摘 要

本文主要针对一款新型微型纯电动皮卡进行设计并优化其车架，首先利用CATIA三维建模软件进行车架模型的构建，然后借助ANSYS对模型在不同工况（弯曲工况、扭转工况、刹车工况）下进行受力和变形分析，再进一步对有缺陷部分进行优化设计。如此，重复实验分析优化，总结出车架各部分受力和变形规律，最后得出性能最好、结构最优、质量最轻的车架。通过分析优化实验，最后的分析结果应力，和应变都在铝合金材料的许用范围内，所以证明这款新型纯电动皮卡车架有限元分析和结构优化的合理性，最后取得车架材料的铝合金板厚度为为mm，符合设计要求，为以后此领域的后续研究提供实验经验。

关键词：纯电动皮卡;车架;有限元;优化设计

ABSTRACT

This article mainly focuses on designing and optimizing the frame of a new miniature pure electric pickup truck. Firstly, the CATIA 3D modeling software is used to construct the frame model, and then ANSYS is used to analyze the force and deformation of the model under different working conditions. Further optimize the design of defective parts. In this way, the experimental analysis and optimization are repeated, and the force and deformation laws of each part of the frame are summed up. Finally, the frame with the best performance, the best structure and the lightest weight is obtained. Through the analysis and optimization experiments, the rationality of the finite element analysis and structural optimization of this new pure electric pickup truck frame is proved, which provides experimental experience for subsequent research in this field.

Keywords：Pure electric pickup;frame;finite element; optimized design

目录

摘 要 I

ABSTRACT II

第1章 绪 论 1

1.1 课题研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 纯电动皮卡研究现状 2

1.2.2 车架有限元分析和结构优化的研究现状 2

1.3 课题研究内容及目标 3

1.4 论文撰写思路和框架 3

第2章 有限元分析的原理和方法 4

2.1 有限元法基本原理 4

2.2 有限元分析法步骤及注意事项 4

2.2.1 有限元分析步骤 4

2.2.2 有限元分析步骤注意事项 7

2.3 本章总结 8

第3章 车架模型的创建 9

3.1 车架材料的选取 9

3.2 车架模型创建步骤 10

3.2.1 纵梁主体的创建 11

3.2.2 纵梁上其他构件的创建 12

3.2.3 六根横梁的创建 12

3.2.4 车架装配 13

3.3 车架模型细节部分 14

3.4 车架连接 14

3.4.1 焊接方式的选择 14

3.4.2 TIG焊接 15

3.4.3 铆接 16

3.5 本章总结 16

第4章 车架静态有限元分析 17

4.1 静力分析的有限元理论基础 17

4.2 车架载荷和工作状况的确定和分析 20

4.2.1 皮卡车架的弯曲工况分析 21

4.2.2 皮卡车架的扭转工况分析 22

4.2.3 皮卡车架的急刹车工况分析 23

4.3 本章总结 25

第5章 皮卡车架动态有限元分析 26

5.1 皮卡车架的模态分析 26

5.1.1 模态分析的基本原理 26

5.1.2 皮卡车车架的有限元模态分析 28

第6章 总结与展望 31

6.1 研究总结 31

6.2 研究期望 32

参考文献 33

致谢 34

第1章 绪 论

1.1 课题研究背景及意义

近年来，随着经济和科技的进步，人们在车辆选择上不仅仅的只是选择单一的性能问题，而关注越来越多的则是车辆的舒适性、简便性、多功能性。目前在我国盛行的家用轿车虽然可以在很大一定程度上解决消费者所要求的大部分要求，但是其在载物方面有着一定的局限性^[1][1]。空间小、取放不方便、物品导致室内异味等问题家用小轿车是无法避免的。那么集载人、载物于一起的皮卡汽车当然是人们不错的选择，在美国皮卡汽车已经成为一种生活的缩影，深受广大青年的喜爱，所以对于皮卡汽车的研究我国也必须做出一定的努力。

