純電動(dòng)城市客車車身有限元分析

徐志漢，王澤平

（安徽安凱汽車股份有限公司，合肥230051）

純電動(dòng)城市客車車身有限元分析

徐志漢，王澤平

（安徽安凱汽車股份有限公司，合肥230051）

根據(jù)城市客車實(shí)際承載和運(yùn)行工況，利用有限元分析，獲得純電動(dòng)城市客車在典型工況下的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)；闡述其與傳統(tǒng)城市客車受力情況的不同，提出純電動(dòng)城市客車車身的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

純電動(dòng)城市客車；車身結(jié)構(gòu)；有限元分析

設(shè)計(jì)過(guò)程中，在滿足客車運(yùn)營(yíng)中對(duì)車身骨架的剛度、強(qiáng)度及工藝性等要求的同時(shí)，應(yīng)盡可能減輕質(zhì)量和降低制造成本。新能源客車車身重量占整車整備質(zhì)量的20%～30%，比傳統(tǒng)客車所占比重小。這意味著同樣質(zhì)量的車身要承受更大的質(zhì)量載荷，其結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度設(shè)計(jì)更顯重要［1］。

本文通過(guò)建立某全承載純電動(dòng)城市客車的有限元模型，對(duì)其進(jìn)行有限元分析，其目的在于在保證客車性能和功能不受影響的前提下，實(shí)現(xiàn)車身和底架的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并提出純電動(dòng)城市客車車身的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

1　有限元模型建立

外形尺寸（長(zhǎng)×寬×高，mm）12 000×2 500×3 200，滿載質(zhì)量18 000 kg，設(shè)計(jì)車速70 km/h，電池容量700 Ah，放在中段和尾段的電池質(zhì)量分別為1 370 kg和2 110 kg，最大續(xù)駛里程350 km。

1.1建模方法的確定

建立客車車身有限元模型的方法一般有三種：梁?jiǎn)卧邢拊Ｐ?、板殼單元有限元模型和混合單元有限元模型?］。梁?jiǎn)卧邢拊Ｐ偷膬?yōu)點(diǎn)是占用計(jì)算機(jī)資源少、計(jì)算量小、計(jì)算時(shí)間短，有限元模型生成后易于后期的結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)；缺點(diǎn)是前期建模工作量大、對(duì)細(xì)節(jié)部位的處理不夠精確；多用于初期開發(fā)［3］。板殼單元有限元模型的優(yōu)點(diǎn)是前期建模簡(jiǎn)單、時(shí)間短、計(jì)算精度高，可比較精確地反映細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)；缺點(diǎn)是對(duì)計(jì)算機(jī)要求很高、計(jì)算量大、計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)，有限元模型生成后不易于后期的結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)，多用于定型計(jì)算［4］。混合單元有限元模型，結(jié)合梁?jiǎn)卧桶鍤卧膬?yōu)點(diǎn)，在保證計(jì)算精度的前提下，可縮短建模周期［5］。

1.2幾何模型的簡(jiǎn)化

全承載式客車車身除了由空間框架構(gòu)成的骨架和車重除設(shè)定的承載能力外，還包括動(dòng)力電池組、電機(jī)、電容等動(dòng)力總成，以及蒙皮、內(nèi)飾、玻璃等附件。因此，在建立有限元模型時(shí)，應(yīng)根據(jù)所分析問題的側(cè)重點(diǎn)及整車骨架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和承載特點(diǎn)，對(duì)幾何模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化［6］：

1）忽略局部連接或工藝需要對(duì)整車結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力分布影響較小的結(jié)構(gòu)。

2）忽略用于安裝或輔助承載部件而對(duì)整車結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力分布影響較小的非承載構(gòu)件。

1.1.5 外植體選擇：百合多種植于陸地或溫室，其生長(zhǎng)環(huán)境導(dǎo)致外植體材料表面會(huì)帶有細(xì)菌，同時(shí)內(nèi)生菌也會(huì)伴隨著外植體的培養(yǎng)對(duì)組培苗造成影響［4］。這種開放性的外界環(huán)境則要求在選擇外植體材料時(shí)更加嚴(yán)格。整個(gè)培養(yǎng)工作能否高效順利完成，外植體的選擇起到?jīng)Q定性作用。有損傷的外植體，長(zhǎng)勢(shì)弱的外植體都會(huì)在培養(yǎng)過(guò)程中，不能抵抗內(nèi)生菌的競(jìng)爭(zhēng)，產(chǎn)生污染。

