某電動客車車身骨架強度與剛度特性分析*

楊　路　楊秀建　高　晉　張　昆　李海青（昆明理工大學交通工程學院　云南　昆明　650500）

·設計·計算·

某電動客車車身骨架強度與剛度特性分析*

楊路楊秀建高晉張昆李海青
（昆明理工大學交通工程學院云南昆明650500）

摘要：車身骨架的剛度是影響車輛設計可靠性與行駛安全性的重要因素。基于CATIA建立某電動客車車身骨架模型，針對梁單元無法考慮構件局部屈曲的不足，建立基于殼單元的車身骨架有限元模型。利用HyperWorks軟件對骨架彎曲工況和扭轉工況下的強度和剛度進行計算，得到相應工況下的應力應變分布；并對骨架進行模態分析，得到車身骨架整體剛度響應。結果表明：骨架結構強度在材料的屈服極限內，骨架存在局部應力集中，且整體應力余量較大；模態分析發現骨架整體剛度較大，骨架頂蓋有明顯的突變現象；還對骨架的動靜態特性進行了評價，并提出改進意見，研究結果可為電動車骨架結構設計與改進提供參考。

關鍵詞：剛度強度車身骨架殼單元電動客車

引言

電動客車憑借其污染小、無需機械傳動、低噪聲等特點成為短途運輸的主力車型。車身骨架作為車輛載荷承載基體，不僅承受動力電池全部質量、乘客質量，還承受車輛行駛過程中的力和力矩，因此有必要對車身骨架強度及剛度進行分析[1，2]。文獻[3~5]利用有限元法對汽車車身結構進行了研究，其中文獻[3]運用參數化曲面造型技術完成整車造型、使用殼單元劃分網格，完成轎車的剛度強度分析，彌補了梁單元不能反映連接處局部應力分布的不足。文獻[4]是通過創建摩托車車架有限元模型，將輪轂中心的強迫位移函數作為激勵載荷加載，分析了車架在振動工況下的動態響應，但需要測量車架前后輪轂中心激勵位移，增加了測量成本。文獻[5]基于模態參數理論對某微型電動車車架的振動特性進行了研究，并對其進行結構優化，為電動車動態性能分析提供新的思路。電動車車架的研究因動力源的不同而有別于傳統汽車，不能簡單地將傳統汽車車架應用于電動車上，因此有必要針對電動車自身的特點對骨架結構進行研究。

本文以某型電動客車車身骨架為研究對象，對骨架結構的動靜態性能進行研究。利用HyperWorks軟件建立基于殼單元的車身骨架有限元模型，運用OptiStruct求解器求解骨架滿載彎曲及扭轉工況的靜態響應；利用有限元模型，基于模態分析理論，對車身骨架的動態特性進行分析。研究結果可為電動車車身骨架結構設計與優化提供依據。

1　有限元模型的建立

圖1所示為車身骨架模型。該型車車身由底骨架、側圍、前后圍、頂蓋構成的半承載式車身，主要是60×40×20 mm、40×30×2 mm、25×25×1.5 mm、20×20×1.5mm的矩形鋼板焊接而成。半承載式車身底骨架前端與帶有副車架的整體式前橋通過M16螺栓連接；后橋與鋼板彈簧通過吊耳連接。該電動客車骨架材料采用合金鋼，其力學特性參數如下：彈性模型為2.1×105MPa；泊松比μ為0.30；密度ρ為7.9×10-9t/mm3；熱處理后的屈服極限為500MPa。

圖1 車身骨架幾何模型

為較為真實地反映構件連接處的應力狀況，將車身骨架離散為殼單元集，采用PSHELL單元對其進行網格劃分，在保證車身結構主要力學特性及計算精度的前提下利用HyperMesh程序對骨架幾何模型進行簡化，采用以四邊形為主的網格類型，避免過多的三角形單元引起局部剛性過大。考慮到模型精度及計算規模，將單元尺寸控制在10～25mm的范圍內。分析中使用RBE2剛性單元模擬部件間的焊接，整車形成焊接單元2378個，最后整車骨架劃分為300035個單元，其中四邊形單元29844個，三角形單元1587個，模型精度較高。

2　靜態分析

2.1分析中的邊界條件

分析中的邊界條件是車輛實際行駛工況在有限元模型中的具體表現形式[6～8]。約束的施加隨汽車行駛工況的變化而變化，同時要滿足結構部件不發生剛性位移和不影響部件發生自由變形的要求。分析中主要對車身骨架的前橋螺栓孔和后橋鋼板彈簧懸架支撐點進行約束。

