汪獻(xiàn)偉,房以偉,倪晨倩,王金高,陳婕瑋

(1. 江蘇理工學(xué)院機械工程學(xué)院, 江蘇 常州 213001;2. 科達(dá)車業(yè)有限公司, 江蘇 揚州 225800)

1 可伸縮車載行李架的結(jié)構(gòu)設(shè)計

車載行李架作為一種車輛附屬設(shè)備安裝在車輛頂部,可以有效拓展車輛的收納空間,并提升駕乘樂趣[1-2].本文設(shè)計一種可伸縮車載行李架,主要由兩根橫桿和兩根豎桿組成,橫桿固定不動,豎桿通過連接件固定在橫桿上,橫桿的伸縮可適用于不同寬度的汽車,豎桿可根據(jù)出行攜帶物品的多少進(jìn)行伸縮調(diào)整.橫桿空心桿一端連著帶有卡鉤的支承座,另一端與橫桿連接桿連接.縱桿空心桿一端通過連接件與橫桿固連,另一端與縱桿連接桿相連.該車載行李架的橫桿空心桿、縱桿空心桿、縱桿連接桿尺寸分別為40 mm×30 mm×700 mm、40 mm×30 mm×750 mm、30 mm×20 mm×800 mm,空心桿厚度2 mm,縱桿和橫桿的伸縮范圍分別是0.9～1.6 m、1.4～2.0 m.為了保證縱、橫桿的長度可調(diào),在縱、橫桿連接桿上開有與卡子匹配的凹槽,凹槽中固定了兩塊帶有卡槽的條形板,連接桿的兩端安裝了滑動套,便于滑動伸縮,空心桿的外端安裝一個固定套,起引導(dǎo)和保護(hù)作用.桿內(nèi)安裝一個彈片用于固定卡子,保證調(diào)整尺寸后不會發(fā)生滑動,按下卡子處于外部的一端,卡子另一端抬起,離開條形板卡槽,使連接桿可以進(jìn)行滑動,調(diào)整尺寸.松開卡子后,彈片重新壓緊卡子,使卡子卡入條形板卡槽中,使行李架尺寸固定.行李架的總體結(jié)構(gòu)和伸縮結(jié)構(gòu)分別如圖1、圖2所示.

圖1 車載行李架整體結(jié)構(gòu)

圖2 車載行李架局部可伸縮結(jié)構(gòu)

2 車載行李架的結(jié)構(gòu)分析及評定

2.1 車載行李架的結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析

車載行李架作為車輛附件除了要滿足裝飾性要求外,還必須保證車輛安全性,特別是在高速和危險路段情況下行駛車輛的安全性.本文設(shè)計的車載行李架承重范圍為30～50 kg,車輛在行駛過程中,行李架需要額外承受四種典型的載荷工況,即向下、向前、向后和側(cè)向載荷,如表1所示.行李架的縱、橫桿均采用輕質(zhì)、高強度的鋁合金材料[1].為了保證車載行李架在最大承重、四種不同載荷工況下的安全性,基于Workbench分析平臺對全伸、半伸、全縮三種不同狀態(tài)下的車載行李架分別創(chuàng)建有限元模型并開展四種不同載荷工況下的仿真模擬[3].圖3給出了全伸時車載行李架的有限元模型,整體結(jié)構(gòu)采用六面體網(wǎng)格,單元尺寸為10 mm,單元數(shù)目為13 180,節(jié)點數(shù)目為80 398,約束形式為對其兩橫桿四個端面進(jìn)行固定約束.半伸和全縮時行李架采用同樣的網(wǎng)格類型和約束形式.分析結(jié)果表明,工況4引起的車載行李架的應(yīng)力和變形最大.圖4、圖5分別給出了車載行李架在全伸、半伸和全縮時的等效應(yīng)力和總變形.當(dāng)車載行李架處于全伸狀態(tài)時,由側(cè)向載荷引起的最大等效應(yīng)力為107 MPa,半伸狀態(tài)下的最大等效應(yīng)力為87 MPa,全縮狀態(tài)下的最大等效應(yīng)力為34 MPa.而全伸、半伸、全縮狀態(tài)下車載行李架產(chǎn)生的最大變形分別為8.6、4.9、1.1 mm,均低于10 mm的閾值[4].

