng)三輪車(chē)發(fā)展歷史及現(xiàn)狀我國(guó)電動(dòng)三輪車(chē)在 2001 年才開(kāi)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(shí)，我國(guó)電動(dòng)三輪車(chē)總生產(chǎn)不到 50 臺(tái)，經(jīng)過(guò) 7 年的發(fā)展，我國(guó)電動(dòng)三輪車(chē)已經(jīng)高到 500 萬(wàn)年，全國(guó)與三輪車(chē)相關(guān)的企業(yè)高達(dá)上千家。2012 年，三輪車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)超過(guò) 800 萬(wàn)臺(tái)。經(jīng)過(guò)十幾年的迅速發(fā)展，我國(guó)電動(dòng)三輪車(chē)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(gè)電動(dòng)三輪車(chē)產(chǎn)業(yè)的 90％以上 [1]。雖然我國(guó)電動(dòng)三輪車(chē)的發(fā)展取得了一些成就，但是仍處于低水平狀態(tài)，導(dǎo)致這一狀況的原因大體上可以分為以下四個(gè)因素：（1）電動(dòng)三輪車(chē)的起步落后于國(guó)外，生產(chǎn)地區(qū)較廣，無(wú)法制定相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)約束電動(dòng)三輪車(chē)的發(fā)展；（2）市場(chǎng)較廣，但市場(chǎng)的開(kāi)發(fā)不夠全面，導(dǎo)致電動(dòng)三輪車(chē)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(dǎo)致三輪車(chē)的性能和品質(zhì)難以保證；（3）生產(chǎn)電動(dòng)三輪車(chē)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(dǎo)致電動(dòng)三輪車(chē)行業(yè)格局動(dòng)蕩；（4）電動(dòng)三輪車(chē)的主體與三輪摩托車(chē)類(lèi)似，屬于低水平、低技術(shù)含量的組合體，設(shè)計(jì)比較傳統(tǒng)，思路比較單一，缺乏創(chuàng)新性。雖然電動(dòng)三輪車(chē)在許多地方有著不可突破的局限，但是它有著許多車(chē)都沒(méi)有的優(yōu)點(diǎn)，比如節(jié)能減排、實(shí)用環(huán)保、方便快捷等，正是因?yàn)檫@些優(yōu)點(diǎn)，電動(dòng)三輪車(chē)應(yīng)用的領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，在農(nóng)村的地位顯得尤為重要。國(guó)內(nèi)電動(dòng)三輪車(chē)主要以正三輪車(chē)為主，按不同的用途可分為以下三種類(lèi)型：（1）按車(chē)種分：普通三輪車(chē)和特種三輪車(chē)；（2）按功率分：?jiǎn)坞娖侩妱?dòng)三輪車(chē)和多電瓶電動(dòng)三輪車(chē)，本文研究的是一輛五個(gè)電瓶串聯(lián)的多電瓶電動(dòng)三輪車(chē)；（3）按款式分：標(biāo)準(zhǔn)型，功率為 150W 左右，外形比較簡(jiǎn)單，續(xù)行里程在40Km 至 50Km 之間，操作起來(lái)簡(jiǎn)單方便。多功能型，在標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)型多，騎行時(shí)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(lái)顯示速度、里程、電壓、電量等。4國(guó)內(nèi)的電動(dòng)三輪車(chē)用途比較廣泛，而國(guó)外的電動(dòng)三輪車(chē)用途比較單一，主要用于旅游觀光，以倒三輪為主。1.5 國(guó)內(nèi)電動(dòng)三輪車(chē)車(chē)架的發(fā)展現(xiàn)狀車(chē)架是整車(chē)的主要承載部件，承受著這種各樣的力，所以車(chē)架應(yīng)保證足夠的強(qiáng)度。