3）忽略車身蒙皮對(duì)車身骨架總體的加強(qiáng)作用，增加結(jié)果安全裕度。

1.3模型的建立

首先建立車身UG三維實(shí)體模型，確定主參考坐標(biāo)系，將UG模型導(dǎo)入HYPERMESH軟件中，抽取各部件的中面，生成三維板殼幾何模型，如圖2所示。

在已建立的三維板殼幾何模型基礎(chǔ)上，根據(jù)車身部件的使用厚度，定義組件屬性，以20 mm為單位劃分網(wǎng)格，生成板殼單元有限元模型，網(wǎng)格劃分前后見圖3。

1.4載荷的處理

在客車車身的有限元分析中，對(duì)載荷的合理模擬將直接影響分析結(jié)果的準(zhǔn)確程度。為真實(shí)模擬客車行駛過(guò)程中各種載荷對(duì)車身的影響，本文采用CONM2單元來(lái)模擬加載。集中載荷采取在質(zhì)心坐標(biāo)處建立質(zhì)量單元，然后使用無(wú)質(zhì)量、不產(chǎn)生扭矩的RBE2單元與加載的桿件相連接的方式處理。均布載荷則在均布載荷加載的區(qū)域使用平均質(zhì)量點(diǎn)直接加載在相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上的方法處理［6-7］。具體形式如圖4所示。

2　有限元分析

與客車車身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有直接關(guān)系的主要是彎曲工況和滿載扭轉(zhuǎn)工況［8］。所以本文結(jié)合城市客車使用條件對(duì)有限元模型的靜彎曲工況、扭轉(zhuǎn)工況、轉(zhuǎn)彎工況進(jìn)行計(jì)算，從而獲得車身骨架的應(yīng)力分布和剛度情況。

2.1靜彎曲工況分析

客車勻速直線行駛時(shí)，車身主要承受水平彎曲載荷。水平彎曲工況主要是對(duì)在客車滿載狀態(tài)下，四輪著地時(shí)的結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度和剛度進(jìn)行分析。該工況分析時(shí)電機(jī)、電池等集中質(zhì)量，根據(jù)其重心和裝配位置分?jǐn)偟较鄳?yīng)的節(jié)點(diǎn)上。乘客和車身其他質(zhì)量以均布載荷的形式分布于相應(yīng)梁上，所加載荷達(dá)到整車最大設(shè)計(jì)質(zhì)量。計(jì)算中，約束前后懸掛與車架相連接的位置處，約束左前輪Z向的平動(dòng)自由度，約束右前輪Y、Z向自由度，約束左后輪X、Z向自由度，約束右后輪X、Y、Z向自由度，放開所有轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。

該工況應(yīng)變分析結(jié)果顯示最大位移發(fā)生在底架后段，變形量為16.13 mm；同時(shí)該工況應(yīng)力分析結(jié)果顯示最大應(yīng)力也是在底架后段，最大應(yīng)力是134.2 MPa，這是由于電機(jī)和大部分電池的載荷分布在這里。而其余的部位應(yīng)力都集中在100 MPa左右。同時(shí)，由于部分電池和乘客的質(zhì)量加載在底架中段上，導(dǎo)致了底架中段的應(yīng)變和應(yīng)力也較大，最大應(yīng)力達(dá)120 MPa。

2.2扭轉(zhuǎn)工況分析

汽車行駛在不平的路面上時(shí)，會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)載荷，其極限扭轉(zhuǎn)載荷為汽車在非對(duì)稱支承下產(chǎn)生的靜態(tài)扭矩。對(duì)于純電動(dòng)城市客車，由于中段電池重量較重，左前輪懸空時(shí)施加在前橋上扭矩的作用，應(yīng)是對(duì)整車骨架影響最嚴(yán)重的扭轉(zhuǎn)工況。所以，本文通過(guò)滿載工況下模擬左前輪懸空時(shí)，車身骨架承受的靜態(tài)極限扭轉(zhuǎn)時(shí)的應(yīng)力分布情況。該工況下載荷與靜彎曲工況相同。約束的處理是在水平彎曲工況約束基礎(chǔ)上，釋放客車左前輪Z方向自由度。

該工況分析結(jié)果顯示，車身的扭轉(zhuǎn)程度很大，最大應(yīng)力出現(xiàn)在底架的前段，在底架和前懸架連接的橫梁上，最大值為238.8 MPa。由于左前輪懸空，整個(gè)左前段的載荷就落在相應(yīng)結(jié)構(gòu)之上?？梢钥闯?，極限扭轉(zhuǎn)工況是客車最為危險(xiǎn)的工況，相比前面分析的水平彎曲工況，整車的應(yīng)力以及變形都有明顯的提高。

