孟慶書 李陽 時(shí)兆康 王志寬 武祥瑞 蘇聰聰

摘 要：本文針對(duì)某半承載式客車車身骨架進(jìn)行了有限元分析，研究了實(shí)現(xiàn)客車車身輕量化的優(yōu)化方法，并使用Hyper Works有限元分析軟件平臺(tái)對(duì)純電動(dòng)城市客車進(jìn)行有限元建模和分析。同時(shí)，分析過程中目標(biāo)函數(shù)為車身質(zhì)量，約束條件為各工況下的應(yīng)力和模態(tài)固有頻率，設(shè)計(jì)變量為車身骨架主要桿件的厚度，對(duì)純電動(dòng)城市客車車身進(jìn)行輕量化分析，在滿足整車強(qiáng)度、剛度和車身低階固有頻率的要求下，使車身質(zhì)量減輕了3.956%。此次研究的主要目的是為客車的車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供有效的幫助。

關(guān)鍵詞：純電動(dòng)城市客車;有限元分析;輕量化;結(jié)構(gòu)優(yōu)化

隨著我國環(huán)境、能源與汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展矛盾的日益明顯，新能源城市客車早已成為城市公共汽車發(fā)展的主要方向。但是，在純電動(dòng)城市客車迅猛發(fā)展的同時(shí)，面臨著一大難題就是動(dòng)力電池存儲(chǔ)能量較低、續(xù)航里程數(shù)短。要想解決這一難題，實(shí)現(xiàn)車身輕量化是較為有效的解決方案之一。

客車車身作為主要承載結(jié)構(gòu)，車身的質(zhì)量和結(jié)構(gòu)直接影響車身的壽命和整車性能。車輛在設(shè)計(jì)過程中，首先要滿足運(yùn)營客車對(duì)車身骨架的剛度、強(qiáng)度及工藝改造等因素要求的同時(shí)，應(yīng)盡可能減輕車身的質(zhì)量、降低制造成本。隨著有限元技術(shù)的日益發(fā)展和高速計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，對(duì)車身結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度計(jì)算與分析工作也逐漸開始，在滿足國標(biāo)的前提下，合理地進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，來達(dá)到輕量化的目標(biāo)， 對(duì)車身設(shè)計(jì)具有重要參考意義。

1 車身骨架有限元模型的建立

1.1 車身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

半承載式客車受撞擊時(shí)，其車身結(jié)構(gòu)采用圓弧貫穿式的物理特性，使得整車沒有應(yīng)力集中點(diǎn)，受力基本均勻分布，骨架更加牢固，發(fā)生事故時(shí)能給乘客帶來更大的生存空間。由于純電動(dòng)城市客車多行駛在平穩(wěn)的城市道路，所受路面不平整度影響較小，因此采用半承載式車身需要更輕的質(zhì)量。

1.2 車身模型的簡化及建立流程

1.2.1 模型簡化

半承載式車身大多采用矩形梁，少數(shù)異形梁和槽鋼、鋼板等，各梁之間主要通過焊接的方式進(jìn)行連接。為了便于建模和計(jì)算，在不影響強(qiáng)度情況下，對(duì)幾何體結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化：

（1）客車車架盡可能設(shè)為對(duì)稱、陣列形式;

（2）忽略蒙皮對(duì)車身強(qiáng)度的影響;

（3）忽略非承載件;

（4）簡化圓角、倒角、小孔（直徑小于15mm）等;

（5）復(fù)雜模型簡單化，采用化曲為直、化繁為簡等的方法。

1.2.2 建模流程

（1）根據(jù)某型客車已有的CAD圖紙，將客車車身在三維軟件Solidworks中建模，將模型導(dǎo)出，導(dǎo)入到Hyper works有限元分析軟件中，對(duì)模型進(jìn)行進(jìn)一步簡化，焊接部位采用異性梁、短梁連接處理;

