基于力流分析的純電動(dòng)客車(chē)鋁合金車(chē)身接頭設(shè)計(jì)方法研究

廉玉波，王明慶

基于力流分析的純電動(dòng)客車(chē)鋁合金車(chē)身接頭設(shè)計(jì)方法研究

廉玉波，王明慶

（比亞迪汽車(chē)工業(yè)有限公司汽車(chē)工程研究院，廣東深圳518118）

對(duì)純電動(dòng)客車(chē)車(chē)身骨架進(jìn)行多工況靜態(tài)強(qiáng)度的有限元力流分析，利用Nastran分別提取各工況下車(chē)身骨架的最大軸向力，以所有工況下車(chē)身骨架承受的最大軸向力作為鋁合金車(chē)身接頭連接強(qiáng)度的設(shè)計(jì)目標(biāo)值。通過(guò)接頭的軸向拉伸試驗(yàn)，考察6種鋁合金接頭的連接強(qiáng)度性能并得出結(jié)論。

純電動(dòng)客車(chē)；鋁合金車(chē)身；接頭設(shè)計(jì)；力流分析；

純電動(dòng)客車(chē)由于裝有較重的電池，所以其較同類(lèi)型的傳統(tǒng)客車(chē)重約3 t左右，整備質(zhì)量大、續(xù)航里程短等缺點(diǎn)成了制約其大范圍推廣的技術(shù)難題[1-3]。這就使得輕量化技術(shù)越來(lái)越受到各純電動(dòng)客車(chē)生產(chǎn)企業(yè)的重視，而鋁合金客車(chē)車(chē)身骨架技術(shù)作為一種有效的輕量化技術(shù)手段也越來(lái)越成熟。接頭作為車(chē)身結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵過(guò)渡部分，是車(chē)身重要的傳力結(jié)構(gòu)，合理設(shè)計(jì)車(chē)身接頭，能大大提高車(chē)身的剛度、強(qiáng)度、NVH及被動(dòng)安全等諸多性能，并且對(duì)車(chē)身輕量化也有重要意義[4]。

1 有限元模型

本文所分析的某純電動(dòng)客車(chē)為全承載式車(chē)身骨架結(jié)構(gòu)，其中底架為高強(qiáng)鋼焊接而成，車(chē)身其他五大片為鋁合金焊接而成，底架與車(chē)身骨架之間采用高強(qiáng)鋼連接件以鉚接的形式連接，如圖1所示。采用梁?jiǎn)卧蜌卧?lián)合建模的方法建立該客車(chē)骨架有限元模型，從整車(chē)靜強(qiáng)度力流分析著手，提取各極端工況下整車(chē)骨架承受的最大軸向力，作為車(chē)身骨架接頭連接強(qiáng)度的設(shè)計(jì)目標(biāo)；通過(guò)車(chē)身骨架接頭的軸向拉伸試驗(yàn)，考察接頭連接強(qiáng)度是否達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，從而有效地預(yù)防接頭連接強(qiáng)度設(shè)計(jì)不足的問(wèn)題，為進(jìn)一步設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)更優(yōu)、質(zhì)量更輕、連接更可靠的鋁合金車(chē)身骨架接頭提供理論依據(jù)。

實(shí)際的車(chē)身物理連接方式一般有焊接、鉚接和螺栓連接等，每種連接都有各自的特點(diǎn)[5]。乘用車(chē)鋁合金車(chē)身連接接頭主要有焊接接頭和鉚接接頭兩種[6]，而客車(chē)鋁合金車(chē)身連接接頭類(lèi)型還有螺栓連接接頭。長(zhǎng)久以來(lái)車(chē)身工程師都缺乏設(shè)計(jì)接頭連接強(qiáng)度的理論依據(jù)，因此，接頭連接強(qiáng)度的設(shè)計(jì)一方面依賴(lài)于整車(chē)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的有限元分析；另一方面依賴(lài)于實(shí)車(chē)驗(yàn)證。但實(shí)際上，在整車(chē)結(jié)構(gòu)的有限元分析過(guò)程中，對(duì)車(chē)身接頭基本采用了簡(jiǎn)化處理，特別是鉚接接頭，在整車(chē)強(qiáng)度分析中很難評(píng)判接頭是否失效，而后續(xù)靠實(shí)車(chē)驗(yàn)證則周期太長(zhǎng)，并且一旦出問(wèn)題也很難在短時(shí)間內(nèi)解決。針對(duì)這一難題，本文提出了一種簡(jiǎn)便有效的方法，極大降低了發(fā)生接頭強(qiáng)度不足問(wèn)題的風(fēng)險(xiǎn)。