表1 工況負(fù)荷表

圖3 全伸車載行李架網(wǎng)格模型

(a) 全伸

(a) 全伸

2.2 基于分析設(shè)計的強度評定

分析設(shè)計有別于常規(guī)設(shè)計,在分析設(shè)計中,根據(jù)外部載荷性質(zhì)的不同,應(yīng)力被分為總體薄膜應(yīng)力、局部薄膜應(yīng)力、彎曲應(yīng)力、二次應(yīng)力以及峰值應(yīng)力等,針對不同的應(yīng)力類型采用不同的評定標(biāo)準(zhǔn),對于常規(guī)管道或壓力容器,在無熱載荷作用時,其局部最大應(yīng)力不得超出設(shè)計應(yīng)力強度Sm的1.5倍,而對于一些重要的零部件,其局部最大應(yīng)力不得超出設(shè)計應(yīng)力強度的1.3倍.對于車載行李架則要求其最大局部薄膜應(yīng)力和薄膜加彎曲應(yīng)力不得超出1.5Sm[5-8].為了獲得車載行李架的局部薄膜應(yīng)力、薄膜加彎曲應(yīng)力,在應(yīng)力最大區(qū)域即橫桿空心桿與連接件連接處沿桿子厚度方向創(chuàng)建分析路徑,通過應(yīng)力線性化[9-10]提取車載行李架在全伸、半伸、全縮三種狀態(tài)的局部薄膜應(yīng)力和薄膜加彎曲應(yīng)力,全伸狀態(tài)下的應(yīng)力最大,如表2所示,但遠(yuǎn)低于允許的應(yīng)力閾值,具有足夠的安全裕度.

表2 應(yīng)力線性化 MPa

3 車載行李架的模態(tài)分析

考慮到車輛在山區(qū)或顛簸路面長時間行駛對行李架的結(jié)構(gòu)沖擊,有必要對車載行李架開展模態(tài)分析,模態(tài)分析的目的是為了獲得行李架的固有頻率和振型,固有頻率和振型可以通過求解由質(zhì)量、阻尼、剛度和力向量組成的有限元剛度矩陣獲得[11],在求解時需要注意物理坐標(biāo)向模態(tài)坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換,計算式為:

(1)

由于車載行李架的阻尼很小,在無阻尼振動狀態(tài)下式(1)可進(jìn)一步簡化為：

(2)

圖6給出了全伸時車載行李架的前六階模態(tài),當(dāng)固有頻率較低時,大變形主要發(fā)生在縱桿的跨中區(qū)域;當(dāng)固有頻率較高時,大變形主要發(fā)生在橫桿的跨中區(qū)域;當(dāng)固有頻率進(jìn)一步增大時,縱、橫桿都將產(chǎn)生較大的變形,但縱桿的變形量大于橫桿的變形量.表3為車載行李架在半伸和全縮狀態(tài)下前六階振型對應(yīng)的固有頻率和最大變形,行李架在全縮狀態(tài)下的各階固有頻率高于半伸狀態(tài)下相應(yīng)的固有頻率.鑒于車輛在行駛過程中外部的激勵頻率通常小于30 Hz,因此車輛在顛簸路段行駛不會導(dǎo)致行李架的共振破壞.

(a) 一階模態(tài)

表3 在半伸和全縮狀態(tài)下車載行李架的最大位移和固有頻率

4 結(jié)語

本文設(shè)計了一種可伸縮式車載行李架,并基于ANSYS-Workbench仿真計算平臺,結(jié)合四種典型工況對車載行李架承載狀態(tài)進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析.通過應(yīng)力線性化提取了車載行李架中各種不用類型的應(yīng)力,并進(jìn)行分類評定,評定結(jié)果表明行李架內(nèi)部的局部薄膜應(yīng)力和薄膜加彎曲應(yīng)力均低于相應(yīng)的設(shè)計應(yīng)力閾值,滿足結(jié)構(gòu)強度要求.對車載行李架開展模態(tài)分析,提取車載行李架在不同伸縮狀態(tài)下的前六階振型和固有頻率,隨著固有頻率的變化,行李架的最大變形既可能出現(xiàn)在縱桿上,也可能出現(xiàn)在橫桿上,但是無論車載行李架處于全伸、半伸還是全縮狀態(tài),其最低固有頻率均較大,不會導(dǎo)致車載行李架結(jié)構(gòu)的共振破壞.