基于FEM的某電動客車車身骨架靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析*

楊　路楊秀建王景峰高　晉牛子孺張　昆（-昆明理工大學(xué)交通工程學(xué)院　云南　昆明　650500 -云南航天工業(yè)有限公司技術(shù)研發(fā)中心）

基于FEM的某電動客車車身骨架靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析*

楊路1楊秀建1王景峰2高晉1牛子孺1張昆1
（1-昆明理工大學(xué)交通工程學(xué)院云南昆明650500 2-云南航天工業(yè)有限公司技術(shù)研發(fā)中心）

大客車車身骨架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是影響整車結(jié)構(gòu)安全性的關(guān)鍵因素。基于CATIA建立了某電動大客車骨架的CAD模型，針對半承載式客車車身骨架梁單元建模不能反映連接處真實結(jié)構(gòu)的不足，建立了基于殼單元的有限元模型。利用HyperWorks軟件對車身骨架作了靜態(tài)彎曲、扭轉(zhuǎn)、制動、轉(zhuǎn)彎工況的數(shù)值模擬研究，獲得了相應(yīng)工況下的應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律。結(jié)果表明：骨架的剛度和強(qiáng)度均在材料屈服范圍之內(nèi)，分析結(jié)果可為骨架的結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化提供理論依據(jù)。

電動客車車身骨架殼單元HyperWorks靜態(tài)分析

引言

為應(yīng)對能源緊缺，環(huán)境惡化等世界性問題，電動汽車憑借污染小，能耗低等特點逐漸走進(jìn)人們的視野[1]。同時為響應(yīng)國家大力推廣新能源汽車的號召，云南航天工業(yè)有限公司開發(fā)了YH6660BEV-A型純電動城市客車以完善城市公共交通配套體系，實現(xiàn)大中城市支線交通大客流快速換乘，解決短途出行難的問題。作為城市公共交通微循環(huán)適用車，該車車身小巧，低地板，大通道設(shè)計，上下車方便快捷。設(shè)計最高車速為69 km/h，續(xù)航里程為180 km。

作為車輛的承載基體，車身骨架不僅承擔(dān)蓄電池、底盤和乘客的質(zhì)量，而且還要承受汽車行駛過程中產(chǎn)生的各種力和力矩，其強(qiáng)度不僅關(guān)系到整車能否正常行駛，還直接影響整車安全性。因此，提高車架可靠性已成為現(xiàn)代汽車設(shè)計的重要內(nèi)容之一。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，有限元法（FEM）被廣泛應(yīng)用于骨架結(jié)構(gòu)分析中，且通過FEM可以對任意復(fù)雜問題的結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行研究[2～4]。國內(nèi)外許多專家、學(xué)者對車身骨架的有限元分析進(jìn)行了大量的研究。文獻(xiàn)[5]～[8]對車架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，通過建立有限元模型，分別對車輛不同行駛狀態(tài)下的極限靜態(tài)工況進(jìn)行了分析，有效地提高了車架的設(shè)計效率，縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期。但實際過程中分析模型，約束條件，載荷處理等與實際工程結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的符合程度都會不同程度地影響有限元分析計算結(jié)果的可信度，如有失誤則會造成很大誤差，嚴(yán)重時將導(dǎo)致分析失敗。文獻(xiàn)[9]～[11]采用不同單元類型對客車車身骨架進(jìn)行了研究，其中文獻(xiàn)[9]針對梁單元模型處理速度快，計算結(jié)果粗糙不能反映復(fù)雜結(jié)構(gòu)真實情況的特點。而板單元能真實反映復(fù)雜過渡處情況，前處理工作量大，計算時間長的特點，對某型客車半承載式車身前后懸架縱梁及其加強(qiáng)板采用薄板單元建模，其他采用梁單元的建模方式，分析結(jié)果與試驗結(jié)果吻合情況較好，彌補(bǔ)了純板模型前處理工作量大，計算時間長和純梁模型精度差的不足。文獻(xiàn)[10]在梁單元建模的基礎(chǔ)上，采用一種梁體混合建模的方法對某半承載式車身的結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行分析，并用靜態(tài)電測試驗驗證了模型的正確性，通過實體模型的引入，準(zhǔn)確地反映了縱、橫梁連接的真實情況和連接處的應(yīng)力集中問題。文獻(xiàn)[11]為提高模型精度，了解車身骨架結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力水平，車架、車身、懸架分別采用殼單元、梁單元和剛度不同的梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬改進(jìn)，并運(yùn)用Matlab構(gòu)建B級路面標(biāo)準(zhǔn)，離散得到位移-頻率對應(yīng)譜值，對改進(jìn)后的模型進(jìn)行隨機(jī)振動譜分析，有效地解決了車架開裂問題。

