一款低地板頂置電池純電公交的骨架強(qiáng)度優(yōu)化分析

方維圓

安徽安凱汽車股份有限公司 安徽 合肥 230051

引言

目前，國(guó)內(nèi)一二線城市公交車型大多數(shù)為10米-12米的低入口或低地板的純電客車，此類客車不得不將動(dòng)力電池放置在客車頂部，這對(duì)骨架的強(qiáng)度又有了新的要求。 我們亟待通過(guò)CAE有限元分析來(lái)了解這種變化帶來(lái)的影響，并得出優(yōu)化方案。

1 模型建立

1.1 材料

選取的這款公交車型，其車身結(jié)構(gòu)為全承載結(jié)構(gòu)，車聲骨架主要采用屈服強(qiáng)度為345Mpa和700Mpa的高強(qiáng)度鋼。

1.2 模型建立

圖1為該車的三維數(shù)模：

2 八種工況分析

2.1 滿載彎曲工況

滿載彎曲工況下，整車車身骨架的最大應(yīng)力為380.63MPa，安全系數(shù)為0.91，位于頂蓋電池橫梁位置。整體應(yīng)力主要集中在頂蓋前段電池安裝位置，出現(xiàn)應(yīng)力集中。

2.2 緊急制動(dòng)工況

緊急制動(dòng)工況下，整車車身骨架的最大應(yīng)力為370.82MPa，安全系數(shù)為1.89，位于右后輪罩小總成處。該立柱材料為屈服強(qiáng)度700Mpa的高強(qiáng)度鋼，屈服強(qiáng)度大，安全系數(shù)高。

2.3 左急轉(zhuǎn)工況

左急轉(zhuǎn)工況下，整車車身骨架的最大應(yīng)力為506.97MPa，安全系數(shù)為0.68，位于電池U型托架與頂蓋橫梁連接處。整體主要集中在乘客門，但乘客門區(qū)域強(qiáng)度滿足要求。

2.4 右急轉(zhuǎn)工況

右急轉(zhuǎn)工況下，整車車身骨架的最大應(yīng)力為376.51MPa，安全系數(shù)為0.68，位于電池U型托架與頂蓋橫梁連接處。整體主要集中在乘客門，但乘客門區(qū)域強(qiáng)度滿足要求。

2.5 左前輪懸空工況

左前輪懸空工況下，整車車身骨架的最大應(yīng)力為376.51MPa，安全系數(shù)為0.68，位于電池U型托架與頂蓋橫梁連接處。整體主要集中在乘客門，但乘客門區(qū)域強(qiáng)度滿足要求。

2.6 右前輪懸空工況

右前輪懸空工況下，整車車身骨架的最大應(yīng)力為290.46MPa，安全系數(shù)為1.19，位于底架前段第四截面橫梁。

2.7 左后輪懸空工況

左后輪懸空工況下，整車車身骨架的最大應(yīng)力為386MPa，安全系數(shù)為0.89，位于右后氣囊盤立柱與橫梁連接處。

2.8 右后輪懸空工況

右后輪懸空工況下，整車車身骨架的最大應(yīng)力為472.27MPa，安全系數(shù)為0.73。

3 分析結(jié)果

根據(jù)對(duì)整車車身骨架初始結(jié)構(gòu)進(jìn)行了滿載彎曲、緊急制動(dòng)、急轉(zhuǎn)彎和極限扭轉(zhuǎn)等四種典型工況的靜態(tài)力學(xué)分析。綜合八種工況，整車最大應(yīng)力主要集中在頂蓋電池橫梁位置、連接左右后氣囊盤的立柱、橫梁。

4 優(yōu)化方案

4.1 頂蓋骨架優(yōu)化方案

根據(jù)CAE分析結(jié)果，頂蓋電池橫梁位置出現(xiàn)應(yīng)力過(guò)大主要出現(xiàn)在滿載彎曲和左急轉(zhuǎn)的工況下，針對(duì)這種工況制定如下優(yōu)化方案。

