純電動客車車身結(jié)構(gòu)輕量化研究

劉頔++任美林++樊春艷

文章編號：2095-6835（2016）07-0014-03

摘 要：隨著我國能源、環(huán)境與汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展矛盾的日益突出，純電動客車已經(jīng)成為了城市公共交通發(fā)展的主要方向。但是，在電動客車發(fā)展的過程中，面臨著動力電池能量普遍比較低與用戶想獲得較長的續(xù)駛里程的矛盾。要想解決這一矛盾，實現(xiàn)電動客車車身的輕量化是較為有效的解決方案之一。以一款國內(nèi)自主品牌純電動客車為例，探討了實現(xiàn)客車車身輕量化的優(yōu)化方法，并利用HyperWorks有限元軟件平臺對電動客車進(jìn)行有限元建模和靜態(tài)分析。同時，以車身質(zhì)量為目標(biāo)函數(shù)，各工況下的應(yīng)力和模態(tài)固有頻率為約束條件，車身骨架主要桿件的厚度為設(shè)計變量，對電動客車車身進(jìn)行輕量化分析，在滿足整車強(qiáng)度、剛度和車身低階固有頻率的要求下，使車身質(zhì)量減輕了3.97%.

關(guān)鍵詞：純電動客車；有限元分析；輕量化；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

中圖分類號：U463.82 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.07.014

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，汽車工業(yè)越來越重視輕量化方面的研究，同時，它也是21世紀(jì)汽車行業(yè)的前沿技術(shù)和熱點技術(shù)。一般認(rèn)為，汽車自身質(zhì)量減輕1%，可節(jié)省燃料消耗0.6%～1.0%.汽車減輕自重不僅可以減小汽車的行駛阻力，降低能量消耗，還有利于改善汽車的轉(zhuǎn)向、加速和制動等性能，有利于降低噪聲，減輕振動。對電動汽車而言，受電池單位質(zhì)量儲能太少和續(xù)航里程太短的困擾，車身輕量化設(shè)計就更加重要。

純電動客車輕量化作為客車結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的一部分，在節(jié)能環(huán)保和改善汽車性能方面發(fā)揮著非常大的作用。客車輕量化是一項復(fù)雜、系統(tǒng)的工程。從電動客車的發(fā)展趨勢看，在“十城千輛”政策和電動公交車示范運營的推動下，新能源公共交通工具將成為我國新能源汽車發(fā)展的主流方向，而電動客車輕量化也是新能源汽車技術(shù)發(fā)展的主要方向之一。因此，在現(xiàn)有電池技術(shù)下，要盡可能增加電動客車的續(xù)航里程。這樣做，有利于電動客車的市場化推廣。

1 車身結(jié)構(gòu)輕量化現(xiàn)狀和流程

車身結(jié)構(gòu)輕量化主要集中在2個方向：①基于改善客車燃油經(jīng)濟(jì)性的輕量化；②基于提升客車性能和安全性的輕量化。其主要研究方法有以下3種：①采用現(xiàn)代設(shè)計方法（例如有限元方法）對車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化和拓?fù)鋬?yōu)化，從而得到輕量化結(jié)構(gòu)；②利用硬件優(yōu)勢，充分考慮動態(tài)過程（比如碰撞、振動過程）中的各種約束條件優(yōu)化尺寸參數(shù)，從而改進(jìn)車身輕量化結(jié)構(gòu)，提高車身結(jié)構(gòu)的安全性；③應(yīng)用現(xiàn)代優(yōu)化算法，例如遺傳算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等對結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化設(shè)計。

隨著計算機(jī)軟硬件技術(shù)的迅猛發(fā)展，車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化的應(yīng)用范圍越來越廣，而車身輕量化技術(shù)也由人工優(yōu)化向計算機(jī)獨立智能優(yōu)化的方向發(fā)展。在優(yōu)化方法上，由傳統(tǒng)的尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化改為尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化和拓?fù)鋬?yōu)化三者協(xié)同優(yōu)化，并由單目標(biāo)優(yōu)化轉(zhuǎn)向協(xié)同優(yōu)化、多目標(biāo)優(yōu)化和多學(xué)科優(yōu)化等。

一般情況下，電動客車輕量化流程如圖1所示。

2 純電動客車車身有限元模型建立

2.1 建模流程和基本參數(shù)

該項研究的主要內(nèi)容是：①電動客車車身結(jié)構(gòu)靜態(tài)有限元分析；②電動客車車身結(jié)構(gòu)輕量化研究。建模流程如圖2所示。

本研究將BJ6123C純電動客車作為研究對象。該客車采用動力裝置后置的方式，后輪驅(qū)動，動力電池組全部放置在客車下部，車內(nèi)采用雙排座椅，冷暖一體化空調(diào)放置在車頂前部，電機(jī)控制器等高壓部件放置在后艙。整車技術(shù)參數(shù)如表1所示。

