劉顯春 Liu Xianchun

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基于靈敏度分析的某純電動(dòng)客車車身骨架結(jié)構(gòu)優(yōu)化

劉顯春 Liu Xianchun

（合肥工業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

運(yùn)用有限元分析理論，在Hypermesh有限元軟件中建立純電動(dòng)客車車身骨架結(jié)構(gòu)整車有限元模型，進(jìn)行水平彎曲和極限扭轉(zhuǎn)兩種典型工況下的靜力學(xué)分析，通過分析發(fā)現(xiàn)車身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度都有過盈。提出基于靈敏度分析的方法對(duì)該客車車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，結(jié)果表明，車身結(jié)構(gòu)質(zhì)量減輕95 kg，各項(xiàng)性能變化不大且仍滿足要求。

靈敏度分析；純電動(dòng)客車；車身骨架；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

0 引 言

電動(dòng)汽車因其高效率、綠色環(huán)保的特點(diǎn)被廣泛關(guān)注[1]。電動(dòng)客車車身結(jié)構(gòu)主要是在傳統(tǒng)燃油客車的基礎(chǔ)上改裝而來(lái)，對(duì)電動(dòng)客車車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)出滿足強(qiáng)度、剛度和工藝制造要求的客車車身結(jié)構(gòu)[2]。研究數(shù)據(jù)表明，若整車質(zhì)量降低10%，則節(jié)省燃油6%～8%，燃油消耗率提高5.5%[3-4]，因此對(duì)客車車身進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要意義。

將客車車身結(jié)構(gòu)三維UG幾何模型導(dǎo)入Hypermesh有限元軟件，建立整車有限元模型；在水平彎曲和極限扭轉(zhuǎn)兩種典型工況下進(jìn)行有限元仿真分析，對(duì)客車車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行靈敏度分析，并提出結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。

1 建立有限元模型

研究對(duì)象為6.6 m純電動(dòng)公交客車，車身骨架結(jié)構(gòu)采用半承載式。車身骨架結(jié)構(gòu)主要分為前后圍、左右側(cè)圍、頂蓋、底架和車架7大片。車架由高強(qiáng)度鋼板鉚接而成，車身骨架由幾百個(gè)矩形方鋼焊接而成。動(dòng)力電池采用磷酸鐵鋰電池，主要分布在客車底架中部，電機(jī)布置在客車后部。

將客車車身結(jié)構(gòu)三維UG幾何模型導(dǎo)入Hypermesh中。對(duì)客車車身結(jié)構(gòu)做適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，忽略玻璃、蒙皮等的影響；忽略客車實(shí)際板簧懸架系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，采用與實(shí)際鋼板彈簧等弧長(zhǎng)、等寬度、等剛度的弧形薄板模擬。劃分網(wǎng)格采用10 mm大小的殼單元，車身結(jié)構(gòu)材料為16Mn鋼制材料，彈性模量為2.10×105MPa，泊松比為0.28，密度為7.9×10-9kg/mm3。載荷處理時(shí)，對(duì)于動(dòng)力電池、電機(jī)、乘客座椅等集中載荷，在質(zhì)心處添加質(zhì)量單元CONM2，然后用剛性單元RBE2連接到相應(yīng)節(jié)點(diǎn)上；空調(diào)、地板等均布載荷以平均質(zhì)量單元均勻施加到車身骨架結(jié)構(gòu)相應(yīng)節(jié)點(diǎn)上。對(duì)焊接和螺栓連接模擬時(shí)，采用軟件自帶的螺栓和焊點(diǎn)處理方式。建立客車車身骨架整車有限元模型如圖1所示，此模型共包含節(jié)點(diǎn)數(shù)732 293、殼單元數(shù)709 080。

2 有限元分析

在汽車產(chǎn)品定型可靠性行駛試驗(yàn)規(guī)范中規(guī)定[5]：樣車必須以一定車速，在各種路面上行駛，主要分為彎曲、扭轉(zhuǎn)、緊急制動(dòng)和緊急轉(zhuǎn)彎4種典型工況，以檢測(cè)客車的各項(xiàng)性能。對(duì)水平彎曲和極限扭轉(zhuǎn)兩種典型工況進(jìn)行有限元分析，評(píng)價(jià)客車的靜力學(xué)性能。

2.1 水平彎曲工況

水平彎曲工況是對(duì)客車在良好水平路面上勻速直線行駛時(shí)的狀態(tài)模擬。約束左前輪向的平動(dòng)自由度，約束右前輪、向平動(dòng)自由度，約束左后輪、向平動(dòng)自由度，約束右后輪、、Z向平動(dòng)自由度，不約束其他所有的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。

水平彎曲工況應(yīng)力分布如圖2所示，車身骨架最大應(yīng)力是205.1 MPa，位置出現(xiàn)在車架左側(cè)縱梁靠近動(dòng)力電池的位置，是由動(dòng)力電池的質(zhì)量引起，客車其余部分的應(yīng)力都小于160 MPa；因此客車安全系數(shù)為1.73，該工況下強(qiáng)度滿足要求且有過盈。

客車骨架位移最大位置出現(xiàn)在客車頂蓋空調(diào)安裝位置，為8.64 mm，GB/T 13043—2006《客車定型試驗(yàn)規(guī)程》中給出后置發(fā)動(dòng)機(jī)客車的最大變形參考值為10 mm，對(duì)比可知?jiǎng)偠葷M足要求[6]。

