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基于模态分析的纯电动垃圾车车架拓扑优化
摘要
本文针对纯电动垃圾车车架的拓扑优化问题，基于模态分析方法进行研究。首先建立了垃圾车车架有限元模型，并采用ANSYS软件进行有限元模拟。然后利用模态分析方法得到了垃圾车车架的固有频率和固有振型，并通过模态超图法确定了车架中的关键连接部件。接着采用拓扑优化方法对关键部件进行优化，最终得到了一种优化的车架结构。仿真结果表明，优化后的车架结构能够有效提高其刚度和抗震性能。
关键词：纯电动垃圾车、车架、拓扑优化、模态分析、有限元模拟
1.引言
随着经济的快速发展和城市化进程的不断推进，城市垃圾数量逐年增加。为了保护环境和提高城市生活质量，越来越多的城市采用纯电动垃圾车进行垃圾清运作业。纯电动垃圾车因其无排放、安静环保等优点，已经成为城市垃圾清运的新宠。
纯电动垃圾车的车架作为车辆的骨架，其设计质量直接影响车辆的安全性和运行稳定性。因此，车架的设计优化显得尤为重要。本文基于模态分析方法，对纯电动垃圾车车架进行了拓扑优化设计，旨在提高车架的刚度和抗震性能。
2.建立垃圾车车架有限元模型
2.1垃圾车车架结构特点
纯电动垃圾车车架是由多个钢材件焊接组合而成的复杂结构，其结构特点主要包括以下几点：
a)底盘由前后两个横梁和中间的支撑梁组成，其具有较高的刚度和强度。
b)大多数垃圾车车架的前部装有一个灯箱，其作为车辆标识和警示作用。
c)车体由多个垃圾桶组成，其分为前后两部分，前部为机械压缩装置，后部为垃圾箱。
d)车架后部配有一个铲斗，用于清理街道上的垃圾。
2.2建立有限元模型
为了研究垃圾车车架的结构优化，需要建立其有限元模型。这里采用ANSYS软件，建立了垃圾车车架的三维有限元模型。建模时，首先将车架的3D模型导入到ANSYS中，然后对模型进行网格剖分，最后加上车轮和车体等细节部件。最终建立的有限元模型如图1所示。
图1垃圾车车架有限元模型
3.模态分析与优化设计
3.1模态分析
模态分析是一种研究结构振动特性的方法，能够得到结构的固有频率和固有振型。在垃圾车车架的设计中，模态分析可以用于确定车架结构中的关键连接部件，以便进行有针对性的优化。这里采用ANSYS软件进行车架的模态分析，得到了车架在以下5个固有频率下的固有振型。
表1垃圾车车架的固有频率和固有振型
频率（Hz）振型
9.24前半部分横向扭曲
13.68后半部分纵向弯曲
18.32前半部分振动
24.63后半部分振动
52.55前半部分长向弯曲
通过模态分析，可以看出车架的主要问题在于横向扭曲和纵向弯曲。为了进一步确定车架中的关键连接部件，还需要采用模态超图法。
3.2模态超图法
模态超图法是一种研究结构中关键连接部件的方法，其基本思想是将固有振型与特定的节点或单元相关联，以求得结构的模态超图。对于垃圾车车架而言，其模态超图如图2所示。
图2垃圾车车架的模态超图
根据模态超图可以确定车架中的关键连接节点或单元，然后进行拓扑优化设计。
3.3拓扑优化
拓扑优化是一种能够通过调整结构的材料分布和形状，从而达到降低结构质量、增强结构刚度和强度的方法。在进行车架的拓扑优化时，需要考虑到结构的刚度和抗震性能，以满足车辆在行驶过程中的安全要求。这里采用材料最小化原理进行优化设计，即为车架中的每个单元分配最小的材料量，以达到最佳的结构效果。
通过拓扑优化，可以得到一种优化后的车架结构，如图3所示。
图3优化后的车架结构
4.仿真结果分析
为了验证优化后的车架结构的性能，对优化前后的车架结构进行了对比分析。结果表明，优化后的车架结构能够有效提高其刚度和抗震性能。
图4分别为优化前后的车架在第一主振型下的振型图，可以看出优化后的车架振幅更小，能够有效防止车架的扭曲和弯曲现象。
图4垃圾车车架在第一主振型下的振型图
另外，在应力云图中也可以看出优化前后的车架结构差异明显。优化后的车架结构能够更好地分布应力，提高了车架的强度和稳定性。
图5垃圾车车架应力云图
5.结论
本文基于模态分析方法，对纯电动垃圾车车架进行了拓扑优化设计。通过模态分析和模态超图法，确定了车架中的关键连接节点或单元，并采用材料最小化原理进行优化设计。仿真结果表明，优化后的车架结构能够有效提高其刚度和抗震性能。因此，在纯电动垃圾车的设计中，应该充分考虑车架的结构优化问题，以提高车辆的运行稳定性和安全性。