2.2 幾何清理和提取中面

利用CATIA建立BJ6123C純電動客車的CAD模型，在分析純電動客車的情況前，需要簡化幾何圖形。幾何清理原則與燃油客車基本相同，主要包括以下3點：①客車上某些為方便使用或輔助承載而設(shè)置的構(gòu)件，例如扶手、制動踏板支架和儀表盤支座等可以忽略不計。②模擬純電動客車車身結(jié)構(gòu)中用于裝配非承載部件的螺栓、螺母剛性單元，同時，可以忽略桿件上直徑小于16 mm的孔和對力學(xué)結(jié)構(gòu)影響比較小的筋、肋等。對于半徑小于5 mm的倒角、圓角等，可將其處理為直角。③將車身頂蓋與側(cè)圍的一些曲率半徑較小的微曲梁作直化處理。

由于客車車架大多為厚度較小的薄板類桿件，所以，主要采用殼單元進(jìn)行有限元分析。利用HyperMesh軟件中的MidSurface功能對客車車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行中面抽取，從而得到車架結(jié)構(gòu)中各零件的中面，如圖3所示。

2.3 網(wǎng)格劃分和質(zhì)量檢查

在計算數(shù)據(jù)變化梯度比較大的部位（比如應(yīng)力集中處）時，為了更好地反映數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，需采用比較密集的網(wǎng)格；在計算數(shù)據(jù)變化梯度比較小的部位時，為了減小模型規(guī)模，應(yīng)劃分相對稀疏的網(wǎng)格。根據(jù)有限元理論中相關(guān)網(wǎng)格單元選取的經(jīng)驗公式，確定網(wǎng)格單元尺寸為20 mm。

2.4 桿件間的連接方式

在整車結(jié)構(gòu)中，常用的連接方式有壓力電阻焊、激光焊、MAG/MIG焊、膠焊、鉚接和螺栓聯(lián)接等。由于電動客車車架結(jié)構(gòu)中有大量的縱橫梁交叉連接（T形連接），所以這些接頭要采用節(jié)點耦合的方式連接。對于其他部位，點焊用Cweld單元模擬，螺栓連接采用Rrigd單元類型。

2.5 載荷和邊界條件處理

純電動客車與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)客車相比，減少了發(fā)動機(jī)和油箱等部件，但是，增加了電機(jī)和動力電池組。本研究采用以下方式處理載荷：①車身自重。車身自重屬于車身內(nèi)載荷，通過設(shè)置材料密度施加重力場。②車身和底架上各總成的質(zhì)量，即幾何清理中簡化的電動機(jī)、變速器、傳動軸、電池負(fù)載、DC/DC轉(zhuǎn)換器、DC/AC轉(zhuǎn)換器和控制器的負(fù)載，并在質(zhì)心位置附加集中質(zhì)量。③車身負(fù)載。乘客、司機(jī)、前后門和風(fēng)窗玻璃等質(zhì)量采用均布載荷的方式分配在相應(yīng)節(jié)點上。其中，乘客分布為坐23人，站26人，司機(jī)1人。考慮乘客的標(biāo)準(zhǔn)體重為65 kg/人。

根據(jù)整車的設(shè)計數(shù)據(jù)確定客車車身結(jié)構(gòu)的主要載荷，具體情況如表2所示。

邊界條件是指客車懸架系統(tǒng)的簡化，并保證模型與原車的受力特點基本一致。由于電驅(qū)動動力總成在驅(qū)動與制動工況下會產(chǎn)生相應(yīng)的瞬態(tài)響應(yīng)，而加速工況下的瞬態(tài)響應(yīng)主要來自電動機(jī)驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，縱向加速慣性力影響可以忽略；制動工況下的瞬態(tài)響應(yīng)大于加速工況，并且同時受到電動機(jī)回饋制動轉(zhuǎn)矩和縱向慣性力的影響。但是，這些動力總成慣性力對車身結(jié)構(gòu)的影響并不明顯，因此，本研究忽略了動力總成慣性力的影響。

此項研究中的純電動客車使用的是空氣彈簧懸架系統(tǒng)，用普通彈簧單元（Spring單元）模擬空氣彈簧懸架，將約束施加在簡化模型上。由于空氣彈簧只承受Z軸方向（垂直方向）的負(fù)荷，車架的橫向力、縱向力及其力矩都是由推力桿傳遞的，所以，用梁單元（Rod單元）模擬推力桿的影響。根據(jù)輪胎的剛度特性，采用彈性體單元進(jìn)行模擬。