本文在建立整車(chē)有限元模型時(shí)，用Hypermesh進(jìn)行前處理。為了方便建模，忽略蒙皮和內(nèi)外飾件等非主要承載結(jié)構(gòu)，只保留客車(chē)骨架等主要承載結(jié)構(gòu)。底架和車(chē)身等主要承載薄壁結(jié)構(gòu)采用梁?jiǎn)卧M，部分加強(qiáng)板及預(yù)埋板采用殼單元模擬，焊接用剛性桿單元RBE2模擬焊縫，整車(chē)有限元模型如圖2所示。

進(jìn)行靜態(tài)強(qiáng)度分析時(shí)，對(duì)模型加載載荷包括空調(diào)、電池、玻璃、地板及地板革、儀表臺(tái)、控制器、座椅和駕駛員及乘客重量等，乘客以每人65 kg計(jì)算，所有載荷均通過(guò)在整車(chē)骨架相應(yīng)位置均布mass點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)，整車(chē)有限元模型的具體信息如表1所示。車(chē)身骨架材料為鋁合金，底架中型材、板材及連接件材料均為高強(qiáng)鋼。其中梁?jiǎn)卧?lèi)型選用Cbar單元，該單元可以承受拉壓和在兩個(gè)互相垂直平面內(nèi)的扭轉(zhuǎn)、彎曲及剪切等作用。由Cbar單元連接的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)平動(dòng)位移和3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)位移共6個(gè)節(jié)點(diǎn)位移分量，對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)力為3個(gè)力和3個(gè)力矩，每個(gè)節(jié)點(diǎn)自由度個(gè)數(shù)為6個(gè)[7]。

分別選取彎曲工況及單輪懸空扭轉(zhuǎn)工況進(jìn)行分析。彎曲工況主要是模擬客車(chē)在滿(mǎn)載狀態(tài)靜止或在良好路面下勻速直線(xiàn)行駛時(shí)的應(yīng)力分布和變形情況，為最常見(jiàn)的工況，安全系數(shù)取2。該工況的約束條件為：分別約束左后輪空氣彈簧安裝座處X、Y、Z方向平動(dòng)自由度，右后輪空氣彈簧安裝座處X、Z方向平動(dòng)自由度，左前輪空氣彈簧安裝座處Y、Z方向平動(dòng)自由度，右前輪空氣彈簧安裝座處Z方向平動(dòng)自由度。扭轉(zhuǎn)工況則是模擬客車(chē)在不平路面行駛過(guò)程中瞬間有一個(gè)輪懸空的情形，安全系數(shù)取1.3，單輪懸空工況約束是在彎曲工況約束的基礎(chǔ)上釋放相應(yīng)輪的Z向自由度。

2 力流分析法及結(jié)果

有限元中的單元節(jié)點(diǎn)上的力即薄壁桿件在該位置處受到的內(nèi)力，因此分析薄壁桿件整體的受力情況就轉(zhuǎn)化為分析有限元中單元節(jié)點(diǎn)的力。通過(guò)在Nastran計(jì)算結(jié)果中輸出單元力ELFORCE和節(jié)點(diǎn)力GPFORCE，對(duì)車(chē)身骨架進(jìn)行力流分析[8-10]。

本文所分析的車(chē)身骨架采用封閉環(huán)結(jié)構(gòu)，整個(gè)車(chē)身都參與承重，當(dāng)車(chē)身骨架承受實(shí)際載荷時(shí)，力沿著車(chē)身骨架各薄壁梁傳播形成力流，薄壁梁的布置對(duì)力流起導(dǎo)向作用，載荷在車(chē)身骨架中以力流的形式進(jìn)行分配和傳遞。通過(guò)對(duì)車(chē)身骨架的力流分析，一方面可以了解整車(chē)骨架的力流特性，另一方面可以知道整車(chē)在不同工況下實(shí)際載荷在骨架結(jié)構(gòu)中的分配和傳遞的方式，同時(shí)可以建立整個(gè)車(chē)身骨架的內(nèi)力與車(chē)身實(shí)際承受載荷之間的聯(lián)系[9]。

利用Nastran軟件進(jìn)行計(jì)算，在Hyperview中進(jìn)行后處理，可以方便地看到每一個(gè)薄壁桿件受到6個(gè)分力的情況。由于主要目的是提取各工況下車(chē)身鋁合金連接接頭的軸向力，因此，此處主要關(guān)心底架之外的各薄壁桿件的軸向力。5種工況下車(chē)身骨架的最大軸向力如表2所示，在右后輪懸空扭轉(zhuǎn)工況下車(chē)身骨架承受軸向力最大達(dá)到62.0 kN。為保守起見(jiàn)，后續(xù)以此數(shù)值作為車(chē)身接頭設(shè)計(jì)的目標(biāo)值，考察各種接頭連接強(qiáng)度能否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。由于結(jié)構(gòu)及載荷的不完全對(duì)稱(chēng)，導(dǎo)致表2中左、右扭轉(zhuǎn)工況的差值較大。

