胡付超，林　偉，方　超（山東沂星電動(dòng)汽車(chē)有限公司，山東 臨沂　276017）

全承載式純電動(dòng)城市客車(chē)鋼鋁混合骨架強(qiáng)度分析及改進(jìn)

胡付超，林偉，方超
（山東沂星電動(dòng)汽車(chē)有限公司，山東 臨沂276017）

基于HyperMesh建立全承載式純電動(dòng)城市客車(chē)鋼鋁混合骨架的有限元模型，采用ANSYS軟件對(duì)該鋼鋁混合骨架強(qiáng)度進(jìn)行分析，并對(duì)產(chǎn)生集中應(yīng)力的部位進(jìn)行改進(jìn)，為鋼混合骨架在全承載式城市客車(chē)中的應(yīng)用提供參考。

純電動(dòng)；城市客車(chē)；鋼鋁混合骨架；結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

目前，我國(guó)市場(chǎng)上已經(jīng)有多個(gè)品牌的純電動(dòng)城市客車(chē)投入運(yùn)營(yíng)，但絕大多數(shù)都是將傳統(tǒng)骨架進(jìn)行簡(jiǎn)單改造而成。雖然能夠滿(mǎn)足整車(chē)強(qiáng)度要求，但是車(chē)身整備質(zhì)量較大，續(xù)駛里程被相對(duì)縮短［1］，因此，對(duì)純電動(dòng)客車(chē)提出了采用鋁合金輕型材骨架的要求。在骨架上部結(jié)構(gòu)全部使用鋁合金材料之后，能夠較大地降低整備質(zhì)量，提高續(xù)駛里程和載客人數(shù)。但鋁合金材料的力學(xué)性能相對(duì)較差，如果客車(chē)骨架設(shè)計(jì)不合理很容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，造成局部損壞，因此在設(shè)計(jì)階段需要借助有限元技術(shù)進(jìn)行強(qiáng)度分析。

1　有限元模型的建立及邊界條件施加

1.1模型簡(jiǎn)化處理

圖1　全承載式車(chē)身骨架結(jié)構(gòu)

如圖1所示，車(chē)身骨架采用全承載式車(chē)身結(jié)構(gòu)，這種封閉式桁架結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)整個(gè)車(chē)身都參與承載。底架和非底架結(jié)構(gòu)（包括左側(cè)圍、右側(cè)圍、前圍、后圍及頂蓋）分別采用鋼材和鋁合金兩種材料，底架部分采用CO2保護(hù)焊進(jìn)行連接，車(chē)身周?chē)羌芘c底架之間由于材料屬性的不同，采用鉚接的方式連接。由于鋁合金與碳鋼在潮濕空氣中接觸易發(fā)生電解作用，鋁合金會(huì)產(chǎn)生腐蝕現(xiàn)象，在鋼鋁鉚接處必須添加絕緣層，防止直接接觸，前/后圍、側(cè)圍和頂蓋骨架均是鋁合金型材，采用鉚接的方式連接，鋼制鉚釘必須先進(jìn)行氧化處理。為了準(zhǔn)確地模擬客車(chē)結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性，在建立有限元模型之前，需要對(duì)骨架結(jié)構(gòu)件進(jìn)行簡(jiǎn)化［2-5］：

1）客車(chē)的前、后圍和側(cè)圍的風(fēng)窗玻璃等非承載結(jié)構(gòu)使用質(zhì)量單元均勻分布在其安裝位置。

2）省略方便乘客使用和輔助作用的非承載件（例如扶手、儀表臺(tái)、內(nèi)飾、蒙皮撐等），由于其對(duì)整車(chē)的剛度和強(qiáng)度影響較小，可忽略不計(jì)。

3）超載乘客按乘客站立區(qū)域面積進(jìn)行平均分配。

4）忽略所有半徑小于3 mm的型材圓角。

5）鋼鋁鉚接之間的絕緣層只是防腐件，可忽略不計(jì)。

6）由于內(nèi)蒙皮是2.5 mm厚的鋁合金板材，同時(shí)參與承載作用，因此應(yīng)保留其模型結(jié)構(gòu)，可忽略其因鉚接而引起的預(yù)應(yīng)力。

