8 米新能源公交客車整車仿真分析及優(yōu)化

王鵬，王衛(wèi)，李長松

（北京北方華德尼奧普蘭客車有限公司，北京 100072）

1 引言

新能源客車的安全性不言而喻，整車結(jié)構(gòu)的疲勞特性和剛強(qiáng)度特性是考量一個(gè)客車產(chǎn)品安全性的一個(gè)重要指標(biāo)，傳統(tǒng)的通過反復(fù)試驗(yàn)，反復(fù)進(jìn)行方案修改的手段已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后行業(yè)發(fā)展的趨勢。通過CAE 仿真進(jìn)行整車模態(tài)分析、剛強(qiáng)度分析可提前對方案進(jìn)行驗(yàn)證，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案中的薄弱環(huán)節(jié)，在方案設(shè)計(jì)階段就及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，提高設(shè)計(jì)效率，縮短驗(yàn)證周期。本次結(jié)合公司開發(fā)的8 米新能源公交客車，從設(shè)計(jì)階段開始，仿真工作與設(shè)計(jì)方案同時(shí)展開，在方案設(shè)計(jì)階段就進(jìn)行方案的驗(yàn)證，為設(shè)計(jì)方案提供優(yōu)化改進(jìn)方向，并對最終方案提供理論支持。

2 整車三維模型的建立

2.1 本車型為全承載式結(jié)構(gòu)

車身骨架包括左右側(cè)圍、前后圍、頂蓋、底架等結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)方案初稿定型同時(shí)進(jìn)行整車三維模型的建立工作，同時(shí)確定整車的質(zhì)量參數(shù)，通過設(shè)計(jì)參數(shù)可知，前橋軸荷為5噸，后橋軸荷8 噸，骨架材料為Q345。整車三維模型如圖1所示：

圖1 整車的幾何模型

2.2 網(wǎng)格劃分

全局坐標(biāo)系定義為汽車坐標(biāo)系：汽車縱向?qū)ΨQ面在車架上平面的投影為X 軸，向前為正；后軸車輪中心線在車架上平面的投影為Y 軸，向左為正；Z 軸豎直向上，Z 軸零點(diǎn)在車架中段格柵上平面。整車骨架管件、鈑金件由四邊形和三角形單元進(jìn)行模擬，實(shí)體用四面體單元模擬，懸架用beam梁單元進(jìn)行模擬；其中單元個(gè)數(shù)為2945138，節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為951565，網(wǎng)格基本尺寸為10mm，如下圖2 所示。

圖2 整車的有限元模型

2.3 定義材料屬性

車主要材料為Q345 碳素合金鋼（型鋼材料），彈性模量：2.1E11Pa，泊松比為：0.3，材料密度為7850KG/m3，屈服強(qiáng)度大于345MPa。

2.4 載荷施加

客車車身骨架的自重。通過材料的密度以及車身所受重力加速度可算出客車車身自身重量；對于底盤各總成質(zhì)量如電機(jī)、電池等質(zhì)量在其質(zhì)心處施加質(zhì)量單元，然后以RBE3的形式將質(zhì)量均勻分布在車身骨架和車架的相應(yīng)節(jié)點(diǎn)上。

3 模態(tài)分析

模態(tài)是結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的的固有屬性，每一個(gè)模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。整車模態(tài)分析只關(guān)注簧上結(jié)構(gòu)的振動(dòng)情況，各種支架子系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)、車橋、輪胎等結(jié)構(gòu)均不考察。通過模態(tài)分析可以得到機(jī)械結(jié)構(gòu)在某一易受影響的頻率范圍內(nèi)及在內(nèi)部或外部各種振源激勵(lì)作用下的振動(dòng)響應(yīng)結(jié)果，再由模態(tài)分析方法獲得模態(tài)參數(shù)并結(jié)合相關(guān)試驗(yàn)，借助這些特有參數(shù)用于結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.1 整車模態(tài)分析為自由模態(tài)分析

不需要邊界約束和載荷施加。車架模態(tài)分析一般要求輸出(1-50)Hz 內(nèi)的振型。模態(tài)分析結(jié)果的固有頻率和振型如下表所示：

表1 模態(tài)分析結(jié)果

4 強(qiáng)度分析

4.1 工況描述

垂向工況：約束左前輪Z 向移動(dòng)自由度，約束右前輪Y、Z 向移動(dòng)自由度，約束后輪X、Y、Z 移動(dòng)自由度。施加Z向-2g 加速度。