2.3轉(zhuǎn)彎工況

轉(zhuǎn)彎工況模擬客車在行駛中轉(zhuǎn)彎時(shí)的載荷情況。轉(zhuǎn)彎時(shí)，客車車身除承受乘客及車輛重力作用外，還受到側(cè)向慣性力的作用。本文以0.4 g的加速度左轉(zhuǎn)彎工況進(jìn)行分析。為了能夠準(zhǔn)確地模擬急轉(zhuǎn)彎工況下的應(yīng)力和變形情況，車身骨架上總的載荷除了施加彎曲工況下的載荷外，在橫向上再施加0.4 g的慣性力，約束處理方式和彎曲工況相同。

該工況分析結(jié)果表明，在施加橫向的0.4 g的慣性力的情況下，應(yīng)力最大出現(xiàn)在底架的后端，最大值為165.7 MPa。同時(shí)，整車骨架和底架應(yīng)力相對(duì)水平彎曲工況下有所提高，其中頂蓋、后圍應(yīng)力變化較為明顯。前后懸架連接處的應(yīng)力值都比較大，與水平彎曲工況相比較，后面懸架的彎矩以及扭矩有明顯的變化，這是因?yàn)樵诩鞭D(zhuǎn)彎工況下，由于尾部載荷較大，客車有甩尾現(xiàn)象，車身尾部的位移變大。

2.4純電動(dòng)城市客車車身設(shè)計(jì)要點(diǎn)

通過(guò)對(duì)全承載純電動(dòng)城市客車進(jìn)行三種典型工況的有限元分析，可以看出，純電動(dòng)與傳統(tǒng)城市客車在不同工況下車身的應(yīng)力應(yīng)變是不同的。傳統(tǒng)城市客車應(yīng)力主要集中在底架中段，是由于中段是乘客集中的地方并且結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單；其次是位于底架尾段，主要是動(dòng)力總成發(fā)動(dòng)機(jī)自身載荷較大［8］。純電動(dòng)城市客車中段除了承受乘客的載荷外，還要承擔(dān)更大的電池載荷，故應(yīng)力集中在整車的中段和尾段，同時(shí)車身參與承載比重大于傳統(tǒng)客車。并且在緊急制動(dòng)和轉(zhuǎn)彎工況下的應(yīng)力應(yīng)變明顯要高于傳統(tǒng)城市客車，故針對(duì)純電動(dòng)城市客車的車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，應(yīng)特別突出中段電池和乘客載荷集中區(qū)域、尾段電機(jī)和電池載荷集中區(qū)域的強(qiáng)度，特別是中段底架和骨架結(jié)合設(shè)計(jì)尤為重要，同時(shí)，與前后圍連接處的設(shè)計(jì)也要從整體受力情況著手。

3　結(jié)束語(yǔ)

運(yùn)用成熟的有限元分析理論，結(jié)合純電動(dòng)城市客車的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和使用特點(diǎn)進(jìn)行車身各種工況的分析研究，分析出車身的應(yīng)力分布情況，為純電動(dòng)城市客車車身的結(jié)構(gòu)試驗(yàn)及優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。結(jié)合車身的靜動(dòng)態(tài)電測(cè)試驗(yàn)驗(yàn)證，在現(xiàn)有基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和輕量化設(shè)計(jì)，可大大提高純電動(dòng)城市客車結(jié)構(gòu)的合理性，降低純電動(dòng)城市客車的自身重量，提高能源的利用率，為節(jié)能減排做出貢獻(xiàn)。

［1］王勖成.有限單元法［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2003.

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修改稿日期：2015-04-29

Finite Element Analysis on Pure Electric Bus Body

Xu Zhihan，Wang Zeping
（Anhui Ankai Automobile Co.，Ltd，Hefei 230051，China）

According to the real loads and working conditions of city buses，the authors use the finite element analysis to obtain the states of stress and strain of a pure electric bus under typical working conditions，they expound the different stress states with the traditional buses and provide the design points of the pure electric citybus body.

pure electric citybus；body frame structure；FEA

U 469.72；U 463.82

B

1006-3331（2015）03-0011-03

徐志漢（1973-），男，碩士；高級(jí)工程師；研究方向：客車設(shè)計(jì)。