本文針對YH6660BEV-A車型，運(yùn)用有限元法對其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了校核。通過模擬骨架組成梁之間的連接，應(yīng)用殼單元建模，針對該車行駛過程中常見的彎曲工況、扭轉(zhuǎn)工況、制動工況及轉(zhuǎn)彎工況4種工況進(jìn)行了靜態(tài)分析，得出每種工況下骨架的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。較為實際地反映了骨架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布，針對危險部位，提出合理改進(jìn)建議。研究結(jié)果對車架的開發(fā)設(shè)計及優(yōu)化改進(jìn)具有重要意義。

1　有限元模型建立

1.1幾何模型導(dǎo)入

客車車身是較為復(fù)雜的空間薄壁結(jié)構(gòu)，車身骨架是由不同截面形狀的矩形管焊接而成的空間結(jié)構(gòu)。很難基于所有的結(jié)構(gòu)建立有限元模型，因而在盡可能反映車身結(jié)構(gòu)主要力學(xué)特性，保證結(jié)構(gòu)同樣準(zhǔn)確的前提下，對構(gòu)件進(jìn)行相應(yīng)的簡化。省略骨架構(gòu)件中對骨架的整體剛度、強(qiáng)度影響不大的小尺寸結(jié)構(gòu)，并將所有倒角和過渡圓角簡化為直角等。為提高分析精度，在CATIA中建立骨架實體模型，導(dǎo)入到有限元分析軟件中[12]。簡化后的骨架幾何模型如圖1所示。

圖1　骨架幾何模型

HyperMesh具有完善的數(shù)據(jù)導(dǎo)入導(dǎo)出接口，可以與CATIA、UG等諸多通用CAD軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)共享。利用HyperWorks提供的CATProduct接口讀入模型，導(dǎo)入的模型幾何質(zhì)量較好，無重疊、缺失、變形等現(xiàn)象。為消除不必要的細(xì)節(jié)，對該模型進(jìn)行自動幾何清理以期提高劃分網(wǎng)格的速度和質(zhì)量，提高計算精度[13，14]。

1.2材料屬性定義

所建骨架模型材料采用合金鋼，其力學(xué)特性參數(shù)如下：彈性模量為2.1×105MPa，泊松比μ為0.30，密度ρ為7.9×103kg/m3，熱處理后的屈服極限為500 MPa。

1.3網(wǎng)格劃分

目前，有限元分析建模方法主要有2種：一是采用由2節(jié)點的梁單元組成的框架進(jìn)行建模，其特點是劃分的單元及節(jié)點數(shù)少，但不能反映縱、橫梁連接處的真實情況，亦無法分析連接處應(yīng)力集中問題；二是將車身離散成殼單元的組集，其特點是能相對真實反映連接處情況，但前處理工作量大，計算時間長[10]。為較為真實地反映連接處的應(yīng)力情況，本文將車身骨架離散為殼單元的組集，運(yùn)用殼單元進(jìn)行建模，選取網(wǎng)格大小介于10～20mm之間，考慮焊點模擬并經(jīng)初步粗略計算，選取網(wǎng)格尺寸為10mm。約束及孔附近進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化處理，在零件之間采用spot 中weld焊接單元模擬焊接，將骨架各組件連接成一個整體，如圖2所示。

圖2　利用weld模擬連接

本文采用自動網(wǎng)格劃分功能，使用以四邊形殼單元為主的單元形態(tài)，避免過多的三角形單元出現(xiàn)，并即時檢查和控制單元質(zhì)量以獲取質(zhì)量較高的有限元模型[13，14]。

