純電動城市客車車身有限元分析與優化

孟慶書 李陽 時兆康 王志寬 武祥瑞 蘇聰聰

摘 要：本文針對某半承載式客車車身骨架進行了有限元分析，研究了實現客車車身輕量化的優化方法，并使用Hyper Works有限元分析軟件平臺對純電動城市客車進行有限元建模和分析。同時，分析過程中目標函數為車身質量，約束條件為各工況下的應力和模態固有頻率，設計變量為車身骨架主要桿件的厚度，對純電動城市客車車身進行輕量化分析，在滿足整車強度、剛度和車身低階固有頻率的要求下，使車身質量減輕了3.956%。此次研究的主要目的是為客車的車身結構設計優化提供有效的幫助。

關鍵詞：純電動城市客車;有限元分析;輕量化;結構優化

隨著我國環境、能源與汽車工業可持續發展矛盾的日益明顯，新能源城市客車早已成為城市公共汽車發展的主要方向。但是，在純電動城市客車迅猛發展的同時，面臨著一大難題就是動力電池存儲能量較低、續航里程數短。要想解決這一難題，實現車身輕量化是較為有效的解決方案之一。

客車車身作為主要承載結構，車身的質量和結構直接影響車身的壽命和整車性能。車輛在設計過程中，首先要滿足運營客車對車身骨架的剛度、強度及工藝改造等因素要求的同時，應盡可能減輕車身的質量、降低制造成本。隨著有限元技術的日益發展和高速計算機的出現，對車身結構的強度、剛度計算與分析工作也逐漸開始，在滿足國標的前提下，合理地進行結構設計，來達到輕量化的目標， 對車身設計具有重要參考意義。

1 車身骨架有限元模型的建立

1.1 車身結構特點

半承載式客車受撞擊時，其車身結構采用圓弧貫穿式的物理特性，使得整車沒有應力集中點，受力基本均勻分布，骨架更加牢固，發生事故時能給乘客帶來更大的生存空間。由于純電動城市客車多行駛在平穩的城市道路，所受路面不平整度影響較小，因此采用半承載式車身需要更輕的質量。

1.2 車身模型的簡化及建立流程

1.2.1 模型簡化

半承載式車身大多采用矩形梁，少數異形梁和槽鋼、鋼板等，各梁之間主要通過焊接的方式進行連接。為了便于建模和計算，在不影響強度情況下，對幾何體結構進行簡化：

（1）客車車架盡可能設為對稱、陣列形式;

（2）忽略蒙皮對車身強度的影響;

（3）忽略非承載件;

（4）簡化圓角、倒角、小孔（直徑小于15mm）等;

（5）復雜模型簡單化，采用化曲為直、化繁為簡等的方法。

1.2.2 建模流程

（1）根據某型客車已有的CAD圖紙，將客車車身在三維軟件Solidworks中建模，將模型導出，導入到Hyper works有限元分析軟件中，對模型進行進一步簡化，焊接部位采用異性梁、短梁連接處理;

（2）采用梁的截面形狀定義車身骨架型鋼的參數，將車身骨架劃分為地板骨架、前圍、后圍、頂骨架、左側骨架、右側骨架六大片，生成車身骨架以及等效底盤的有限元模型。

1.3 材料選擇

根據客車車身骨架總成設計規范，車身骨架橫梁和縱梁要依據GB/T 3273-1989 ，因此車身材料主要選擇Q235A。Q235A材料屬性，彈性模量/（N/m2）2.12E+11，泊松比0.3，質量密度/（kg/m3）7.86E+03，抗剪模量/（N/m2）8.23E+10，張力強度/（N/m2）3.90E+08，屈服強度/（N/m2）2.35E+08，熱擴張系數/K1.2E-05，比熱/J/（kg.K）4.4E+02，熱導率/（W/（m.k））43.0。