國(guó)內(nèi)電動(dòng)三輪車(chē)車(chē)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(diǎn)：（1）結(jié)構(gòu)和工藝的落后，使得產(chǎn)品品牌的價(jià)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(chē)架重要部位的強(qiáng)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(fèi)；（3）質(zhì)量差外觀丑，在大規(guī)模制造時(shí)不能確保產(chǎn)品一致，合格率較低，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)零件不能裝配的現(xiàn)象；（4）安全性差，由于車(chē)架主要采用焊接結(jié)構(gòu)，在大規(guī)模制造時(shí)，很難控制焊接部位的焊接質(zhì)量，造成三輪車(chē)在騎行時(shí)發(fā)生車(chē)架斷裂的情況；（5）生產(chǎn)效率低下，在制造車(chē)架的過(guò)程中，零件的焊接及裝配都是人工進(jìn)行的，效率低下；（6）成本增高，三輪車(chē)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(kāi)始，避免不了的走彎路，使得投入的資金加大。電動(dòng)三輪車(chē)的車(chē)架機(jī)構(gòu)主要分為一下三類(lèi)：（1）陣式車(chē)架結(jié)構(gòu)陣式車(chē)架結(jié)構(gòu)是早期采用的較為普遍的電動(dòng)三輪車(chē)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，整體大多地方采用料厚較大的鋼梁。這樣設(shè)計(jì)的效果雖然提高了車(chē)架整體的承載性能和抗扭剛度，但是相應(yīng)的也降低了車(chē)架的空間利用率，造成車(chē)輛在行駛過(guò)程中相對(duì)不便，一般適用于大中型客車(chē)和載重型貨車(chē)。（2）承載式車(chē)架結(jié)構(gòu)即“無(wú)車(chē)架結(jié)構(gòu)的承載式車(chē)身”，其車(chē)身的設(shè)計(jì)要求很?chē)?yán)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(chē)架:鋼管式車(chē)架與承載式車(chē)架結(jié)構(gòu)相似，也是由多個(gè)鋼管焊接而成，不同的是在車(chē)架的脆弱部位進(jìn)行了加強(qiáng)，用以提高車(chē)架的整體剛度。51.6 課題研究的主要內(nèi)容（1）了解電動(dòng)三輪車(chē)車(chē)架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和連接方式，收集與三輪車(chē)相關(guān)的資料，制定三輪車(chē)車(chē)架分析思路與方法。（2）建立 CATIA 車(chē)架的三維模型 [2]，憑借計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)處理水平，考慮分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和計(jì)算精度，設(shè)計(jì)不同的有限元模型，通過(guò) ANSYS 的初步分析挑選出最好的方案，（3）根據(jù)電動(dòng)三輪車(chē)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，分別在滿(mǎn)載彎曲、滿(mǎn)載緊急制動(dòng)、滿(mǎn)載扭轉(zhuǎn)和爬坡 4 種工況下進(jìn)行靜力分析，得出車(chē)架的強(qiáng)度和剛度數(shù)據(jù)，再將得出的數(shù)據(jù)與車(chē)架的材料的許用指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，看是否滿(mǎn)足強(qiáng)度和剛度的要求。（4）在靜力學(xué)分析的基礎(chǔ)上，利用 ANSYS workbench 平臺(tái)的動(dòng)力學(xué)分析模塊對(duì)車(chē)架進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析 [3-4]，在常載和滿(mǎn)載時(shí)，分別以不同加速度、不同路段進(jìn)行分析，得出車(chē)架在整車(chē)行駛過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)參數(shù)。