1.2建立有限元模型

將簡(jiǎn)化過(guò)的客車(chē)骨架三維數(shù)模導(dǎo)入HyperMesh，本車(chē)骨架主要是薄壁型材結(jié)構(gòu)，采用殼單元進(jìn)行建模。由于型材都是（20×20×1.5）mm～（40×50×2.5）mm之間不同型號(hào)的矩形管，所以單元尺寸選擇為10 mm。對(duì)于底架滿(mǎn)焊結(jié)構(gòu)采用節(jié)點(diǎn)耦合的方式進(jìn)行模擬，點(diǎn)焊部分采用WELD焊點(diǎn)單元進(jìn)行模擬。前/后圍、側(cè)圍與底架和頂蓋的連接部位采用鉚接方式連接，為了保證整車(chē)結(jié)構(gòu)剛度不失真，鉚釘均采用經(jīng)典梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，如圖2所示。前后推力桿座結(jié)構(gòu)屬非薄壁結(jié)構(gòu)，因此采用六面體單元?jiǎng)澐??？諝鈴椈傻奈锢硇阅芘cSpring彈簧單元基本相符，因此使用Spring單元進(jìn)行模擬。由于車(chē)橋剛度較大，采用梁?jiǎn)卧M。

圖2　局部鉚接有限元模型

1.3單元質(zhì)量控制

采用有限元法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，單元質(zhì)量將直接影響計(jì)算精度，因此有效控制單元質(zhì)量是獲得精確結(jié)果的前提條件，對(duì)于四邊形主要保證Jacobian＞0.7、Aspect Ratio＞5、最大角＜140°，最小角＞40°，Warpag＜5°，三角形單元最大角＜120°，最小角＞30°即可保證求解精度［1］。整車(chē)離散以后最終四邊形單元數(shù)量為1 514 934個(gè)、三角形單元1 833個(gè)，六面體單元22 580個(gè)，如圖3所示。

圖3　整車(chē)骨架有限元模型

1.4邊界條件的施加

城市客車(chē)載荷主要包括車(chē)身骨架自重、駕駛員及乘客重量、汽車(chē)輔助件重量。車(chē)身骨架只需賦予材料密度，再分析全局施加重力加速度即可；駕駛員與乘客采用質(zhì)量單元平均分布在座椅的安裝位置；汽車(chē)輔件主要包括空調(diào)、電池箱、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、高壓控制柜、控制器、空壓機(jī)等附件，均在其質(zhì)心位置采用質(zhì)量單元來(lái)模擬，采用Rigid單元與其支架耦合。

對(duì)于大型低地板城市客車(chē)來(lái)說(shuō)，其行駛工況主要包括彎曲工況、啟動(dòng)/制動(dòng)工況、轉(zhuǎn)向工況，為了準(zhǔn)確判斷該結(jié)構(gòu)是否能夠滿(mǎn)足不同工況下的強(qiáng)度要求，在三種工況下乘客數(shù)量均按其滿(mǎn)載狀態(tài)進(jìn)行加載（即94位乘客，人均質(zhì)量65 kg）。

1）彎曲工況：指汽車(chē)靜止或勻速行駛狀態(tài)，該工況需約束前后懸架x、y、z三個(gè)平動(dòng)自由度。

2）轉(zhuǎn)向工況：主要模擬客車(chē)極限轉(zhuǎn)彎狀態(tài)，通過(guò)施加離心加速度a的方法進(jìn)行模擬，與客車(chē)行駛速度和車(chē)型基本參數(shù)有關(guān)［6］。該工況約束其前懸架右前輪x、y、z平動(dòng)自由度，左前輪x、z平動(dòng)自由度，后懸架y、z兩個(gè)平動(dòng)自由度。

3）緊急制動(dòng)工況：主要模擬城市客車(chē)緊急制動(dòng)的受力狀態(tài)，客車(chē)緊急制動(dòng)減速的最大值amax=φmaxg，其中φmax路面最大附著系數(shù)取0.8。該工況約束前懸架x、z平動(dòng)自由度［7-9］。

2　計(jì)算結(jié)果分析及改進(jìn)

2.1結(jié)果分析

通過(guò)ANSYS計(jì)算分析，得出三種工況下整車(chē)骨架的VonMises應(yīng)力云圖，從應(yīng)力云圖中可以看出，其主要應(yīng)力分布特點(diǎn)基本相同，應(yīng)力較大區(qū)域均在底架前橋后側(cè)和后橋前、后兩側(cè)位置，側(cè)圍、前/后圍及頂蓋部分應(yīng)力相對(duì)較小，這與電池箱、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和乘客等主要質(zhì)量分布位置基本相符。三種工況下最大應(yīng)力分布情況如表1所示。