（2）采用梁的截面形狀定義車身骨架型鋼的參數(shù)，將車身骨架劃分為地板骨架、前圍、后圍、頂骨架、左側(cè)骨架、右側(cè)骨架六大片，生成車身骨架以及等效底盤的有限元模型。

1.3 材料選擇

根據(jù)客車車身骨架總成設(shè)計(jì)規(guī)范，車身骨架橫梁和縱梁要依據(jù)GB/T 3273-1989 ，因此車身材料主要選擇Q235A。Q235A材料屬性，彈性模量/（N/m2）2.12E+11，泊松比0.3，質(zhì)量密度/（kg/m3）7.86E+03，抗剪模量/（N/m2）8.23E+10，張力強(qiáng)度/（N/m2）3.90E+08，屈服強(qiáng)度/（N/m2）2.35E+08，熱擴(kuò)張系數(shù)/K1.2E-05，比熱/J/（kg.K）4.4E+02，熱導(dǎo)率/（W/（m.k））43.0。

2 車身載荷及工況

2.1 載荷處理與邊界條件

載荷與邊界條件處理是有限元分析前的最后一步。合理的加載方式與正確的邊界條件是計(jì)算分析的關(guān)鍵。

根據(jù)客車在實(shí)際工作時(shí)的載荷分布情況對(duì)客車車身施加載荷，該客車承受總?cè)藬?shù)為39人（取人均體重為65kg/人），采用均布載荷的方式施加在車身上;該客車共使用3塊電池組，總重達(dá)到1.2噸，采用均布載荷的方式施加在電池組的固定位置;兩只蓄電池重100kg，采用集中力載荷的方式施加在蓄電池安裝位置。下表1為純電動(dòng)城市客車車身載荷以及施加方式。

Hyper works軟件顯示整車共劃分528011個(gè)單元，523979個(gè)節(jié)點(diǎn)。車身有限元模型如圖1所示。

2.2 工況描述

2.2.1 水平彎曲工況

根據(jù)GB/T 6792-2009《客車骨架應(yīng)力和形變測量方法》，在水平彎曲、客車處于滿載工況下，校核客車其前后左右各個(gè)輪胎同時(shí)著地時(shí)的整個(gè)車身骨架的剛度及強(qiáng)度，即仿真客車在光滑平整的路況下勻速直線行駛，可得到車身骨架的應(yīng)力變形圖。

約束處理：約束添加在前后輪與車橋連接位置，即約束6個(gè)方向的自由度（3個(gè)平動(dòng)自由度和3 個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度）。

在水平彎曲工況下該車身骨架所受的最大應(yīng)力為89.4Mpa，地板骨架承擔(dān)最大應(yīng)力。而地板骨架采用材料主要為Q235A，屈服強(qiáng)度為235Mpa。安全系數(shù)在水平彎曲工況下為2.6，強(qiáng)度滿足要求。除地板骨架外，頂骨架、前后圍與側(cè)圍也有部分地方應(yīng)力集中較大。相對(duì)地板骨架外，車身整體安全余量較大，可進(jìn)行輕量化優(yōu)化。

2.2.2 極限扭轉(zhuǎn)工況

當(dāng)客車處于扭轉(zhuǎn)工況時(shí)，即某一個(gè)輪胎處于懸空狀態(tài)，另外一個(gè)與之相對(duì)的輪胎處于抬高狀態(tài)，車身骨架將受到扭矩的作用。而扭轉(zhuǎn)工況中應(yīng)力集中較大的是極限扭轉(zhuǎn)工況。通過實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，當(dāng)客車以較低的速度經(jīng)過顛簸路面時(shí)，其車身會(huì)遭遇極限扭轉(zhuǎn)工況。