2.2 極限扭轉(zhuǎn)工況

當(dāng)客車行駛在坑洼不平的路面時(shí)，車身會(huì)由于幅度較大的扭動(dòng)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)載荷，模擬客車在不平的壞路面上低速行駛時(shí)的極限狀態(tài)。約束右前輪、向平動(dòng)自由度，約束右后輪、、向平動(dòng)自由度，釋放左前輪所有自由度。

極限扭轉(zhuǎn)工況應(yīng)力分布云圖如圖3所示，車身結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為270 MPa，位置也出現(xiàn)在車架左側(cè)縱梁靠近動(dòng)力電池的位置，安全系數(shù)為1.31，車身骨架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。同時(shí)車身骨架最大位移為22.01 mm，位置發(fā)生在前圍、左側(cè)圍和頂蓋結(jié)合處，與左前輪懸空的實(shí)際情況相符。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 靈敏度分析

客車車身骨架是由幾百個(gè)矩形方鋼焊接而成的復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)，對(duì)客車頂蓋、側(cè)圍及地板骨架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)變量為骨架部件的截面厚度參數(shù)，相應(yīng)的厚度變量眾多。桿件的截面厚度變化對(duì)客車各項(xiàng)性能影響都較大，為了提高優(yōu)化效率，對(duì)車身骨架149個(gè)桿件厚度進(jìn)行靈敏度分析篩選出優(yōu)化設(shè)計(jì)變量。在OptiStruct軟件中將車身結(jié)構(gòu)質(zhì)量最小作為優(yōu)化目標(biāo)，取1階扭轉(zhuǎn)模態(tài)、扭轉(zhuǎn)剛度作為約束條件，扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算時(shí)用左前輪減振器支架中心點(diǎn)的撓度替代。設(shè)置sensitivity卡片，經(jīng)過11次迭代，獲得靈敏度分析的結(jié)果如圖4～6所示。

根據(jù)靈敏度的分析結(jié)果，選取車身質(zhì)量靈敏度大，而1階扭轉(zhuǎn)頻率和扭轉(zhuǎn)剛度靈敏度小的設(shè)計(jì)變量為優(yōu)化變量，共篩選出65個(gè)構(gòu)件厚度，將這些構(gòu)件減小厚度，得到車身骨架結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，部分構(gòu)件厚度變化見表1。

表1 優(yōu)化前、后部分構(gòu)件厚度變化

變量序號(hào)優(yōu)化前/mm優(yōu)化后/mm 32.01.5 53.02.0 122.01.5 133.02.5 243.02.0 265.04.0 334.02.5 356.05.0 433.02.5 565.04.5 613.01.0

3.2 優(yōu)化結(jié)果

根據(jù)優(yōu)化方案建立優(yōu)化后的車身骨架有限元模型，在后處理軟件RADIOSS中進(jìn)行車身結(jié)構(gòu)典型工況分析和模態(tài)分析，表2為優(yōu)化前、后性能對(duì)比。

表2 優(yōu)化前、后性能對(duì)比

性能指標(biāo)優(yōu)化前優(yōu)化后性能變化 優(yōu)化的結(jié)構(gòu)質(zhì)量/kg1 3211 226-95 1階扭轉(zhuǎn)頻率/Hz 11.58 11.13 -0.45 1階彎曲頻率/Hz 14.02 13.89 -0.13 水平彎曲工況最大應(yīng)力/MPa 205 176-29 水平彎曲工況最大位移/mm 8.64 8.765 +0.125 極限扭轉(zhuǎn)工況最大應(yīng)力/MPa 273 243-30 極限扭轉(zhuǎn)工況最大位移/mm 22.01 23.35 +1.34

從表2和圖7優(yōu)化前、后性能對(duì)比中可看出，車身頂蓋、左右側(cè)圍、底架結(jié)構(gòu)質(zhì)量從優(yōu)化前的 1 321 kg減為1 226 kg，減少95 kg，輕量化程度達(dá)7.2%；優(yōu)化后車身結(jié)構(gòu)模態(tài)性能稍有下降，但下降幅度小于1 Hz，變化不大；水平彎曲和極限扭轉(zhuǎn)這兩種典型工況下結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力都有所減少，分別減少29 MPa和30 MPa，最大位移都略有增加，但增加幅度不大。

（a）優(yōu)化前

（b）優(yōu)化后

圖7 優(yōu)化前、后水平彎曲工況位移圖

4 結(jié) 論

建立某純電動(dòng)客車車身骨架有限元模型，先將三維UG幾何模型導(dǎo)入到有限元軟件Hypermesh，依次經(jīng)過模型簡(jiǎn)化、網(wǎng)格劃分、焊點(diǎn)和螺栓連接處理，建立客車車身整車有限元模型；然后分別對(duì)水平彎曲和極限扭轉(zhuǎn)兩種典型工況進(jìn)行有限元仿真，發(fā)現(xiàn)客車的強(qiáng)度和剛度都有過盈，同時(shí)進(jìn)行模態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)客車的模態(tài)頻率和振型分布良好。基于靈敏度分析的方法對(duì)客車車身頂蓋、左右側(cè)圍和底架進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化結(jié)果表明，客車車身結(jié)構(gòu)質(zhì)量減輕95 kg，輕量化程度達(dá)7.2%，效果顯著，同時(shí)客車結(jié)構(gòu)各項(xiàng)性能變化幅度不大。

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2017-03-21

1002-4581（2017）04-0016-04

U463.82

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2017.04.005