但是相对于我们的国情，皮卡汽车在很多地方具有一定的限制，总结出来有以下几点是阻碍皮卡汽车在我国城市道路上行驶的重要原因。首先是皮卡外形较大且经常用于一定的载货影响城市形象，国内许多城市为创造一个良好的城市形象，对货车类的机动车实施一定程度限行，其中就包括皮卡。其次就是影响城市交通，因为近几年来，国内的汽车产业飞速发展汽车的保有量也不断的在增加，城市很多路段基本都在限制皮卡汽车的通行。然后就是影响城市环境，有部分人认为，皮卡汽车属于货车范畴，其为期排放和能源消耗较多。所以本文所研究对象的载体-城市微型纯电动皮卡^[2][2]有着其研究的实际的意义。而且今年我国政府也是出台了很多项的有利于皮卡汽车发展的政策，其中就有从2018年1月1日起取消在皮卡车身上面喷涂绘字、贴反光条，取消了皮卡汽车的运营证的要求，从这一项政策这就意味着皮卡将不再会和以前一样同普通货车一样受到一定的限制，一直以来这种喷字、贴反光条不只是从一定程度上降低了皮卡整体的美观度，最重要的是还在一定程度上降低了用户的消费，取消皮卡运营证。这些政策无疑对于我们这款纯电动微型皮卡是非常有利的，极大地促进了广大消费者对于我们这款新型皮卡的购买欲。

当然作为整个皮卡的骨架-车架^[3][3]^[4][4]是本文主要研究的重点，本文这款城市微型纯电动皮卡车架作为搭载电机、车身、各种皮卡部件和承载^[5][5]各种压力的车架。我们也必须重新研究创新一种新型车架，纯电动皮卡在载物时其质心位置会发生较大的改变，所以设计一款在车架承受各种载荷，各种压力作用下车架具有较大的强度和刚度，保证车架不会变形，具有一定的吸振降低噪声传入驾驶室的能力。

纯电动皮卡本身的质量^[6][6]要求比较严格，整车质量越轻，皮卡车的续航等能力会明显的升高，所以作为整车质量占比重最大的车架是最好的减轻整车质量的部件，在保证车架整体性能合格的情况下，采用铝合金材料无疑是一种不错的选择，对车架进行有限元分析^[7][7]、结构优化^[8][8]，有研究表明可以至少减少车架10%的质量，所以本文所研究创新出的这一款具有优秀的性能，最轻质量车架以供我们这款城市微型纯电动皮卡使用的车架很具有研究意义^[9][9]。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 纯电动皮卡研究现状

近几年，由于能源问题的已经越来越明显，国家政策的扶持，新能源汽车已经被世界各国纷纷研究，并且已经取得了一定的成果，其中纯电动汽车作为一种新的能够给经济和产业带来新生命的转折点，已经成为了各国各个政府部分十分关切且加大力度研究的目标，也是各国汽车市场的战略选择^[10][10]。在众多的政策的大力推动下，世界各国的汽车产业已经进入了一个全面的交通能源转型的时代，纯电动汽车进入了飞速发展的新阶段。势必，这种深受广大国内外青年喜欢的纯电动皮卡将会带来一股新的汽车潮流，而且近几年国外对于纯电动皮卡的研究已经有了一定的进展，加拿大的Havelaar公司已经在2017年5月推出了一款名为Bison的纯电概念皮卡^[11][11]，Bison这款纯电动皮卡在前后各自搭载一台电动机，每个电动机通过自身的传动系统进行驱动运行，峰值功率为220kW，最大扭矩为510N•m ，这款纯电动皮卡的整车质量和续航能力也是非常可观的。像特斯拉和福特、奔驰这种大型汽车企业近几年都在纷纷对于纯电动皮卡这个板块进行大规模的研究。他们各自对于纯电动皮卡的研究也都有各自的特色。