新能源客車車身結構設計及強度分析

劉暢

摘要：現(xiàn)如今，隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，能源問題越來越受到人們的關注。能源問題。成為了世界經(jīng)濟發(fā)展的主要問題，人類所創(chuàng)造的環(huán)境污染也越來越嚴重，對于國際汽車行業(yè)，能源環(huán)境的要求也越來越高。能源的日漸枯竭給新能源的發(fā)掘和發(fā)展創(chuàng)造了條件，但是新能源卻給汽車的車身帶來了一系列的挑戰(zhàn)，汽車行業(yè)迅速應對，一些新材料興起，為汽車的生產(chǎn)產(chǎn)生了關鍵作用。能源的枯竭導致新能源的快速發(fā)展，但新能源的發(fā)展給車輛的重量帶來了新的挑戰(zhàn)，一些新材料的應用起到了關鍵作用。新的研究數(shù)據(jù)表明，車身的材料對于減重方面的作用比較大，幾乎起了關鍵性的作用。

關鍵詞：新能源客車;車身結構設計;強度分析

引言

目前，安全、節(jié)能、環(huán)保成為汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要方向。大客車車身骨架作為主要承載結構，其重量約占大客車總重量的30%～40%，合理的汽車輕量化設計不但可以減重，有效地實現(xiàn)節(jié)能減排，還可以在一定程度上改善汽車性能。

1車身材料簡單分類

車身材料應符合車身設計，制造，裝配和維護的要求。它還需要滿足使用，安全和美觀的要求。目前市場上的大多數(shù)傳統(tǒng)汽車都是鋼結構，占整個汽車行業(yè)的80%。隨著科學技術的發(fā)展，各種新型材料已廣泛應用于車身，包括鋁合金和碳纖維復合材料。1915年，福特生產(chǎn)出第一個鋼體，鋁合金和塑料零件，只有部分車，1980年，高強度鋼板開始廣泛應用于汽車車身面板，從現(xiàn)在甚至在未來一段時間里，這種類型的原材料仍舊在投入使用中。中國科學院長春應用化學研究所“聚丙烯腈基碳纖維的發(fā)展”成立于1962年，開展了大量的基礎研究。這種新材料是一種公認的碳纖維材料，這種材料H已經(jīng)在太空飛行中被廣泛使用了好幾年。隨著科學技術的發(fā)展，材料成本逐漸下降，并將在近期內(nèi)在民用領域得到廣泛應用。

2新能源汽車結構的設計

2.1各種新材料的性價比

新材料比傳統(tǒng)鋼材密度高三到七倍，這對車輛的重量有利，但對于密度和重量而言卻不足以起到?jīng)Q定性作用。鋁和鎂、UM合金和塑料，高強度復合纖維材料是替代傳統(tǒng)鋼材的主要材料。拉伸強度方面，C維復合材料的拉伸強度遠遠優(yōu)于其他材料。與鋼相比，碳纖維復合材料的質量是鋼的一半，碳纖維復合材料的沖擊能量吸收能力是鋼的4～5倍。框架和前部使用碳纖維復合材料保險杠框架呈現(xiàn)塔式塌縮柱，通過材料，加工工藝，產(chǎn)品結構設計，倒塌柱在前部碰撞中破碎成許多小塊，在吸能效果的過程中，保證船員的安全。耐腐蝕性在汽車的許多地方，都需要受到環(huán)境條件的影響，如汽油，油，汽車車道的化學腐蝕和高鹽度，高溫，寒冷的雨水和下雪的天氣等。因此，所需材料必須具有耐腐蝕性。鋼的耐腐蝕性通常需要特殊的防腐處理。在不同的條件下很難保證其一致性和使用壽命。鋁和鎂合金是優(yōu)良的防腐材料。但它們具有與鋼相同的一致性和使用壽命。FRP，塑料和碳纖維復合材料具有優(yōu)異的耐酸，耐堿，耐鹽和耐溶劑性，因此它們是優(yōu)異的耐腐蝕材料。它的使用壽命比其他材料更長。

2.1客車車身拓撲優(yōu)化理論研究

在拓撲優(yōu)化的過程中，需要建立整體汽車的基礎模型，在通過對模型進行優(yōu)化處理，在模型中保留實際車身中的必要結構，清除非必需結構，在以優(yōu)化最終的結構進行最終處理布局，促使整體的結構分化為n個單元，則每個單元分貝為xi（i=1、2、3…n），當優(yōu)化為第j個單元后，將其命名為非必要單元，使xi為0，反之則為1，為了得到更好的優(yōu)化設計，一般所采用的方法為變密度法。在連續(xù)拓撲優(yōu)化過程中，應當先對模型建立完整的拓撲優(yōu)化空間，隨之確定好車身模型的主要條件以承受的最大力量，然后在相應的優(yōu)化中，對建立模型的無關材料進行自動刪除，最終使模型達到最優(yōu)的狀態(tài)。