2 車身載荷及工況

2.1 載荷處理與邊界條件

載荷與邊界條件處理是有限元分析前的最后一步。合理的加載方式與正確的邊界條件是計算分析的關鍵。

根據客車在實際工作時的載荷分布情況對客車車身施加載荷，該客車承受總人數為39人（取人均體重為65kg/人），采用均布載荷的方式施加在車身上;該客車共使用3塊電池組，總重達到1.2噸，采用均布載荷的方式施加在電池組的固定位置;兩只蓄電池重100kg，采用集中力載荷的方式施加在蓄電池安裝位置。下表1為純電動城市客車車身載荷以及施加方式。

Hyper works軟件顯示整車共劃分528011個單元，523979個節點。車身有限元模型如圖1所示。

2.2 工況描述

2.2.1 水平彎曲工況

根據GB/T 6792-2009《客車骨架應力和形變測量方法》，在水平彎曲、客車處于滿載工況下，校核客車其前后左右各個輪胎同時著地時的整個車身骨架的剛度及強度，即仿真客車在光滑平整的路況下勻速直線行駛，可得到車身骨架的應力變形圖。

約束處理：約束添加在前后輪與車橋連接位置，即約束6個方向的自由度（3個平動自由度和3 個轉動自由度）。

在水平彎曲工況下該車身骨架所受的最大應力為89.4Mpa，地板骨架承擔最大應力。而地板骨架采用材料主要為Q235A，屈服強度為235Mpa。安全系數在水平彎曲工況下為2.6，強度滿足要求。除地板骨架外，頂骨架、前后圍與側圍也有部分地方應力集中較大。相對地板骨架外，車身整體安全余量較大，可進行輕量化優化。

2.2.2 極限扭轉工況

當客車處于扭轉工況時，即某一個輪胎處于懸空狀態，另外一個與之相對的輪胎處于抬高狀態，車身骨架將受到扭矩的作用。而扭轉工況中應力集中較大的是極限扭轉工況。通過實踐發現，當客車以較低的速度經過顛簸路面時，其車身會遭遇極限扭轉工況。

（1）右前輪懸空的約束處理。對左前輪安裝位置處節點的X，Y，Z方向的3個平動自由度進行約束，釋放3個轉動自由度;釋放右前輪安裝位置節點的所有自由度;約束后輪安裝位置處節點的垂直方向自由度，釋放其他自由度。在極限扭轉工況下該車身骨架所受最大應力為179Mpa，地板骨架的中部、側圍中部和頂蓋中部承擔了較大的應力。車身骨架所使用材料主要為Q235A，屈服強度為235Mpa。極限扭轉工況下安全系數為1.3，強度滿足要求。

（2）左前輪懸空的約束處理。對右前輪安裝位置處節點的X，Y，Z方向的3個平動自由度進行約束，釋放3個轉動自由度;釋放左前輪安裝位置節點的所有自由度;約束后輪安裝位置處節點的垂直方向自由度，釋放其他自由度。在極限扭轉工況下車身骨架所受的最大應力為196Mpa，最大應力集中在地板骨架中部，右側圍中部。車身材料采用Q235A，屈服強度為235Mpa。此工況下安全系數為1.2，強度滿足要求。

2.2.3 緊急制動工況

在緊急制動情況下分析客車受地面制動力的影響，可以仿真客車在行駛過程中緊急制動的狀況。根據行駛規定，客車車身骨架在緊急制動工況下除了受滿載水平彎曲工況下的載荷外，還需要在客車車身縱向方向施加最大制動加速度0.7 g。約束方式與水平彎曲工況一致。在緊急制動工況下車身骨架所承受的最大應力為87.8 MPa，最大應力集中在底架橫梁、側圍立柱。底架、側圍和前圍主要采用Q235A，屈服強度235 MPa。安全系數為3.0，強度滿足要求。