3 接頭軸向拉伸試驗(yàn)

初步分別設(shè)計(jì)了一種焊接接頭、一種鉚接接頭、4種螺栓連接接頭共6種鋁合金接頭，如圖3所示。其中，4種螺栓連接接頭結(jié)構(gòu)，一方面，壓鑄角接頭結(jié)構(gòu)形式不同；另一方面，螺栓類(lèi)型及用來(lái)充當(dāng)螺母的塞塊結(jié)構(gòu)也不同。在萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行接頭軸向拉伸試驗(yàn)，驗(yàn)證接頭連接強(qiáng)度能否達(dá)到通過(guò)整車(chē)力流分析得到的設(shè)計(jì)目標(biāo)。圖4為鋁合金接頭軸向拉伸試驗(yàn)示意圖，采用特殊設(shè)計(jì)的工裝將鋁合金接頭安裝到萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上，拉伸速度為5 mm/min。為避免試驗(yàn)數(shù)據(jù)的隨機(jī)性，每種接頭重復(fù)拉伸試驗(yàn)3次，結(jié)果如表3所示。

從表3可以看出，6種鋁合金接頭中，焊接接頭和鉚接接頭所能承受的軸向拉力均超過(guò)了設(shè)計(jì)目標(biāo)值（62 kN），能夠滿(mǎn)足接頭連接強(qiáng)度的設(shè)計(jì)要求。螺栓連接接頭能承受的軸向拉力普遍偏低，均沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)值。其中，螺栓連接接頭3承受的軸向拉力比較接近設(shè)計(jì)目標(biāo)值，通過(guò)加強(qiáng)壓鑄角接頭，預(yù)計(jì)也可以達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。其它幾種螺栓連接接頭，則無(wú)法滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。另外，接頭承受軸向拉力的設(shè)計(jì)目標(biāo)值是基于現(xiàn)有的車(chē)身骨架結(jié)構(gòu)提取的，如果通過(guò)優(yōu)化車(chē)身骨架結(jié)構(gòu)，使車(chē)身骨架力流分布更均勻，也可以得到相對(duì)低一點(diǎn)的接頭軸向拉力設(shè)計(jì)目標(biāo)值，從而使更多形式的接頭能達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，也給車(chē)身設(shè)計(jì)工程師更多的選擇。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)整車(chē)骨架結(jié)構(gòu)進(jìn)行力流分析，分別提取了5種工況下整車(chē)骨架承受的最大軸向力，以所有工況下車(chē)身骨架承受軸向力最大值作為車(chē)身骨架接頭連接強(qiáng)度的設(shè)計(jì)目標(biāo)，通過(guò)車(chē)身骨架接頭的軸向拉伸試驗(yàn)，考察了6種鋁合金接頭的軸向抗拉性能，結(jié)果只有焊接和鉚接接頭能夠達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，對(duì)于如何讓沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)的接頭達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)?；诹α鞣治龅能?chē)身接頭設(shè)計(jì)方法為車(chē)身骨架接頭設(shè)計(jì)提供了明確的設(shè)計(jì)目標(biāo)，可以有效預(yù)防接頭連接強(qiáng)度設(shè)計(jì)不足的問(wèn)題，為車(chē)身骨架接頭的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

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修改稿日期：2016-11-22

Research on Design Method of Aluminum-alloy Body Joint for a Pure Electric Bus Based on Force Flow Analysis

LianYubo，WangMingqing
（Automotive EngineeringResearch Institute,BYDAutoIndustryCo.,Ltd,Shenzhen 518118,China）

The authors make a finite element analysis of static strength force flowunder various working conditions for a pure electric bus bodyframe,and respectivelyextract the maximum axial forces ofthe bodyframe under different working conditions by using Nastran,and they take the maximum axial force of the body frame under all conditions as the design target ofaluminum-alloy frame joint connection strength.Through the joint axial tension test,they inspect the connection strength performance about sixkinds ofaluminum-alloyjoints and drawthe conclusion.

pure electric bus；aluminum-alloybody；joint design；force flowanalysis

U463.82；U469.7

A

1006-3331（2017）02-0009-03

廉玉波（1964-），男，碩士；高級(jí)工程師；主要負(fù)責(zé)整車(chē)研發(fā)與總體設(shè)計(jì)工作。