使用QIoptimize對整個模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元大小為10mm。可得到骨架有限元模型如圖3所示。最終整個骨架劃分為3440072個單元，產(chǎn)生節(jié)點3459042個，聯(lián)接副共有11953對，對網(wǎng)格質(zhì)量檢查知，翹曲等不良特征單元不足1%，該有限元模型質(zhì)量較高。

圖3　骨架有限元模型

1.4定義邊界條件

裝配時，骨架與帶有電機(jī)及轉(zhuǎn)向器的整體式前橋是通過16個M16螺栓聯(lián)接，前橋邊界條件模擬為：約束UX，UY，UZ三個方向自由度，如圖4所示；其后橋是通過懸架系統(tǒng)與骨架吊耳相連，約束吊耳孔UY，UZ兩個方向自由度，后橋約束條件如圖5所示。

圖4　 前橋邊界條件設(shè)置

圖5　后橋邊界條件設(shè)置

2　載荷處理

汽車在使用過程中要承受各種載荷的作用，在有限元分析時就必須對載荷進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚怼１疚闹械碾妱榆嚬羌茌d荷主要包括骨架自重、電機(jī)重量、駕駛室重量、乘員重量、側(cè)圍重量、前后圍重量、以及其它附件重量。載荷的施加方式有集中載荷和均布載荷兩種。具體采用何種類型載荷形式視實際情況而定。結(jié)合車輛行駛過程中骨架載荷的實際情況，對載荷進(jìn)行了如下處理：

1）骨架側(cè)圍及前、后圍總重約8000 N，以集中載荷的形式施加到與其連接處。

2）輪罩上方電池蓄電池總重約4800 N（左右各約2400 N），該載荷以均布載荷的形式施加到電池箱與輪罩的接觸平面上。

3）尾部電池及電池上方4處座位滿載工況下，總重量包括尾部電池重量約4000 N以及乘客重量約2400N（每名乘客按60 kg計），共計6400N。該載荷處理為均布載荷施加于其在骨架的支撐位置。

4）滿載乘員人數(shù)為30人，每人按60 kg計，乘員總重量約為18000N，該載荷處理為均布載荷，作用于骨架中間及尾部。

5）駕駛室及附件總成重量約2000 N，以集中載荷的形式施加于其在骨架的支撐位置。

6）電機(jī)及轉(zhuǎn)向器總重約2000 N，處理為均布載荷施加在骨架的支撐位置。

3　靜態(tài)工況分析

采用CAE方法對汽車車身結(jié)構(gòu)的靜態(tài)性能進(jìn)行分析，其基本思想如下：將復(fù)雜結(jié)構(gòu)劃分為有限個單元或節(jié)點，再以單元或節(jié)點為研究對象，建立位移與內(nèi)力之間的靜力平衡方程，匯總所有的方程式，得到所要分析結(jié)構(gòu)的整體平衡方程，對該方程組進(jìn)行求解即可得到未知節(jié)點或單元的位移[15]。電動汽車在使用過程中受力位置非常集中，應(yīng)力狀況較為復(fù)雜。因此筆者對車輛定型試驗規(guī)程規(guī)定的行駛工況分別進(jìn)行了分析討論。

3.1彎曲工況

滿載彎曲工況是模擬汽車在滿載狀態(tài)下、四輪著地時汽車在良好路面勻速直線行駛時骨架對其所承受重量的響應(yīng)情況。在分析計算時，考慮路況較好，速度相對較高，取動載系數(shù)為2.5。同時為了消除骨架的剛體位移，需要對骨架的自由度進(jìn)行約束。約束條件處理為：前橋與電機(jī)轉(zhuǎn)向器相連的螺栓孔，約束其UX，UY，UZ三個方向自由度；同時約束后橋吊耳處銷軸孔UZ方向的自由度。

按照上述約束條件及載荷，對其進(jìn)行求解。計算結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6　彎曲工況骨架應(yīng)力云圖