（1）右前輪懸空的約束處理。對(duì)左前輪安裝位置處節(jié)點(diǎn)的X，Y，Z方向的3個(gè)平動(dòng)自由度進(jìn)行約束，釋放3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度;釋放右前輪安裝位置節(jié)點(diǎn)的所有自由度;約束后輪安裝位置處節(jié)點(diǎn)的垂直方向自由度，釋放其他自由度。在極限扭轉(zhuǎn)工況下該車身骨架所受最大應(yīng)力為179Mpa，地板骨架的中部、側(cè)圍中部和頂蓋中部承擔(dān)了較大的應(yīng)力。車身骨架所使用材料主要為Q235A，屈服強(qiáng)度為235Mpa。極限扭轉(zhuǎn)工況下安全系數(shù)為1.3，強(qiáng)度滿足要求。

（2）左前輪懸空的約束處理。對(duì)右前輪安裝位置處節(jié)點(diǎn)的X，Y，Z方向的3個(gè)平動(dòng)自由度進(jìn)行約束，釋放3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度;釋放左前輪安裝位置節(jié)點(diǎn)的所有自由度;約束后輪安裝位置處節(jié)點(diǎn)的垂直方向自由度，釋放其他自由度。在極限扭轉(zhuǎn)工況下車身骨架所受的最大應(yīng)力為196Mpa，最大應(yīng)力集中在地板骨架中部，右側(cè)圍中部。車身材料采用Q235A，屈服強(qiáng)度為235Mpa。此工況下安全系數(shù)為1.2，強(qiáng)度滿足要求。

2.2.3 緊急制動(dòng)工況

在緊急制動(dòng)情況下分析客車受地面制動(dòng)力的影響，可以仿真客車在行駛過程中緊急制動(dòng)的狀況。根據(jù)行駛規(guī)定，客車車身骨架在緊急制動(dòng)工況下除了受滿載水平彎曲工況下的載荷外，還需要在客車車身縱向方向施加最大制動(dòng)加速度0.7 g。約束方式與水平彎曲工況一致。在緊急制動(dòng)工況下車身骨架所承受的最大應(yīng)力為87.8 MPa，最大應(yīng)力集中在底架橫梁、側(cè)圍立柱。底架、側(cè)圍和前圍主要采用Q235A，屈服強(qiáng)度235 MPa。安全系數(shù)為3.0，強(qiáng)度滿足要求。

2.2.4 急轉(zhuǎn)彎工況

在急轉(zhuǎn)彎工況下，車身骨架既要承受水平彎曲工況下的載荷，還要考慮因急轉(zhuǎn)彎造成的側(cè)向慣性力?？紤]到慣性力對(duì)車身強(qiáng)度影響較大，因此在車身骨架上施加橫向0.4 g的最大向心加速度。約束方式與水平彎曲工況相同。該車身在水平彎曲工況下的最大應(yīng)力為108 MPa，最大應(yīng)力集中在底架橫梁、側(cè)圍上前后輪與車橋相連接的位置。底架、側(cè)圍材料主要采用Q235A，屈服強(qiáng)度235 MPa。安全系數(shù)為2.17，強(qiáng)度滿足要求。

綜上，整理結(jié)果如表2所示。

3 客車車身骨架的輕量化改進(jìn)方案

3.1 頂骨架改進(jìn)方案

根據(jù)Hyper mesh分析結(jié)果得知，頂骨架最大應(yīng)力出現(xiàn)在極限扭轉(zhuǎn)工況時(shí)的車頂前端，大小為74Mpa，且大多在25Mpa以下，且頂骨架所有材料為Q235，其屈服強(qiáng)度為235Mpa，有較大的強(qiáng)度余量。因此，將4、5、6根橫梁尺寸由40*30*2變?yōu)?0*30*1.5，并去除被選中的位置處縱梁與橫梁。因扭轉(zhuǎn)工況前部變形較大，故縱梁尺寸不變。