（5）在動(dòng)態(tài)性能分析過(guò)后，可利用 ANSYS workbench 平臺(tái)的模態(tài)分析模塊對(duì)車(chē)架進(jìn)行模態(tài)分析，將分析得到的數(shù)值地面激勵(lì)的固有頻率進(jìn)行對(duì)比，看會(huì)不會(huì)發(fā)生共振。若兩者數(shù)值接近，則會(huì)發(fā)生共振，并提出相應(yīng)的解決方案。6第二章2.1 ANSYS workbench 簡(jiǎn)介ANSYS workbench 是由美國(guó) ANSYS 公司研發(fā)的新型有限元分析平臺(tái)，主要用來(lái)求解生活中的實(shí)際問(wèn)題。它不僅有原 ANSYS 經(jīng)典平臺(tái)的有限元分析基本功能，還增加了功能強(qiáng)大的三維建模功能以及優(yōu)化設(shè)計(jì)功能。為了解決技術(shù)人員在產(chǎn)品設(shè)計(jì)與研發(fā)工作中遇到的各種問(wèn)題而構(gòu)造出了一個(gè) CAD/CAE 的協(xié)同環(huán)境。ANSYS workbench 主要應(yīng)用領(lǐng)域有航空航天、電子、機(jī)械、日用品等。ANSYS workbench 是一個(gè)功能強(qiáng)大的協(xié)同仿真平臺(tái)。它具有如下優(yōu)點(diǎn)：它可以和所有主流 CAD 軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)接，并可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。網(wǎng)格劃分功能十分強(qiáng)大，ANSYS workbench 會(huì)根據(jù)研究的不同物理學(xué)科，設(shè)置了各種網(wǎng)格劃分算法的細(xì)節(jié)，保證了不同仿真分析都有合理的網(wǎng)格。同時(shí)，ANSYS workbench 具有強(qiáng)大的優(yōu)化設(shè)計(jì)功能，使產(chǎn)品在設(shè)計(jì)方面得到更好的優(yōu)化 [5-6]。2.2 電動(dòng)三輪車(chē)組成及前期處理電動(dòng)三輪車(chē)整車(chē)圖如下所示：圖 2-1 電動(dòng)三輪車(chē)整車(chē)模型7電動(dòng)三輪車(chē)整車(chē)主要包括下面幾個(gè)部分：（1）動(dòng)力和傳動(dòng)部分。主要由電瓶、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、傳動(dòng)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(dòng)部分。主要由調(diào)速裝置、車(chē)把、制動(dòng)裝置組成。（4）車(chē)身部分。主要由車(chē)架、車(chē)斗、座椅、前叉、輪胎等組成。由于車(chē)架是一個(gè)較大的承載件，在建立三維模型前應(yīng)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，即忽略一些對(duì)車(chē)架影響不大的受力件即裝置，并對(duì)車(chē)身載荷進(jìn)行分配。三輪車(chē)的動(dòng)力部分質(zhì)量不可忽略，可考慮將動(dòng)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(dòng)部分質(zhì)量較輕，對(duì)整車(chē)行駛沒(méi)有影響，故可以忽略其質(zhì)量。2.3 坐標(biāo)系的確定及車(chē)架模型三維圖為了有限分析的順利進(jìn)行，在進(jìn)行分析前必須先對(duì)車(chē)架模型劃分坐標(biāo)系，選取車(chē)架的左右對(duì)稱(chēng)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(chē)尾，Y 軸的正方向朝上，Z 軸正方向?yàn)轳{駛員左手方向，其差價(jià)三維圖及坐標(biāo)示意圖如下：圖 2-2 電動(dòng)三輪車(chē)車(chē)架主視圖8圖 2-3 電動(dòng)三輪車(chē)車(chē)架主視圖圖 2-4 電動(dòng)三輪車(chē)車(chē)架俯視圖9圖 2-5 電動(dòng)三輪車(chē)車(chē)架坐標(biāo)圖10第三章3.1 靜力結(jié)構(gòu)分析基本原理靜力學(xué)分析 [7]是用來(lái)計(jì)算結(jié)構(gòu)在定載荷作用下的各種響應(yīng)，如位移響應(yīng)、應(yīng)力響應(yīng)、應(yīng)變響應(yīng)等，即探討結(jié)構(gòu)在受到外力作用后，結(jié)構(gòu)的變形、應(yīng)力、應(yīng)變分別是多少。