圖7　彎曲工況骨架位移云圖

從應(yīng)力分布圖可以看出，骨架結(jié)構(gòu)的等效彎曲應(yīng)力最大值位于尾部電池存放處的底骨架及側(cè)圍附近，為324.2MPa。由于骨架后軸承載蓄電池及乘員使得后軸負(fù)荷較大，且此處距后軸較遠(yuǎn)，造成了該處的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

通過骨架變形分布圖可以看出，最大位移發(fā)生在骨架最后端尾部電池處。

3.2扭轉(zhuǎn)工況

由于路面不平度的作用，汽車在行駛過程中將受到扭轉(zhuǎn)載荷的影響，其極限扭轉(zhuǎn)載荷為汽車在非對稱支承下產(chǎn)生的靜態(tài)扭矩。為此，在骨架設(shè)計開發(fā)階段測試了骨架扭轉(zhuǎn)工況下的應(yīng)力及變形情況。限于篇幅，筆者只給出左后輪懸空時骨架受力狀態(tài)。

滿載扭轉(zhuǎn)工況下的約束條件處理為：約束前軸裝配位置螺栓孔UX，UY，UZ三個方向的自由度，同時約束右后輪裝配位置處銷軸孔的UZ方向自由度，釋放其余車輪自由度。計算結(jié)果如圖8、圖9所示。

圖8　扭轉(zhuǎn)工況骨架應(yīng)力云圖

圖9　扭轉(zhuǎn)工況骨架位移云圖

圖10 　制動工況骨架應(yīng)力云圖

圖11 　制動工況骨架位移云圖

從圖中可以看出，骨架結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力最大值為376.9MPa，位于右后輪罩與橫梁聯(lián)接處。當(dāng)骨架發(fā)生較大扭轉(zhuǎn)變形時，此處較高的抗扭剛度阻礙扭轉(zhuǎn)變形沿橫梁傳遞，造成右后輪罩應(yīng)力大幅度增加，產(chǎn)生應(yīng)力集中，而骨架的其余部分應(yīng)力大都在42 MPa左右。

從扭轉(zhuǎn)工況位移可以看出，骨架的最大位移發(fā)生在左后輪罩及尾部電池支撐處的左端，最大變形量為18.82mm。骨架的變形量較大，同時由于左后輪被懸空且承受電池重量，左縱梁變形明顯大于右縱梁的變形。左縱梁左下方的變形量最大，向前逐漸減小。此種情況屬危險情況，在使用過程中要盡量避免此工況的發(fā)生。

3.3制動工況

汽車在行駛過程中由于行駛工況的改變，車輛常常會出現(xiàn)減速的情況，此時產(chǎn)生的慣性力使骨架承受和行駛方向相同或相反的縱向載荷的作用。縱向載荷的大小取決于制動減速度和車載質(zhì)量的大小，慣性力的大小取決于制動減速度的大小。本文模擬制動時的極限工況：前輪抱死，抱死前按初速度為50 km/h，制動距離為6m，地面附著系數(shù)良好來模擬，即制動減速度16.1m/s2來計算。約束條件處理為：約束前橋螺栓孔處UX，UY，UZ三個方向的自由度；同時約束后橋吊耳處銷軸孔UZ，UX兩個方向的自由度。計算結(jié)果如圖10、圖11所示。

從圖中可以看出，受力薄弱點出現(xiàn)在主縱梁骨架固定處，最大值為328.8MPa。由于制動時載荷轉(zhuǎn)移，使得中前部載荷增加，造成了該處應(yīng)力出現(xiàn)增加現(xiàn)象，骨架其余部分應(yīng)力較小。

從制動工況位移可以看出，在縱向加速度的作用下，車身尾部略向前收縮，車身前部略向前傾。最大變形依舊發(fā)生在骨架后端尾部電池安裝位置，此時最大變形量為4.008mm，較彎曲工況變形有所減小。前端電機(jī)安裝處位移有增大趨勢，這是因為載荷轉(zhuǎn)移造成前部載荷增加的緣故，另外電動車制動時，其滿載質(zhì)量的慣性力通過各個支架施加到骨架上，使其附加了一個沖擊載荷，也造成了前部的應(yīng)力、變形較彎曲工況大。

