電動觀光車車架結構優化設計分析

中圖分類號：U463 收稿日期：2025-03-21 DOI： 10.19999/j.cnki.1004-0226.2025.08.018

Optimization Design and Analysis of the Frame Structure of Electric Sightseeing Vehicles

Chen Qian Zhuhai YihuaElectric Vehicle Co.，Ltd.，Zhuhai 519ooO，China

Abstract：Optimizingtheframestructuredesignisaneective methodforreducingweight，improvingstructuralstifness，and meetingsafetyrequirementsofelectricsightseingveicles.Inordertoachieveanidealizedoptimizationdesigeectofeletricsight seingvehicle framestructure，thecorerequirementsofelectricsightseingvehicleframestructuredesignaresortedoutfromfourperspectives：loadbearigcapacity，htweight，aetyndsatiallyout.etizatiodirection，prciples，ndbectieo tricsightseeingehicleframestructureesignareclarified.Basedonfiniteelementanalysis，theoptimizationdesignofelectriight seingvehicleframestructure isstudied，aimingtoachievemultidisciplinaryoptimizationdsignofelectricsightseingvehicleframe structure.

Key Words：Electric sightseeing bus;Frame structure;Optimization desigr

1前言

大多數的景區、公園等場所都將電動觀光車作為常用的交通工具，這與車輛是否安全、舒適，以及車架結構是否合理有密切關系。行駛中的電動觀光車的車架，同時承載車輛自重、乘客重量和各種復雜荷載，因此對其性能有著很高的要求。而優化是減輕自重、提升結構剛度、提高材料利用率以及優化車架性能的有效方法。因此，開展關于電動觀光車車架結構的優化設計研究具有一定現實意義。

2電動觀光車車架設計核心需求

焊接式車架和一體式鑄造車架是目前電動觀光車常用的兩種車架，前者的制作工藝是焊接組裝多個沖壓成形的金屬部件，后者的制作工藝是鑄造工藝。因工藝不同，兩種車架的優缺點也有所不同，如焊接式車架因存在多個焊接點且焊接位置易出現應力集中的問題，所以結構的耐久性、穩定性相對較差；一體式鑄造車架結構擁有較好的整體性，但存在工藝復雜、制作成本高的缺陷[1]。

雖然常見兩種車架結構有著各自的優缺點，但在設計時基本滿足核心需求，包括承載能力、輕量化、安全性、空間布局等，具體如下：

a.承載能力。車架結構需要具備承載電動觀光車在靜態和運動狀態下各種復雜荷載的能力。

b.高效節能背景下，電動觀光車車架設計需要以新型高強度鋁合金材料、碳纖維增強復合材料（CFRP）等新型復合材料替代傳統鋼材以及優化結構的方式滿足輕量化這一核心要求。

c.電動觀光車車架設計應始終堅守安全性這一底線，根據GB/T18384《電動汽車安全要求》《電動觀光車車架扭轉剛度標準》和《電動觀光車車架疲勞壽命評估規范》等標準要求以評價車架的碰撞安全、扭轉剛度、疲勞壽命等重要指標。

d.依據《電動觀光車電池系統布局指南》《電動觀光車電機布局規范》《電動觀光車動力學性能優化研究》等設計車架的空間布局，以此提升車輛的穩定性。

3電動觀光車車架結構優化設計概述

3.1優化方向

a.材料優化方向。在材料科學飛速發展的現代，電動觀光車車架結構優化設計以應用新型材料為重要方向，如鋁合金、碳纖維復合材料等[2]，其優劣勢、使用場景如表1所示。

表1不同材料的優劣勢對比

b.以拓撲優化技術為核心，優化車架結構形式。電動觀光車車架結構優化設計中的拓撲優化技術，能夠找出給定的設計空間中的材料最佳分布方案，去除多余的材料部分，特別是在車架承載性能中貢獻較小的，如以桁架結構代替傳統的板梁結構、以空心結構替代實心結構等。這種優化技術，可在不影響車架結構強度和剛度的基礎上減輕重量。優化車架結構時還要以機械連接與膠接相結合等新型連接方式替代容易造成焊接處應力過度集中的傳統焊接方式。

c.以先進的制造工藝替代傳統工藝，提高制造精度和質量，規避制造誤差對車架整體性能的影響。比如，以精密沖壓技術、數控加工技術、3D打印技術等新興制造工藝替代傳統制造工藝，實現零件的高精度加工，完成復雜結構的一體化制造等。

3.2優化原則

a.優化后的電動觀光車車架結構必須符合國家和行業相關的安全法規和標準要求。b.車架優化設計不以降低車架可靠性為前提。c.考慮優化后的車架的生產成本，以優先選用成熟的工藝和材料為主，并嚴格控制車架設計與制造成本增加幅度。