和固定不變的載荷相對(duì)應(yīng)，在結(jié)構(gòu)靜力分析中，結(jié)構(gòu)響應(yīng)也是固定不變的。靜力學(xué)分析中，固定不變的載荷與響應(yīng)是一種理想的假設(shè)，假設(shè)載荷和結(jié)構(gòu)響應(yīng)時(shí)間的變化很慢。通常來(lái)說(shuō)，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(qiáng)度。在經(jīng)典力學(xué)中動(dòng)力學(xué)的通用方程：（3-1）????????tPK}{CMf???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(xué)與動(dòng)力學(xué)相比，靜力學(xué)少了時(shí)間的約束，所以在靜力學(xué)分析中應(yīng)忽略與時(shí)間相關(guān)因素，即排除 和 ，故靜力學(xué)方程可以寫(xiě)成下列形式：?（3-2）????fPK?通常，在靜力學(xué)分析過(guò)程中，研究某一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，一般用 、 、1?2來(lái)表示該點(diǎn)三個(gè)方向的主應(yīng)力，并規(guī)定 ＞ ＞ ，遵循材料力學(xué)里四大強(qiáng)3? 1?23度理論中的第四強(qiáng)度理論 [8]，第四強(qiáng)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(wú)論在什么應(yīng)力狀態(tài)下，只要構(gòu)件內(nèi)的任意一點(diǎn)處的形狀改變比能到達(dá)單向應(yīng)力狀態(tài)下的最大值，材料就會(huì)發(fā)生屈服破壞。發(fā)生破壞的條件，按第四強(qiáng)度理論的強(qiáng)度條件為：， ≤[ ] （3-3）??????213221r ???????r?[ ]為材料的屈服強(qiáng)度， 、 、 為某一點(diǎn)的主應(yīng)力。12311由于本車(chē)是一款新型車(chē)，車(chē)架的綜合性能是否到達(dá)設(shè)計(jì)要求無(wú)法全面衡量，所以對(duì)車(chē)架的參數(shù)的有限元模擬驗(yàn)證是很有必要的。為了確保車(chē)架在滿(mǎn)足強(qiáng)度和剛度的前提下能達(dá)到設(shè)計(jì)的目標(biāo)值，所以需要對(duì)該車(chē)在不同工況下進(jìn)行靜力分析，在得出車(chē)架的總變形及相關(guān)零件的最大應(yīng)力、最大應(yīng)變圖的情況下，可以初步知道哪些地方為車(chē)架的薄弱環(huán)節(jié)，并采取相應(yīng)的加強(qiáng)措施，避免整車(chē)在行駛過(guò)程中因車(chē)架變形過(guò)大而斷裂現(xiàn)象發(fā)生。3.2 確定材料參數(shù)車(chē)電動(dòng)三輪車(chē)車(chē)架材料采用的是普通碳鋼 Q235，進(jìn)行靜力學(xué)分析前，需對(duì)材料進(jìn)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 3kg/m泊松比 屈服應(yīng)力MPa抗拉強(qiáng)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(qiáng)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(yīng)網(wǎng)格劃分。（1）自由網(wǎng)格劃分自由網(wǎng)格劃分方法沒(méi)有對(duì)單元的形狀進(jìn)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(duì)復(fù)雜的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。