3.4轉(zhuǎn)彎工況

汽車緊急轉(zhuǎn)彎時，由于離心力作用而產(chǎn)生側(cè)向載荷轉(zhuǎn)移，因此要求骨架要具有足夠的剛度和強(qiáng)度去承受側(cè)向載荷的能力。轉(zhuǎn)彎工況模擬為向左轉(zhuǎn)彎，側(cè)向加速度為0.3g。約束前橋螺栓孔處UX，UZ兩個方向的自由度和后橋吊耳處銷軸孔UZ方向的自由度，釋放車輪其余自由度。計算結(jié)果如圖12、圖13所示。

從圖中可以看出，受力薄弱點依然出現(xiàn)在主縱梁骨架固定處，最大值為381.1MPa。右側(cè)骨架應(yīng)力大于左側(cè)，這是由于轉(zhuǎn)彎時載荷轉(zhuǎn)移導(dǎo)致外側(cè)載荷增加的緣故，而骨架其余部分應(yīng)力相對較小。

從圖中可以看出，變形最大位置是質(zhì)心附近靠近外側(cè)的橫梁處。

有限元分析結(jié)果顯示，以上四種典型工況下骨架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度均符合要求。各工況的最大等效應(yīng)力均出現(xiàn)在承載尾部電池及乘客的縱、橫梁連接處。除此之外，骨架大部分區(qū)域的應(yīng)力水平相對較低。

圖12 　轉(zhuǎn)彎工況骨架應(yīng)力云圖

圖13　轉(zhuǎn)彎工況骨架位移云圖

4結(jié)論

本文通過CATIA建立車身骨架三維實體模型，基于殼單元建立骨架有限元模型，對車身骨架進(jìn)行了靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析，結(jié)論如下：

1）基于有限元法完成了開發(fā)階段車身骨架強(qiáng)度的數(shù)值模擬分析，分析表明車架滿足設(shè)計強(qiáng)度要求。

2）運(yùn)用殼單元建模對整車骨架進(jìn)行有限元分析，較其他傳統(tǒng)建模方法，該模型能夠提供更為準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布規(guī)律和車身強(qiáng)度特性，找到車身結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)和危險部位，為其改進(jìn)設(shè)計及優(yōu)化提供參考。

3）在車架后橋處，特別是后橋輪罩靠近尾部電池處的縱梁與橫梁連接處為應(yīng)力集中分布處。若此處采用梁單元進(jìn)行建模，則無法準(zhǔn)確計算該處的應(yīng)力分布。因此采用殼單元建模，將縱、橫梁連接的真實情況凸顯出來，得到較為準(zhǔn)確的連接處應(yīng)力分布及應(yīng)力值。

4）計算結(jié)果表明骨架大部分應(yīng)力值較低，強(qiáng)度較為富裕，輕量化潛力大。

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Static Structure Analysis for Electric Bus Body based on FEM

Yang Lu1，Yang Xiujian1，W ang Jingfeng2，Gao Jin1，Niu Ziru1，Zhang Kun1
1-Faculty of Transportation Engineering，Kunming University ofScience and Technology（Kunming，
Yunnan，650500，China）2-Research&DevelopmentCenter，Yunnan Aerospace Industry Co.，Ltd.

Body frame structure strength is one of the crucial factors thataffecting vehicle structure safety. The CADmodelofbusbody framewas created based on CATIA，in allusion to shortcomingsofmodalbased on beam element that can't reflect real structure of joint，the finite elementmodel of the semi-bearing bus body frame was established based on shell elements.Then it was employed to complete its numerical simulation research of fully load bending，torsion，braking and steering conditions by means of the HyperWorks software，obtaining a corresponding stress and strain distribution rule.The result shows that this body frame′s intensity and rigidity are within the scope of the materials yield，which provides theoretical reference for frame structure design and optimization.

Electric bus，Busbody，Shellelement，HyperWorks，Static analysis

U469.1

A

2095-8234（2015）01-0036-06

國家自然科學(xué)基金項目（51465023）；昆明理工大學(xué)人才培養(yǎng)項目（KKSY201402065）。

楊路（1989-），男，碩士研究生，主要研究方向為車輛結(jié)構(gòu)有限元及疲勞耐久性分析。

（2014-11-20）