3.3優化目標

a.電動觀光車車架結構的優化設計以保證車架強度、剛度和安全性為前提，降低車架自重，提高觀光車的能源利用率。b.調整觀光車在不同工況下的應力分布，讓應力分布更加均勻、疲勞壽命更高。c.以提升電動觀光車的舒適性為目的，優化車架的結構剛度和阻尼特性，減小噪聲和振動。

4基于有限元分析的電動觀光車車架結構優化設計

有限元分析是電動觀光車車架結構優化設計中的重要工具，它能夠輔助設計人員更加深入地了解不同荷載條件下車架的力學性能，包括應力分布情況、變形情況等，為車架結構的優化設計提供更加精準、可靠的數據支持[3]。

4.1搭建有限元模型

a.采用SolidWorks、CATIA等三維建模軟件，根據電動觀光車車架的基本參數，搭建相應的高精度幾何模型[2（圖1）。其中，基本參數信息包括主要縱梁長度3000mm， 寬度 80mm 厚度 5mm ;橫梁長度根據位置不同在 800～1500mm 之間，寬度 60mm ，厚度 4mm 。

b.定義車架材料屬性。假設某款電動觀光車車架材料為Q345鋼材，其彈性模量、泊松比、密度等屬性參數分別為 206GPa0.3.7850kg/m³ ，根據這些屬性數據，在有限元軟件中定義車架材料屬性。

c.導入幾何模型，在ANSYS、ABAQUS等有限元分析軟件中完成網格劃分。由于車架有限元分析結果的準確性受網格劃分質量影響，所以需要根據車架關鍵部位、形狀復雜區域等選擇在四面體或六面體單元劃分網格并確定網格密度[4]。例如，按 10mm 的尺寸要求劃分電動觀光車車架的焊接部位、應力集中區域的網格；按20mm 的尺寸要求劃分車架受力相對較小的區域。網格劃分后，共獲得50000個單元和80000個節點。

圖1車架有限元模型

4.2載荷與邊界條件

運行工況下的電動觀光車車架承受源自自身重量、電池組重量、電機重量以及乘客重量的重力荷載[5]。荷載分布如圖2所示。

圖2荷載分布

a.電池組重量占比巨大。根據《電動觀光車電池技術規范》可知，常見的鋰離子電池組的實際重量與其容量大小有關。一般情況下，為滿足觀光車的電力需求，一輛小型觀光車通常需要承載重量為 200～300kg 的電池組；一輛大型觀光車通常需要承載重量超過 500kg 的電池組。

b.作為觀光車動力源的電機，因功率、類型不同，也會產生不同的重量。《電動觀光車電機選型指南》中介紹，一般情況下，直流電機重量不低于 50kg 、不高于100kg ；交流異步電機重量不低于 80kg 、不高于 150kg c.受車輛尺寸、材質、配置等因素影響，車身重量也有所不同，但大約在 800～1500kg 之間。

假設車架自重、電池組重量、電機重量、乘客重量分別為 500kg?300kg?100kg?650kg ，此時車架總承重1550kg ，總重力 G=1550×9.8N=15290N 。

行駛工況下，電動觀光車車架承受動態荷載，這部分荷載源自加速度、減速、轉彎時產生的慣性力以及路面不平引起的沖擊力等。

假設電動觀光車處于加速狀態，加速度 a=1.5m/s² ，采用牛頓第二定律 為車輛總質量）可計算電動觀光車加速時的慣性力大小，其數值為 F_a=（500+300+ 100+650）×1.5N=2325N 。

為電動觀光車車架模型施加邊界條件時，需要考慮其實際支撐情況的影響。一般情況下，是以車輪與地面接觸的部位為約束點構建關于車架的三維坐標系，并分別給四個約束點施加全約束，其目的是模擬實際行駛工況下觀光車的支撐狀態。