另外，部分用戶(hù)選擇先對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分然后進(jìn)行組裝，組裝時(shí)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(duì)面進(jìn)行網(wǎng)格劃分的時(shí)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(duì)體進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分時(shí)，一般指定網(wǎng)格為四面體單元、六面體單元作為過(guò)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(hù)先將將模型拆分成幾個(gè)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(gè)二維的平面網(wǎng)格通過(guò)體掃掠的方法轉(zhuǎn)化成一個(gè)三維實(shí)體網(wǎng)格，提單元是從體的一個(gè)面掃掠貫穿整個(gè)體而形成的。如果體掃掠掃過(guò)的網(wǎng)格面形狀全部是三角形，那么體將自動(dòng)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(dòng)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(yīng)網(wǎng)格劃分自適應(yīng)網(wǎng)格劃分的前提是生成了具有邊界條件的實(shí)體模型，用戶(hù)可以指示程序自動(dòng)地進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對(duì)網(wǎng)格的離散誤差進(jìn)行分析、估計(jì)，直到誤差的值小于用戶(hù)事先定義的值或者達(dá)到用戶(hù)事先定義的求解次數(shù)。從車(chē)架整體來(lái)說(shuō)，車(chē)架屬于焊接件，外部形狀較為復(fù)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(dòng)三輪車(chē)車(chē)架網(wǎng)格劃分圖通過(guò) ANSYS workbench 網(wǎng)格劃分結(jié)果得出，該車(chē)架模型共 54108 個(gè)節(jié)點(diǎn)，25251 個(gè)單元。133.4 確定約束和邊界條件對(duì)于電動(dòng)三輪車(chē)車(chē)架而言，車(chē)把管只起著控制三輪車(chē)的行駛方向的作用，通過(guò)軸承和車(chē)把管組合在一起，所以需要限制車(chē)把管在 XYZ 方向的移動(dòng)，即將車(chē)把管的下端面定義為固定支撐。同理，焊接在車(chē)架上的 8 個(gè)吊耳和吊板，主要作用就是將車(chē)身載荷傳遞給板簧，故也可以將其定義為固定支撐。對(duì)于車(chē)身載荷的具體分配如下：表 3-2 車(chē)身載荷分配載荷名稱(chēng) 質(zhì)量/Kg車(chē)架自重 84駕駛員重量 80車(chē)斗自重 105常載載荷 500滿(mǎn)載載荷 600電瓶 5X6工具盒 10載荷分配具體方案如下：①車(chē)斗自重 105Kg，與所載貨物一同作用在車(chē)架上，故可以將貨物與車(chē)斗作為一個(gè)集中地質(zhì)量點(diǎn)作用在車(chē)加邊框的上表面幾何中心處，作用點(diǎn)坐標(biāo)（1650,410,0）；②車(chē)架自重可以以添加重力加速度的形式作用在車(chē)架的中心處心處；③對(duì)于駕駛員來(lái)說(shuō)，其質(zhì)量可以分為三部分，臀部落點(diǎn)處和雙腳落點(diǎn)處，并規(guī)定雙腳落點(diǎn)處的載荷都為 10Kg，其坐標(biāo)為（150,0,170）和（150,0，-170），則臀部落點(diǎn)的質(zhì)量為 60Kg，作用點(diǎn)坐標(biāo)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(gè)質(zhì)量點(diǎn)作用于踏板左右縱梁上，作用點(diǎn)坐標(biāo)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(gè)電瓶，可以將三個(gè)電瓶作為一個(gè)質(zhì)量點(diǎn)作用在踏板左右橫梁上，作用點(diǎn)坐標(biāo)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(gè)電瓶，將電瓶作為一個(gè)質(zhì)量點(diǎn)作用在踏板左右縱梁上，作用點(diǎn)坐標(biāo)為（1480,0,0）。