2.6 純電動客車車身有限元模型

將CATIA軟件中的純電動客車CAD模型導(dǎo)入有限元前處理軟件HyperMesh中，經(jīng)過幾何清理、抽取中面、網(wǎng)格劃分、部件連接、載荷和邊界條件處理后，最終建立電動客車車身結(jié)構(gòu)有限元模型如圖4所示，底盤部分有限元模型如圖5所示。有限元模型共有節(jié)點326 733個，單元數(shù)量329 864個，連接單元數(shù)12 425個。

3 純電動客車車身結(jié)構(gòu)輕量化研究

3.1 電動客車輕量化改進(jìn)設(shè)計

在HyperWorks平臺下進(jìn)行尺寸優(yōu)化的車身結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計。根據(jù)電動客車車身靜態(tài)有限元分析結(jié)論，選取在各工況中應(yīng)力比較小和應(yīng)力比較大的桿件，分別從底盤、前后圍、左右側(cè)圍和頂蓋等部件中提取出來，并將每個桿件存放在單獨的component里。定義設(shè)計變量為各個桿件的厚度，分別設(shè)定不同部件單元厚度的初始值和上下限值，并將設(shè)計變量與PSHELL卡片中的厚度屬性關(guān)聯(lián)。根據(jù)實際工程情況，將厚度的變化范圍設(shè)定為離散值[1.5，2，3，4，5，6，8，10]。定義響應(yīng)為質(zhì)量、靜態(tài)應(yīng)力、模態(tài)頻率。定義目標(biāo)函數(shù)為質(zhì)量響應(yīng)最小化。定義約束為在彎曲工況和扭轉(zhuǎn)工況下應(yīng)力的上限值和模態(tài)工況下頻率的下限值，并加入對電動客車車身各部分桿件的靈敏度分析。

經(jīng)過求解器4次迭代求解得到車架尺寸的優(yōu)化結(jié)果。在HyperView處理器中查看優(yōu)化結(jié)果（各個桿件的厚度變化量）發(fā)現(xiàn)，厚度減小的桿件主要集中在左、右側(cè)圍部分桿件、后圍和底盤等部分輔助桿件中。頂蓋部分的桿件厚度則普遍增加，但是，由于在優(yōu)化模型中并未考慮蒙皮結(jié)構(gòu)，因此，頂蓋部分的大多數(shù)桿件并不作厚度增加處理，僅改變大應(yīng)力點發(fā)生位置的部分桿件的厚度，具體情況如圖6所示。

在尺寸優(yōu)化結(jié)果的基礎(chǔ)上，根據(jù)靈敏度分析結(jié)果和電動客

車實際使用情況，結(jié)合標(biāo)桿車的對比分析結(jié)果適當(dāng)調(diào)整結(jié)構(gòu)，并強(qiáng)化空調(diào)放置處和各工況下最大應(yīng)力點附近的桿件。最終經(jīng)過優(yōu)化，車架質(zhì)量減輕了107.21 kg。

3.2 輕量化設(shè)計驗證

優(yōu)化后的車身結(jié)構(gòu)的自由模態(tài)、彎曲工況和扭轉(zhuǎn)工況下的最大應(yīng)力驗證結(jié)果如表3所示。在模態(tài)分析對比時，只考慮對整車動態(tài)性能影響較大的前3階模態(tài)的固有頻率。由于客車的自重和載荷會作用在懸架的支承位置，因此，在驗證時，只考慮屏蔽了懸架支承位置的客車其他部件的最大應(yīng)力。

由表3可知，優(yōu)化方案與原設(shè)計方案相比，電動客車車架質(zhì)量減輕了3.97%.由于并未大幅改動整車結(jié)構(gòu)，所以，結(jié)構(gòu)的前3階固有頻率變化不大，其中1階、3階模態(tài)的（一階扭轉(zhuǎn)和一階側(cè)向彎曲）固有頻率略有下降，改進(jìn)后分別為6.836 625和11.261 85，2階模態(tài)（二階扭轉(zhuǎn)）的固有頻率略微上升，為9.342 452.固有頻率的變化量都不大，說明電動客車車身結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計對整車的動態(tài)性能并沒有造成很大的影響。通過改進(jìn)設(shè)計彎曲工況和扭轉(zhuǎn)工況下最近應(yīng)力點作用位置的桿件，各個工況下的最大應(yīng)力均有下降。其中，以左前輪下沉工況最為明顯。通過驗證分析，證明電動客車車身結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計能夠滿足其強(qiáng)度要求。

4 結(jié)束語

綜上所述，本文探討了車身優(yōu)化設(shè)計的基本思路，分析了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的基本方法，采用基于多重約束的尺寸優(yōu)化方法對電動客車車身進(jìn)行輕量化設(shè)計，使車身質(zhì)量減輕了107.21 kg，即3.97%，并對輕量化后車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度和剛度驗證。驗證結(jié)果滿足要求，證明輕量化方案可行。

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〔編輯：白潔〕