彎曲工況分析時約束前軸16個螺栓的UX、UY、UZ三個方向自由度，左后輪UZ方向自由度，右后輪UY、UZ兩個方向自由度，彎曲工況有限元模型如圖2 a）所示，圖2 b）中Ⅰ和Ⅱ分別為前、后軸約束及載荷的局部放大圖；扭轉工況分析時釋放左后輪所有自由度，前軸和右前輪的約束與彎曲工況相同，其中UX、UY、UZ分別表示約束位置的縱向、橫向、垂向自由度。

正確處理載荷及其施加形式是獲取精確可靠有限元分析結果的前提。車輛滿載時骨架載荷主要包括骨架自重、電機質量、駕駛室質量、乘員質量、側圍質量、前后圍質量、以及其它附件質量。結合車輛行駛過程中骨架載荷的實際情況，對載荷進行了如下處理，如表1所示。

表1　載荷及施加方式

a）骨架有限元模型

圖2　骨架有限元模型

2.2計算分析

通過OptiStruct求解計算，在后處理模塊中可得到骨架不同工況下的應變和應力云圖，分別如圖3、圖4所示。

圖3　彎曲工況的位移云圖和應力云圖

彎曲工況是模擬滿載狀態下，四輪著地時汽車在良好路面勻速直線行駛的狀態。從位移云圖可以看出，骨架中部和尾部變形較大，最大變形量為2.803 mm，位于車輛尾部，這是由于尾部電池過重造成的，此處易發生骨架破壞，比較危險；車輛中部變形較大是因為乘客多位于車廂中部，符合實際情況。從應力云圖結果來看，骨架最大應力為280.6 MPa，位于骨架尾部前軸約束位置，除前后軸約束位置應力較大外，大部分應力在32MPa左右。

圖4　扭轉工況的位移云圖和應力云圖

扭轉工況是模擬某個車輪懸空、被抬高或降低時骨架結構的受力狀態。從圖中可以看出，左后輪懸空時骨架最大變形量為14.52mm，位于頂蓋左后端。左后輪懸空時承受輪罩電池質量，致使左縱梁變形大于右縱梁的變形，變形量從后向前依次減小。從應力云圖可以看出，車身結構等效應力最大值為396.7 MPa，位于右后輪罩與橫梁聯接處，骨架發生較大扭轉變形時，此處較高的抗扭剛度阻礙扭轉變形沿橫梁傳遞，造成右后輪罩下方部件應力大幅度增加，產生應力集中。扭轉工況在使用中屬危險工況，應盡量避免。

3　模態分析

動態分析設計是結構設計中的重要環節之一，動態性能的好壞直接影響到結構的可靠性及使用壽命。模態分析作為動態分析的基礎，是動態分析的重要內容，因此通過模態分析獲得骨架結構的動態設計參數是非常重要的。

車身骨架是一個多自由度彈性系統，有無限多固有振型，設車身骨架具有n個自由度，在不考慮阻尼及外載的情況下，系統的振動方程為：

式中：[M]、[K]分別為系統的質量矩陣、剛度矩陣；{X}為系統的位移矩陣。將骨架振動分解為形如（2）式的一系列簡諧振動：

式中：ω為簡諧振動的圓頻率，rad/s；φ為任意常數；{u}為特征向量或振幅，m。

式（3）有非零解的條件是系數行列式的值為零，也就轉化為求解特征值的問題。

方程（4）為結構自由振動特征值方程，是ω2的n次方程，通常有n個不同的特征根：

稱為系統的固有頻率。對應于每個特征值ωi方程（3）都有解u，稱為系統的模態向量，系統的模態矩陣為

通常用ui描述了振型。各階固有振型的線性組合構成了結構的振動，其中低階振型對結構的動力影響程度比高階振型大得多，分析中提取前16階的模態振型進行分析。由于分析的是自由模態，所以前6階是模態頻率為零或者接近零的剛體模態。彈性模態計算結果從第7階算起，骨架的模態分析結果如表3所示，主要振型圖如圖5所示。