14車(chē)架的載荷施加圖如下：圖 3-2 電動(dòng)三輪車(chē)車(chē)架載荷施加圖3.5 彎曲工況分析彎曲工況，指的是車(chē)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(yùn)動(dòng)時(shí)，路面對(duì)車(chē)架變形及強(qiáng)度的影響程度。彎曲工況下，車(chē)架載荷、邊界施加圖、車(chē)架總變形量云圖及等效應(yīng)力云圖如下所示：表 3-3 車(chē)架載荷分配項(xiàng)目名稱(chēng) 參數(shù)左踏腳點(diǎn) 10Kg右踏腳點(diǎn) 10Kg臀部落點(diǎn) 60Kg第一電瓶架作用點(diǎn) 16Kg第二電瓶架作用點(diǎn) 18Kg第三電瓶架作用點(diǎn) 6Kg車(chē)斗 105Kg常載 500Kg滿(mǎn)載 600Kg標(biāo)準(zhǔn)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(chē)架總變形圖圖 3-5 常載彎曲工況下車(chē)架等效應(yīng)力云圖16圖 3-6 滿(mǎn)載彎曲工況下載荷及邊界條件施加圖圖 3-7 滿(mǎn)載彎曲工況下車(chē)架總變形圖圖 3-8 滿(mǎn)載彎曲工況下車(chē)架等效應(yīng)力云圖173.6 滿(mǎn)載緊急制動(dòng)工況分析根據(jù)《載重型電動(dòng)三輪車(chē)通用技術(shù)條件》DB37/T 1010-2008 中對(duì)電動(dòng)三輪車(chē)制動(dòng)距離的規(guī)定：載重型電動(dòng)三輪車(chē)以 20km/h 車(chē)速行駛時(shí)，其干態(tài)制動(dòng)距離應(yīng)小于等于 6m，濕態(tài)制動(dòng)距離應(yīng)小于等于 15m。根據(jù)本文需要，則選擇滿(mǎn)載時(shí)干態(tài)路面進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)相關(guān)的物理知識(shí)可以得出，該電動(dòng)三輪車(chē)在制動(dòng)時(shí)的加速度為 ，方向沿 X 軸的正方向。緊急制動(dòng)工況下，車(chē)架載荷、邊2s/m57界施加圖、車(chē)架總變形量云圖及等效應(yīng)力云圖如下所示：表 3-4 車(chē)架載荷分配項(xiàng)目名稱(chēng) 參數(shù)左踏腳點(diǎn) 10Kg右踏腳點(diǎn) 10Kg臀部落點(diǎn) 60Kg第一電瓶架作用點(diǎn) 16Kg第二電瓶架作用點(diǎn) 18Kg第三電瓶架作用點(diǎn) 6Kg車(chē)斗 105Kg滿(mǎn)載 600Kg標(biāo)準(zhǔn)重力加速度 9806 2m/s制動(dòng)距離 6m制動(dòng)初速度 0k/h制動(dòng)加速度 257s18圖 3-9 滿(mǎn)載緊急制動(dòng)工況下載荷及邊界條件施加圖圖 3-10 滿(mǎn)載緊急制動(dòng)工況下車(chē)架總變形圖圖 3-11 滿(mǎn)載緊急制動(dòng)工況下車(chē)架等效應(yīng)力云圖193.7 爬坡工況分析根據(jù)《載重型電動(dòng)三輪車(chē)通用技術(shù)條件》DB37/T 1010-2008 中對(duì)電動(dòng)三輪車(chē)駐車(chē)制動(dòng)性能的規(guī)定：即使車(chē)上沒(méi)有駕駛員，車(chē)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(chē)輛制動(dòng)。另外，應(yīng)保證載重型電動(dòng)三輪車(chē)在 6°的坡路制動(dòng)狀態(tài)下，正反兩個(gè)方向上應(yīng)能保持固定不動(dòng)的狀態(tài)。常載爬坡的含義是車(chē)輛以大于 15km/h 的車(chē)速在 10°的斜坡上勻速行駛或靜止在斜坡上時(shí)，地面制動(dòng)力對(duì)車(chē)架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和應(yīng)變的影響。