4.3多維度分析有限元模型

假設此時的電動觀光車車架承受源自滿載和加速共同作用下的復雜荷載[6]。

a.結合有限元分析計算，獲得不同荷載條件下的應力分布云圖，明確車架結構中應力集中位置，如焊接部位、關鍵連接件處等，確定最大應力值并與車架材質理論屈服強度值對比，若車架應力集中位置的最大應力值超出車架材質理論屈服強度值，則表明在當前荷載條件下，該材質的車架結構具備足夠的強度儲備。例如，由于車架結構應力集中位置最大應力值是 120MPa 且低于Q345鋼材的理論屈服強度值 345MPa ，說明在該荷載作用下，車架具備承受應力的強度性能。

b.根據所獲相同荷載作用下的車架位移變形云圖，分析車架變形情況[7]。具體做法是對比圖中顯示的最大變形量、最大位移值等關鍵參數與允許范圍對比。若在允許范圍內，則說明在這種荷載作用下，電動觀光車車架結構具有安全性，能夠滿足車輛的正常使用需求。

c.通過分析模態，確定車架固有頻率和振型。分析不同振型下車架的振動狀態，如表2所示。不同振型以及車架相應的振動狀態是優化車架結構設計的重要依據，具有防范行駛工況下車輛共振的問題，對提高車輛舒適度有所幫助。

表2各階頻率及模態振型

4.4車架結構優化設計

a.優化車架結構，解決應力集中的問題。

① 改進結構設計。以圓角過渡工藝加工車架結構拐角，這種以圓角替代直角的優化方式，能夠增強應力線分布的平滑性，將過于集中的應力分散到其他區域[8]。比如，以增加到 20mm 的過渡圓角替代原半徑為5mm 的直角，經有限元分析后發現，此時該區域的應力集中系數出現 30% 左右的降幅。以漸變截面工藝替代傳統截面工藝，這一工藝可以應用到需要改變截面位置的車架應力集中區域。若車架縱梁位于長度方向，此時，可通過設計漸變細或變粗的截面取得改變截面尺寸的效果。通過設置這種漸變截面，應力的過渡更加平穩。通過合理布置加強板或加強筋，處理電池組等位置的應力集中問題。這種處理方式的原理是利用加強結構，分擔主結構部分荷載，以此達到分散應力的目的。

② 優化焊接工藝，解決因焊接工藝引發的一系列問題，如焊接處強度不足、焊接缺陷等。具體做法包括以氣體保護焊等先進的焊接設備工藝取代傳統手工焊接，并在焊接過程中，嚴格控制諸如焊接電流、焊接速度等焊接參數，以此減少焊接缺陷；以分段焊接或交錯焊接的方式，解決焊接處應力集中問題。其中，采用雙面焊等工藝提高重要焊縫的焊接強度；以熱處理等工藝消除焊接殘余應力。

③ 嚴格控制關鍵部位的尺寸偏差，如按 ±0.05mm 的范圍要求嚴格控制車架的孔與軸配合部位的尺寸偏差。

b.材料設計優化，實現輕量化目標。

① 選用6000系和7000系的鋁合金材料，以某電動觀光車車架結構優化設計為例，在使用6061鋁合金替代鋼材后，車架結構自重出現 40% 左右的降幅，同時，車架的耐腐蝕性有所提高，安全隱患減少。

② 選用碳纖維增強復合材料（CFRP）玻璃纖維增強復合材料（GFRP）等復合材料。例如，某高端電動觀光車在采用CFRP后，車架自重出現 50% 以上的降幅。

③ 根據車架結構優化設計目標、要求，采用材料的混合使用方案[9]。比如，以高強度鋼、CFRP替換車架關鍵受力部位的材料；以鋁合金或CFRP替換非關鍵支撐結構處的材料等。這種優化方式，既可以減輕車架重量，又可以實現成本控制目標，并且以不影響車架性能為前提。在車架結構材料優化設計中，主要是考慮車架結構的剛度和強度是否與相關規范和技術要求相符。同時，還要根據材料材質選擇連接方式、制造工藝，以保障材料的連接質量。

c.關鍵尺寸優化設計，以實現減重目標。對電動觀光車車架關鍵尺寸的設計優化主要是采用數值優化法和面值響應法調整橫縱梁、連接部件的尺寸，如增加縱橫梁厚度，并借助有限元分析，找出最優的尺寸組合，以便在不影響車架性能的基礎上降低車架自重。

5結語

在梳理電動觀光車車架結構設計核心要求、優化方向、優化原則和優化要求的基礎上，采用有限元分析法，分析了不同載荷條件下電動觀光車車架的應力分布、變形情況等力學性能，獲得了進一步優化設計電動觀光車車架結構的重要依據。結合有限元分析結果，提出從材料、尺寸、結構三個維度優化電動觀光車車架結構設計的建議。這些建議既有助于優化車架性能，又能夠實現對車架結構的有效減重，對提高電動觀光車的品質、性能以及市場競爭力具有顯著意義。因此，在設計與優化電動觀光車車架結構時，應科學應用有限元分析法及其分析結果，以便于獲得更加有效、合理的優化建議，進而精準彌補電動觀光車車架結構在安全性、可靠性、穩定性等方面的不足，增加電動觀光車的舒適度和安全性。

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