表3　骨架模態分析結果

圖5　第9、11、13、14階振型

模態分析是分析結構整體動態特性的有效方法，圖5給出了幾階變形較大的振型圖。骨架第9階振型以頂蓋中部彎曲振動為主，且振動幅度很大，其余部分振動幅度很小；第11階振型為彎曲振動，骨架頂蓋前部變形較大；第13階振型是彎扭混合振動，頂蓋前后變形都比較大；第14階振型為彎曲振動。從振型圖可以看出，骨架的固有振型分為兩類：一類是車身骨架的整體振動，如第14階振型；另一類是以骨架某一部分或某幾部分振動為主的局部振動，如第9階振型。車身骨架的振動主要位于骨架頂蓋部分，且該處有明顯的振型突變，振幅較大，底骨架振動幅度相對較小。

4　骨架動靜態特性評價

依據上述分析結果，對車身骨架結構性能評價如下：

1）通過骨架靜態滿載彎曲及扭轉工況分析發現，除了在約束位置和尾部電池前端橫梁出現應力集中外，整車骨架應力分布均勻，應力水平不高。對于彎曲工況后橫梁出現的應力集中，可考慮改變尾部電池布置位置或者增加結構薄弱處的零件厚度以緩解此處的應力集中，提高骨架整體強度；對于扭轉工況右后輪罩與橫梁聯接處的應力集中現象，建議該處使用高強度鋼或者將輪罩上方的電池布置于車廂中部以減少輪罩上方載荷。從整車骨架應力考慮，車身骨架大部分應力水平較低，強度富余，可適當對其進行結構優化和輕量化改進，以節省材料。

2）模態分析發現，該型電動車骨架的模態頻率在0~30Hz內，彈性模態的前10階頻率分布比較分散。從模態振型圖可以看出，車身骨架頂蓋中部及前部中間振動變形較大，需要加強該區域的剛度，降低振幅，可增加橫梁或增加現有結構厚度以提高骨架局部剛度。

5　結論

1）基于殼單元建立有限元分析模型，較好地避免了梁單元模型計算帶來的誤差，有限元模型精度較高，計算結果有較高的準確度。

2）從靜態分析結果來看，車身骨架彎曲和扭轉工況下的應力均小于材料的屈服強度，骨架結構設計比較安全。由動態分析結果可知骨架整體變形較為均勻，頂蓋變形相對較大。

3）對車身骨架進行了有限元分析，得到車身骨架的應力分布情況及位移響應，分析結果有利于發現車身結構設計中的薄弱環節和危險部位，對于電動車骨架設計與改進具有一定的指導意義。

參考文獻

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中圖分類號：U463.82

文獻標識碼：A

文章編號：2095-8234（2015）02-0061-05

收稿日期：（2015-03-12）

基金項目：國家自然科學基金項目（51465023），昆明理工大學人才培養項目（KKSY201402065）。

作者簡介：楊路（1989-），男，碩士研究生，主要研究方向為車輛動力學與汽車CAE技術。

通訊作者：楊秀建（1980-），男，博士，副教授，主要研究方向為汽車系統動力學與控制、汽車CAE技術等。

S
trength and Rigidity Analysis for an Electric BusBody Frame

Yang Lu，Yang Xiujian，Gao Jin，Zhang Kun，LiHaiqing
Faculty of Transportation Engineering，Kunming University ofScienceand Technology
（Kunming，Yunnan，650500，China）

Abstract：Rigidity of vehicle body frame is one of the crucial factors that affecting vehicle′s design reliability and driving safety.The CADmodelofan electric bus body frame is created based on CATIA，in allusion to shortcomings ofmodal based on beam element that can't consider local buckling，the finite elementmodelofbusbody frame isestablished based on shellelements.Then it isemployed to complete its strength and rigidity calculation under full load bending and torsion operating conditions by mean of the HyperWorkssoftware，obtaining a corresponding stressand strain distribution,andmodalanalysisofbody frame ismade，then obtaining integral rigidity response ofbody frame.The resultsare shown that thisbody frame′s strength iswithin the scope of thematerials yield,the local stress concentration ismarkedly found on tail beam of body frame，and integral stress allowance is larger；it is found that body frame integral rigidity is larger，carrying a significant mutation on the roof of body frame；the dynamic&static characteristicsofvehiclebody frameare evaluated，some suggestionsare proposed accordingly.The results presented in the papermay be helpful for the structuraldesign and improvementof theelectric bus frame.

Keywords：Rigidity，Strength，Busbody frame，Shellelement，Electric bus