滿(mǎn)載爬坡的含義是車(chē)輛以大于 10km/h 的車(chē)速在 8°的斜坡上迅速行駛或者靜止在斜坡上時(shí)，地面制動(dòng)力對(duì)車(chē)架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和應(yīng)變的影響。在爬坡工況下，車(chē)架載荷、邊界施加圖、車(chē)架總變形量、等效應(yīng)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(chē)架總變形圖圖 3-15 常載爬坡工況下車(chē)架等效應(yīng)力云圖圖 3-16 滿(mǎn)載爬坡工況下載荷及邊界條件施加圖21圖 3-17 滿(mǎn)載爬坡工況下車(chē)架總變形圖圖 3-18 滿(mǎn)載爬坡工況下車(chē)架等效應(yīng)力云圖3.8 滿(mǎn)載扭轉(zhuǎn)工況分析根據(jù)《載重型電動(dòng)三輪車(chē)通用技術(shù)條件》DB37/T 1010-2008 中對(duì)電動(dòng)三輪車(chē)側(cè)傾穩(wěn)定性的規(guī)定：載重型電動(dòng)三輪車(chē)在前后或左右傾斜 20°時(shí)應(yīng)能保持相對(duì)穩(wěn)定。此工況下，車(chē)架載荷、邊界施加圖、車(chē)架總變形量云圖及等效應(yīng)力云圖如下所示：22圖 3-19 左輪抬高時(shí)車(chē)架載荷及邊界條件施加圖圖 3-20 左輪抬高時(shí)車(chē)架總變形圖圖 3-21 左輪抬高時(shí)車(chē)架等效應(yīng)力云圖23圖 3-22 右輪抬高時(shí)車(chē)架的載荷及邊界施加圖圖 3-23 右輪抬高時(shí)車(chē)架的總變形圖圖 3-24 右輪抬高時(shí)車(chē)架的等效應(yīng)力云圖243.9 各工況計(jì)算結(jié)果的分析對(duì)常載彎曲工況分析，從車(chē)架的等效應(yīng)力云圖可以得出最大等效應(yīng)力位于右縱梁與右外吊板的連接處，其應(yīng)力大小為 61.11MPa，其余部位應(yīng)力值均較小，其中踏板左縱梁末端應(yīng)力值最小。從車(chē)架的總變形云圖可以看出，最大變形處位于車(chē)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(chē)把管下端面。對(duì)滿(mǎn)載彎曲工況分析，從車(chē)架的等效應(yīng)力云圖可以得出最大等效應(yīng)力位于右縱梁與右外吊板的連接處，其應(yīng)力大小為 67.785MPa，其余部位應(yīng)力值均較小，其中踏板左梁末端應(yīng)力值最小。從車(chē)架的總變形云圖可以看出，最大變形處位于車(chē)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(chē)把管下端面。出現(xiàn)這種情況的原因是因?yàn)檐?chē)架、車(chē)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(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中，而第四橫梁下方?jīng)]有支撐，導(dǎo)致第四橫梁出現(xiàn)向下彎曲的現(xiàn)象。對(duì)滿(mǎn)載緊急制動(dòng)工況分析，從車(chē)架的等效應(yīng)力云圖可以得出最大等效應(yīng)力也位于右縱梁與右外吊板的連接處，其應(yīng)力大小為 61.901MPa，應(yīng)力最小的地方位于踏板左縱梁末端。從車(chē)架的總變形云圖可以得出，最大變形處位于車(chē)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(chē)把管下端面。對(duì)常載爬坡工況分析，從車(chē)架的等效應(yīng)力云圖可以得出最大等效應(yīng)力位于右縱梁與右吊板的連接處，其應(yīng)力大小為 70.709MPa，應(yīng)力最小的地方位于踏板左縱梁的末端。從車(chē)架的總變形云圖可以可以看出，最大變形出處位于車(chē)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(chē)把管的下端面。對(duì)滿(mǎn)載爬坡工況的分析，從車(chē)架的等效應(yīng)力云圖可以得出最大等效應(yīng)力位于右縱梁與右吊板的連接處，其應(yīng)力大小為 70.291MPa，應(yīng)力最小的地方位于踏板左縱梁的末端。