左前輪懸空工況：約束右前輪Y、Z 向移動(dòng)自由度，約束后輪X、Y、Z 移動(dòng)自由度。

施加Z 向-1g 加速度。

左前輪懸空工況：約束左前輪Y、Z 向移動(dòng)自由度，約束后輪X、Y、Z 移動(dòng)自由度。

施加Z 向-1g 加速度。

制動(dòng)工況：約束左前輪Y、Z 向移動(dòng)自由度，約束右前輪Z 向移動(dòng)自由度，約束后輪X、Y、Z 移動(dòng)自由度。施加Z向-1g 加速度及X 向-0.7g 加速度。

轉(zhuǎn)彎工況：約束左前輪Y、Z 向移動(dòng)自由度，約束右前輪Z 向移動(dòng)自由度，約束后輪X、Y、Z 移動(dòng)自由度。施加Z向-1g 加速度及Y 向0.4g 加速度。

4.2 各工況分析結(jié)果

通過有限元分析，由于后橋軸荷分布比較大，因此最大應(yīng)力值大部分出現(xiàn)在后懸段位置，如圖3-7 所示。

圖3 垂向工況應(yīng)力云圖

圖4 左前輪懸空工況應(yīng)力云圖

圖5 右前輪懸空工況應(yīng)力云圖

圖6 制動(dòng)工況應(yīng)力云圖

圖7 轉(zhuǎn)彎工況應(yīng)力云圖

由以上工況的應(yīng)力云圖可知，垂向工況最大應(yīng)力值為440Mpa，扭轉(zhuǎn)工況最大應(yīng)力值在410Mpa 左右，均超過材料的屈服強(qiáng)度，產(chǎn)生疲勞的可能性較大，因此對后懸段該位置進(jìn)行加強(qiáng)優(yōu)化，以滿足設(shè)計(jì)要求。

4.3 優(yōu)化方案

（1）由于后懸氣囊承受的載荷較大，因此氣囊上立柱厚度由3mm 改為4mm，增加抗疲勞破壞系數(shù)。

（2）將原后懸架前加強(qiáng)斜梁更換，調(diào)整為與下部斜梁連貫，增加應(yīng)力集中部位的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。下為改進(jìn)結(jié)構(gòu)：

圖7

（3）在后懸架上方角鋼結(jié)構(gòu)件部位進(jìn)行加強(qiáng)或者通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化將受力分散，會(huì)起到明顯的效果，因此，此部位進(jìn)行如下調(diào)整：

圖8

4.4 優(yōu)化方案與原方案應(yīng)力值對比

通過仿真計(jì)算，優(yōu)化方案均小于原方案最大應(yīng)力值，且都在材料的屈服強(qiáng)度之下，滿足設(shè)計(jì)要求，如下表所示：

表2 優(yōu)化方案結(jié)果對比

如上表，在參考仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上，相關(guān)總成對超出材料性能參數(shù)的部位進(jìn)行了針對性的優(yōu)化設(shè)計(jì)，特別是結(jié)構(gòu)上的微小的調(diào)整，即可達(dá)到比較有效的增強(qiáng)效果。

5 小結(jié)

（1）通過仿真分析手段，可以推斷整車強(qiáng)度方面在設(shè)計(jì)初期存在的不足，同時(shí)可以驗(yàn)證不同狀態(tài)下整車受力情況，以指導(dǎo)工程師的設(shè)計(jì)。

（2）通過仿真分析方法，不僅彌補(bǔ)了薄弱環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)的不足，而且縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期以及成本，大大提高了產(chǎn)品在市場上的競爭力。

（3）通過本次仿真分析的結(jié)果，建立公司內(nèi)部設(shè)計(jì)參考數(shù)據(jù)庫，形成相關(guān)車型的設(shè)計(jì)規(guī)范，避免問題的重復(fù)出現(xiàn)。

（4）通過仿真分析可為車輛輕量化、結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供有效的參考，不論是材料的調(diào)整還是結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，都可利用CAE分析的手段進(jìn)行前期的驗(yàn)證。