方案一：在電池U型托架與梁之間增加4根斜撐（規(guī)格：40×30×2mm），根據(jù)方案一進(jìn)行優(yōu)化后，計(jì)算結(jié)果如下：在電池U型托架與梁之間增加4根斜撐（規(guī)格：40×30×2mm）后，在滿載彎曲和左急轉(zhuǎn)工況下的所受應(yīng)力分別為352.07MPa、473.2MPa，安全系數(shù)不足1，不滿足強(qiáng)度要求。

方案二：在電池U型托架與橫梁之間增加4根并管（規(guī)格：40×30×2mm）。

在電池U型托架與橫梁之間增加4根并管（規(guī)格：40×30×2mm），在滿載彎曲和左急轉(zhuǎn)工況下的所受應(yīng)力分別197.2MPa、250.74MPa，安全系數(shù)分別為1.75和1.38，滿足強(qiáng)度要求。

綜合兩種方案對(duì)比發(fā)現(xiàn)，方案二大幅度提升電池托架位置的強(qiáng)度，建議采納方案二。

4.2 左右后氣囊盤的立柱、橫梁優(yōu)化方案

方案一：在應(yīng)力過(guò)大立柱內(nèi)側(cè)并排焊接立柱(規(guī)格：60×60×5mm)。根據(jù)方案一進(jìn)行優(yōu)化后，計(jì)算結(jié)果如下：在應(yīng)力過(guò)大立柱內(nèi)側(cè)并排焊接立柱(規(guī)格：60×60×5mm)后，在左后輪和右后輪懸空工況下的所受應(yīng)力分別為388.58MPa、416.49MPa。

方案二：在左右立柱內(nèi)側(cè)增加5mm厚的直角板和筋板。根據(jù)方案二進(jìn)行優(yōu)化后，計(jì)算結(jié)果如下：在左右立柱內(nèi)側(cè)增加5mm厚的直角板和筋板后，在左后輪和右后輪懸空工況下的所受應(yīng)力分別為377.178MPa、471.32MPa。

方案三：在受力過(guò)大的縱梁處增加縱梁（規(guī)格：80×60×5mm）,同時(shí)并排焊接立柱。根據(jù)方案二進(jìn)行優(yōu)化后，計(jì)算結(jié)果如下：在左右立柱內(nèi)側(cè)增加5mm厚的直角板和筋板后，在左后輪和右后輪懸空工況下的所受應(yīng)力分別為379.05MPa、424.44MPa。

針對(duì)三種方案的分析結(jié)果，建議采納方案二。雖然在筋板的尖角處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，但很大程度上減小了氣囊盤立柱和橫梁所受的應(yīng)力，強(qiáng)度滿足要求。由于前后輪懸空屬于極限工況，實(shí)際情況中幾乎很少出現(xiàn)。并結(jié)合設(shè)計(jì)所的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，前后氣囊盤位置未曾出現(xiàn)過(guò)斷裂情況。

5 結(jié)論

低地板城市客車因其良好的通過(guò)性，已經(jīng)逐漸成為城市的主流，我們必須盡快對(duì)頂置電池結(jié)構(gòu)的骨架進(jìn)行分析并優(yōu)化。根據(jù)對(duì)這款低地板客車的分析結(jié)果及其優(yōu)化方案的分析，得出，這款低地板頂置電池純電公交車型，主要應(yīng)力集中部位在頂蓋骨架的電池安裝點(diǎn)和左右后部氣囊盤處。針對(duì)優(yōu)化結(jié)果的分析，我們有的放矢，對(duì)薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化或材料更替，還可以舉一反三，對(duì)同類車型進(jìn)行骨架優(yōu)化。在確定方案后，還必須加強(qiáng)針對(duì)實(shí)物車型的可靠性驗(yàn)證，驗(yàn)證完成后才可以批量應(yīng)用，這樣達(dá)到理論與實(shí)踐的有效結(jié)合，保證了目標(biāo)產(chǎn)品的整體強(qiáng)度，從而確保乘客的安全。