3.2 左右側(cè)改進(jìn)方案

左右側(cè)圍的整體應(yīng)力較小，且大部分集中在40～50Mpa，故將下部斜撐梁改為密集處的斜撐梁尺寸由30*30*1.5改為30*20*1.5。最大應(yīng)力出現(xiàn)在扭轉(zhuǎn)工況的側(cè)門處及前后軸處，故在車門橫梁與車頂之間以及前后軸處增加斜撐提高強(qiáng)度。將尾部兩縱梁由40*30/20*1.5改為30*20*1.5，并將末端由縱橫梁改為斜撐梁，在輕量化的同時(shí)可以增大離去角。

3.3 地板骨架及后圍的改進(jìn)方案

地板骨架和后圍的應(yīng)力裕度較大，未出現(xiàn)應(yīng)力集中的情況，故將縱梁截面面積40*40*3改為40*30*2，并將第1、5根縱梁截面面積40*40*3改為40*40*2。

4 改進(jìn)后4種工況的分析

4.1 水平彎曲工況

該車身在水平彎曲工況下最大應(yīng)力為77Mpa，最大應(yīng)力集中在地板骨架與車橋連接處以及門側(cè)立柱。

4.2 極限扭轉(zhuǎn)工況

4.2.1 右前輪懸空工況

該車身在極限扭轉(zhuǎn)右前輪懸空工況下的最大應(yīng)力為170.3Mpa，最大應(yīng)力集中在底架與后圍連接處以及車門立柱。

4.2.2 左前輪懸空工況

該車身在極限扭轉(zhuǎn)左前輪懸空工況下的最大應(yīng)力為181Mpa，較改進(jìn)前196Mpa，強(qiáng)度有所提高。

4.3 緊急制動(dòng)工況

該車身在緊急制動(dòng)工況下最大應(yīng)力為77.5Mpa，最大應(yīng)力集中在車身骨架與車前后橋連接處。

4.4 急轉(zhuǎn)彎工況

該車身在急轉(zhuǎn)彎工況下的最大應(yīng)力為105Mpa，最大應(yīng)力集中在底架橫梁、側(cè)圍上后輪與車橋相連接的位置。

從改進(jìn)的前后對(duì)比來看，該款客車車身骨架在總體質(zhì)量減少了3.956%的前提下，基于有限元分析的4種工況依然滿足要求，而且減少的總質(zhì)量比較理想。整理結(jié)果如表3所示。

5 輕量化前后的質(zhì)量分析

經(jīng)過Hyper work軟件分析，車身頂骨架和地板骨架處梁的改動(dòng)較大，車身左右側(cè)圍、前后圍改進(jìn)較少。改進(jìn)后該款客車車身骨架總體質(zhì)量減少了3.956%。

6 結(jié)語

通過Hyper works 軟件在4種不同工況下對(duì)車身骨架進(jìn)行有限元分析，最終達(dá)到輕量化的目標(biāo)。

（1）在車身骨架建模的過程中，大部分結(jié)構(gòu)采用梁單元、少量結(jié)構(gòu)采用殼單元，大大地提高了工作效率;

（2） 對(duì)有限元模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分中，首先對(duì)整車結(jié)構(gòu)采用指定網(wǎng)格大小進(jìn)行繪制網(wǎng)格，然后針對(duì)性的對(duì)應(yīng)力較大的地方局部細(xì)化，使整車網(wǎng)格質(zhì)量提高，有效地提高了計(jì)算的精度;

（3）建模過程中參照實(shí)車結(jié)構(gòu)，針對(duì)多種變截面梁來模擬真實(shí)車身結(jié)構(gòu)，對(duì)車身上的多數(shù)部件采用集中載荷的方式，提高了模型的精確度。

參考文獻(xiàn)：

[1]任可美.純電動(dòng)城市客車車架有限元分析及輕量化設(shè)計(jì)[D].2018.

[2]吳利鋒.某城市客車驅(qū)動(dòng)橋殼有限元分析與輕量化設(shè)計(jì)[D].2017.

作者簡介：孟慶書（1992-），男，山西靈石人，碩士研究生，初級(jí)，研究方向：客車車身設(shè)計(jì)及有限元分析。