2.2.4 急轉彎工況

在急轉彎工況下，車身骨架既要承受水平彎曲工況下的載荷，還要考慮因急轉彎造成的側向慣性力。考慮到慣性力對車身強度影響較大，因此在車身骨架上施加橫向0.4 g的最大向心加速度。約束方式與水平彎曲工況相同。該車身在水平彎曲工況下的最大應力為108 MPa，最大應力集中在底架橫梁、側圍上前后輪與車橋相連接的位置。底架、側圍材料主要采用Q235A，屈服強度235 MPa。安全系數為2.17，強度滿足要求。

綜上，整理結果如表2所示。

3 客車車身骨架的輕量化改進方案

3.1 頂骨架改進方案

根據Hyper mesh分析結果得知，頂骨架最大應力出現在極限扭轉工況時的車頂前端，大小為74Mpa，且大多在25Mpa以下，且頂骨架所有材料為Q235，其屈服強度為235Mpa，有較大的強度余量。因此，將4、5、6根橫梁尺寸由40*30*2變為40*30*1.5，并去除被選中的位置處縱梁與橫梁。因扭轉工況前部變形較大，故縱梁尺寸不變。

3.2 左右側改進方案

左右側圍的整體應力較小，且大部分集中在40～50Mpa，故將下部斜撐梁改為密集處的斜撐梁尺寸由30*30*1.5改為30*20*1.5。最大應力出現在扭轉工況的側門處及前后軸處，故在車門橫梁與車頂之間以及前后軸處增加斜撐提高強度。將尾部兩縱梁由40*30/20*1.5改為30*20*1.5，并將末端由縱橫梁改為斜撐梁，在輕量化的同時可以增大離去角。

3.3 地板骨架及后圍的改進方案

地板骨架和后圍的應力裕度較大，未出現應力集中的情況，故將縱梁截面面積40*40*3改為40*30*2，并將第1、5根縱梁截面面積40*40*3改為40*40*2。

4 改進后4種工況的分析

4.1 水平彎曲工況

該車身在水平彎曲工況下最大應力為77Mpa，最大應力集中在地板骨架與車橋連接處以及門側立柱。

4.2 極限扭轉工況

4.2.1 右前輪懸空工況

該車身在極限扭轉右前輪懸空工況下的最大應力為170.3Mpa，最大應力集中在底架與后圍連接處以及車門立柱。

4.2.2 左前輪懸空工況

該車身在極限扭轉左前輪懸空工況下的最大應力為181Mpa，較改進前196Mpa，強度有所提高。

4.3 緊急制動工況

該車身在緊急制動工況下最大應力為77.5Mpa，最大應力集中在車身骨架與車前后橋連接處。

4.4 急轉彎工況

該車身在急轉彎工況下的最大應力為105Mpa，最大應力集中在底架橫梁、側圍上后輪與車橋相連接的位置。

從改進的前后對比來看，該款客車車身骨架在總體質量減少了3.956%的前提下，基于有限元分析的4種工況依然滿足要求，而且減少的總質量比較理想。整理結果如表3所示。

5 輕量化前后的質量分析

經過Hyper work軟件分析，車身頂骨架和地板骨架處梁的改動較大，車身左右側圍、前后圍改進較少。改進后該款客車車身骨架總體質量減少了3.956%。

6 結語

通過Hyper works 軟件在4種不同工況下對車身骨架進行有限元分析，最終達到輕量化的目標。

（1）在車身骨架建模的過程中，大部分結構采用梁單元、少量結構采用殼單元，大大地提高了工作效率;

（2） 對有限元模型進行網格劃分中，首先對整車結構采用指定網格大小進行繪制網格，然后針對性的對應力較大的地方局部細化，使整車網格質量提高，有效地提高了計算的精度;

（3）建模過程中參照實車結構，針對多種變截面梁來模擬真實車身結構，對車身上的多數部件采用集中載荷的方式，提高了模型的精確度。

參考文獻：

[1]任可美.純電動城市客車車架有限元分析及輕量化設計[D].2018.

[2]吳利鋒.某城市客車驅動橋殼有限元分析與輕量化設計[D].2017.

作者簡介：孟慶書（1992-），男，山西靈石人，碩士研究生，初級，研究方向：客車車身設計及有限元分析。