從車(chē)架的總變形云圖可以可以看出，最大變形出處位于車(chē)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(chē)把管的下端面。對(duì)滿(mǎn)載扭轉(zhuǎn)工況的分析，當(dāng)左輪抬高時(shí)，從車(chē)架的等效應(yīng)力云圖可以得出最大等效應(yīng)力位于右縱梁與右外吊板的連接處，其應(yīng)力大小為 110.71MPa，應(yīng)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?yàn)樽髠?cè)車(chē)輪抬起后，大部分載荷向右便宜，使右側(cè)載荷急劇增大。當(dāng)右輪抬起時(shí)，從車(chē)架的等效應(yīng)力云圖可以得出最大等效應(yīng)力位于左縱梁與左外吊板的連接處，其應(yīng)力大小為108.88MPa，應(yīng)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?yàn)樽髠?cè)車(chē)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(mǎn)載彎曲工況、滿(mǎn)載緊急制動(dòng)工況、爬坡工況、滿(mǎn)載扭轉(zhuǎn)工況，車(chē)架所受的最大等效應(yīng)力均不超過(guò)材料的許用應(yīng)力 235MPa，由此可得，該車(chē)架滿(mǎn)足靜態(tài)力學(xué)性能能要求。表 3-5 各工況分析結(jié)果項(xiàng)目名稱(chēng) 最大變形量/mm 最大等效應(yīng)力/MPa常載 0.61054 61.11彎曲工況滿(mǎn)載 0.7069 67.785滿(mǎn)載緊急制動(dòng)工況 0.67576 61.901常載 0.72498 70.709爬坡工況滿(mǎn)載 0.72291 70.291左輪抬高 0.72274 110.71扭轉(zhuǎn)工況右輪抬高 0.72592 108.8826第四章4.1 動(dòng)態(tài)分析簡(jiǎn)介在實(shí)際生活中，衡量一個(gè)物體的結(jié)構(gòu)是否滿(mǎn)足強(qiáng)度要求的條件不僅是在結(jié)構(gòu)靜止時(shí)承受載荷不發(fā)生斷裂，而且要在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受到外界的各種載荷不發(fā)生斷裂現(xiàn)象。因此，在對(duì)電動(dòng)三輪車(chē)進(jìn)行靜態(tài)分析的基礎(chǔ)上，再對(duì)車(chē)架進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，保證電動(dòng)三輪車(chē)在實(shí)際行駛時(shí)的強(qiáng)度。4.2 動(dòng)態(tài)分析的選擇原則（1）如果在相對(duì)較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)載荷時(shí)一個(gè)常數(shù)，可選擇靜力分析，否則為動(dòng)態(tài)分析；（2）如果動(dòng)載荷頻率小于結(jié)構(gòu)最低階固有頻率的 1/3，可進(jìn)行靜力分析；（3）載荷對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的變化可忽略時(shí)，可進(jìn)行線(xiàn)性分析；（4）載荷引起結(jié)構(gòu)剛度的變化很顯著時(shí)，或應(yīng)變超過(guò)彈性范圍，或兩物體間存在接觸，必須進(jìn)行非線(xiàn)性分析。4.3 動(dòng)力學(xué)分析根據(jù)《載重型電動(dòng)三輪車(chē)通用技術(shù)條件》DB37/T 1010-2008 中對(duì)電動(dòng)三輪車(chē)動(dòng)力學(xué)性能的要求主要是對(duì)電動(dòng)三輪車(chē)的加速工況進(jìn)行模擬，即對(duì)電動(dòng)三輪車(chē)在不同路段以恒定的加速度行駛進(jìn)行模擬分析。由于電動(dòng)三輪車(chē)在行駛過(guò)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(xiàng)目名稱(chēng) 加速度 a 初速度 v 所用時(shí)間t參數(shù)左落腳點(diǎn) 10kg右落腳點(diǎn) 10kg臀部落點(diǎn) 60kg工具盒 10kg電瓶 5x6kg