2.2有限元網(wǎng)格的合理劃分

針對后懸架縱臂的三維模型而言，采用IGS的格式形式，使其被科學導入到有關處理軟件HYPERMESH當中，從而達到使構造離散化的目的，通過運用HYPERMESH內(nèi)的幾何清除、面提取以及網(wǎng)格的分類等相應的功能，獲取到有限元的網(wǎng)格，實現(xiàn)網(wǎng)格的合理優(yōu)化處理。由于縱臂依靠鑄造處理所形成，體單元表現(xiàn)出較高精度特征，所以選用solid44單元進行模擬處理。最后獲得的有限元模型涵蓋了21153個節(jié)點，67633個相應單元。縱臂的材料是鑄鋼，相應的彈性模量E=1.8×104MPA，有關的泊松比v=0.32，相應的密度是7700kg/m3。針對HYPERMESH當中依靠CDB或者INP的格式形式，達到導入到ANSYS軟件內(nèi)的目的，從而構建相應的有限元模型。

2.3有關邊界條件與載荷的分析說明

基于得到縱臂強度相關計算需要的邊界條件和載荷情況的目的，可以運用ADAMS軟件構建相應的整車虛擬樣機設施，并結合相關的情況予以動態(tài)仿真處理。根據(jù)動力學仿真相關的理論知識，獲取后懸架縱臂的不同連接點相應的最大載荷數(shù)值，車身的相應連接點X、Y、Z方向分別為-433.7、-2497.5、2581.2。上橫臂的相應連接點為1045.2、-6721.2、1682.2。通過對后懸架縱臂相應輪轂的連接點位置予以約束控制，使得車身、上橫臂及下橫臂的相關連接點位置處的最大載荷與有關安全系數(shù)1.4作相乘處理，同時輸入相應的ANSYS模塊，從而有效完成受力情況的分析處理。

3探究新能源客車結構設計及強度

在新能源使用的作用下，對客車的車身進行設計時，應當注意在設計的過程中，將車身全部的機構形成一體化，并且形成閉合的有效空間，在此作用下，不但可以減少加工的工作量，而且還能夠有效的增強車身結構強度。車身結構的主要設計圖，車身的骨架完全的形成了一個密切結合的整體，并且在設計的過程中，避免了應用力的集中，促使增強了車身的整度強度，使得車架在受力的作用下得到了改善。在進行實際結構制作的過程中，可利用HYPERMESH軟件，對拓撲優(yōu)化后車身骨架進行全面的分析，對其強度進行測量。在此過程匯總，車身各個部位的結構則需要使用焊解的形式，將縫隙進行連接。在最終的結果分析中，得出車身的骨架最大受應力為160.5MPa，在相關的標準規(guī)定中，其所示使用的材料Q235的強度極限達到了230MPa，因此，該設計達到了要求，并且車身的最大型變達到了5.05mm，滿足相關的設計需求。

結語

隨著科學技術和工業(yè)的快速發(fā)展以及關鍵技術的突破，除了引進幾種典型材料外，還有其他一些如陶瓷，金屬粉末等，通過設計改進，結構創(chuàng)新，車身制造也可以是多樣的。有必要在車身重量輕的設計中開發(fā)更合理的輕型車身結構和部件。合適的材料可以在正確的位置上使用，以最低的成本以最少的材料獲得最佳的結構性能，這是經(jīng)濟可靠的。

參考文獻

[1]王宏雁，陳君毅.汽車車身輕量化結構與輕質材料[M].北京：北京大學出版社，2016.

[2]鳴圖.汽車輕量化材料應用研究的成功范例[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2015（11）：19-22.

[3]楊忠敏.談現(xiàn)代汽車的材料及其輕量化技術[J].汽車研究與開發(fā)，2016（6）：51-55.

[4]黃金陵汽車車身設計[M].北京：機械工業(yè)出版社，2015

[5]侯文彬，張紅哲，遲瑞豐，等.車身結構概念設計集成系統(tǒng)的實現(xiàn)[J].計算機集成制造系統(tǒng)，2015，15（2）：240-244

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