表1　三種工況下骨架最大應(yīng)力分布情況　MPa

從表1可以看出，整體應(yīng)力值均不大，在三個(gè)工況下側(cè)圍和頂蓋部分最大應(yīng)力107.58 MPa，發(fā)生在左側(cè)圍與中段底架連接部位，前/后圍、側(cè)圍及頂蓋均是鋁合金材料，其屈服極限260 MPa遠(yuǎn)大于最大應(yīng)力值，且無(wú)應(yīng)力突變集中現(xiàn)象，因此，車(chē)身骨架上部鋁合金結(jié)構(gòu)強(qiáng)度能夠滿(mǎn)足要求。底架部分的較大應(yīng)力均分布在前懸空氣彈簧下方骨架位置后和后橋上推力桿座兩處，最大應(yīng)力值為213 MPa，底架型材均是16 Mn材料，其屈服強(qiáng)度為345 MPa，安全系數(shù)大于1.5。但在前空氣彈簧下方矩形區(qū)域和后推力桿座處有應(yīng)力突變集中現(xiàn)象，從應(yīng)力云圖的變化情況可以初步判斷，此兩處應(yīng)力突然變大是由于中段電池和站立區(qū)域乘客質(zhì)量集中產(chǎn)生的拉應(yīng)力無(wú)法有效分散所造成的，如圖4所示。雖然集中應(yīng)力值在安全范圍內(nèi)，但在實(shí)際行駛過(guò)程中承受交變載荷，容易發(fā)生疲勞損壞，疲勞破壞是城市客車(chē)結(jié)構(gòu)損壞的主要形式，因此需要進(jìn)一步優(yōu)化，消除應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖4　局部集中應(yīng)力云圖

2.2結(jié)構(gòu)改進(jìn)及效果

根據(jù)以上分析結(jié)果，在產(chǎn)生應(yīng)力集中的兩處位置增加材料均為16 Mn的支撐，后橋上推力桿座位置添加壁厚為2.0 mm，50 mm×80 mm×150 mm的矩形管支撐，前空氣懸架下方矩形區(qū)域添加壁厚為1.5 mm，20 mm× 30 mm×530 mm的矩形管斜撐，放置在有擴(kuò)張趨勢(shì)的對(duì)角方向，由于其尺寸相對(duì)較小，因此可以忽略其對(duì)整備質(zhì)量和成本的影響。

對(duì)以上改進(jìn)骨架結(jié)構(gòu)重新計(jì)算，結(jié)果如表2所示?？梢钥闯?，改進(jìn)之后三種工況下車(chē)身底架部分最大應(yīng)力減小21.2%，最大應(yīng)力為167.7 MPa，車(chē)身上部鋁合金結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化范圍均在1%以?xún)?nèi)，以上兩處集中應(yīng)力得到明顯分散，如圖5所示。在沒(méi)有集中應(yīng)力的條件下，最大應(yīng)力值均在安全系數(shù)1.5以?xún)?nèi)，能夠滿(mǎn)足強(qiáng)度要求［10］。

表2　改進(jìn)后的最大應(yīng)力表　MPa

圖5　改進(jìn)前/后局部應(yīng)力云圖對(duì)比

3　結(jié)束語(yǔ)

本車(chē)采用全承載式骨架結(jié)構(gòu)，這種封閉式桁架結(jié)構(gòu)使整車(chē)骨架均參與承載，為上部結(jié)構(gòu)鋁合金材料的使用提供了結(jié)構(gòu)支持。根據(jù)以上強(qiáng)度分析結(jié)果可以看出，本車(chē)底架和上部結(jié)構(gòu)分別采用鋼材和鋁合金材料，即實(shí)現(xiàn)了整備質(zhì)量的輕量化，又保證了足夠的強(qiáng)度要求。

本車(chē)總體結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布相對(duì)較為分散，且應(yīng)力值也相對(duì)較小，考慮到鋁合金材料的抗變形能力相對(duì)鋼材較弱，還需要對(duì)其上部結(jié)構(gòu)剛度進(jìn)一步分析，從底架應(yīng)力分布及應(yīng)力數(shù)值來(lái)看，底架部分強(qiáng)度冗余較大，具有進(jìn)一步輕量化潛力。

［1］王京濤.全承載式客車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)有限元分析［D］.太原：中北大學(xué)，2013.

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修改稿日期：2016-04-15

Strength Analysis and Improvement of Steel and Aluminum Monocoque Mixed Framework for Pure Electric City Bus

Hu Fuchao，Lin Wei，F(xiàn)angChao
（ShandongYixingElectric Vehicle Co.，Ltd，Linyi 276017，China）

Based on HyperMesh，the authors build the finite element model for steel and aluminum monocoque mixed framework ofa pure electric citybus，then analyze the strength ofthe steel and aluminummixed framework by ANSYS software，and improve the structure of stress concentration area，in order to provide a reference for application ofthe steel and aluminummixed framework tothe monocoque citybus.

pure electric；citybus；steel aluminumand mixed framework；structural strength

U463.83+1；U469.72

B

1006-3331（2016）04-0023-03

胡付超（1986-），男，碩士；CAE分析師；主要從事客車(chē)CAE分析研究等工作。