純電動城市客車底盤車架有限元分析及輕量化設(shè)計

任可美，戴作強，鄭莉莉，冷曉偉，廖佩詩

（1.青島大學 機電工程學院，動力集成及儲能系統(tǒng)工程技術(shù)中心，青島 266071；2.青島賽普克有限元科技發(fā)展有限公司，青島 266071）

0 引言

隨著世界自然資源的日益緊俏、人類生活環(huán)境的不斷惡化以及環(huán)境惡化帶給人們的各種反思，人們的環(huán)境保護意識愈來愈強。作為新能源汽車的主要發(fā)展目標，電動汽車以其零排放、節(jié)能效果好等優(yōu)點尤其受到人們矚目，更被喻為“21世紀的綠色環(huán)保汽車”[1]。汽車底盤作為汽車的主要承力件其結(jié)構(gòu)強度與剛度是影響汽車行駛安全性的主要影響因素，而底盤車架的重量占整車重量的很大一部分。在滿足汽車強度與剛度要求的基礎(chǔ)上對汽車底盤車架進行輕量化設(shè)計是汽車輕量化的主要手段之一[2]。研究發(fā)現(xiàn)，汽車重量每減輕10%，消耗的能量就會減少6%～8%[3]而純電動汽車的重量減輕可以增加車載電池的續(xù)航里程，提高汽車的轉(zhuǎn)向靈活性，改善汽車的加速、制動等性能。本文對某純電動城市客車進行靜強度分析并結(jié)合靜強度分析結(jié)果進行輕量化設(shè)計，輕量化效果明顯，這對以后生產(chǎn)加工該車底盤車架具有指導(dǎo)意義。

汽車輕量化的研究一直備受關(guān)注，周亞平[4]等人利用I-DEAS對東風11型內(nèi)燃機車車身進行有限元分析，針對垂直工況對車體進行輕量化設(shè)計，車架質(zhì)量減輕10%；孟慶功等[5]利用ANSYS對某低地板城市客車進行有限元分析，并根據(jù)分析結(jié)果對車架進行輕量化設(shè)計，車架質(zhì)量減輕22%；扶原放等[6]引入可靠性理論對汽車車架進行優(yōu)化設(shè)計；Shin J. K.等[7]利用ULSAB設(shè)計理念結(jié)合拓撲優(yōu)化、尺寸優(yōu)化以及形貌優(yōu)化等對汽車前車門內(nèi)板進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，質(zhì)量減輕8.72%；劉高軍[8]利用Isight集成SolidWorks、ANSYS對某客車進行幾何參數(shù)化和有限元分析，結(jié)合動態(tài)峰值力對車身骨架輕量化分析，質(zhì)量減輕8.84%；張麗霞等[9]基于VB利用ANSYS對某車架進行有限元分析與優(yōu)化，車架質(zhì)量減輕19%；王孟等[10]根據(jù)ANSYS軟件，利用ANSYS語言APDL與圖形界面語言UIDL編程，開發(fā)出車架輕量化設(shè)計系統(tǒng)，并對某車架進行輕量化分析，減重達55%。

本文利用有限元前處理軟件Hypermesh及Optistruct模塊，對某12m純電動城市客車各種工況[11]下的結(jié)構(gòu)靜強度進行分析，得到底盤結(jié)構(gòu)在各種工況下的應(yīng)力與位移云圖，并根據(jù)靜力計算結(jié)果進行參數(shù)化優(yōu)化以達到輕量化目的。

1 12m純電動城市客車建模與簡化

根據(jù)城市客車的二維圖形在三維建模軟件SolidWorks中建立客車的三維模型，將導(dǎo)出的stp格式三維模型導(dǎo)入SpaceClaim軟件中進行簡化處理。由于底盤模型的零件基本都是矩形梁，因此在SpaceClaim中的主要工作是抽取中間面對中面進行簡化處理。將簡化處理完成的模型導(dǎo)入到Hypermesh軟件中進行模型前處理。在Hypermesh中的主要工作是耦合連接各零部件以及對模型劃分單元網(wǎng)格、設(shè)置單元及其屬性等，如圖1所示。

圖1 12m車架有限元模型

2 12m純電動城市客車有限元模型處理

Hypermesh對模型網(wǎng)格要求比較嚴格，網(wǎng)格劃分細膩，要想得到理想網(wǎng)格，需對模型零部件逐個劃分網(wǎng)格。選擇網(wǎng)格尺寸為10mm，劃分完網(wǎng)格的模型網(wǎng)格數(shù)目為600109，節(jié)點數(shù)目為589727。選擇殼單元Pshell，根據(jù)模型各零件厚度賦予零件厚度及材料。車架材料為Q345，材料參數(shù)如表1所示。

表1 Q345材料參數(shù)

3 12m純電動城市客車底盤車架的有限元載荷與邊界條件

3.1 12m純電動城市客車底盤車架有限元載荷

根據(jù)底盤車架在實際工作時的載荷分布情況對客車底盤車架施加載荷與約束?？蛙嚳梢猿惺艿目?cè)藬?shù)為63人（60kg/人），客車整備質(zhì)量13900kg，視為均布載荷?？蛙囌囯姵亟M總電壓544V/容量400Ah，數(shù)量為9塊，其中有四塊大電池包，五塊小電池包，總重2.3噸，可視為均布載荷。電機重980kg，兩只蓄電池額定電壓為24V，重100kg，作為集中力載荷處理。Hypermesh中均布載荷與集中力分別施加在單元與節(jié)點上，因此將上述載荷分別施加在相應(yīng)的單元與節(jié)點上。均布載荷施加在底盤車架的橫縱梁上，如圖2陰影區(qū)域。車載電池包、電機與蓄電池等以集中力載荷施加在相應(yīng)的位置，如圖2虛線框內(nèi)所示。

圖2 底盤車架車載電池包安裝位置及載荷分布

3.2 12m純電動城市客車底盤車架有限元邊界條件

對客車底盤車架進行有限元分析時，可以分為幾個工況進行分析?；竟r有彎曲工況、扭轉(zhuǎn)工況、緊急制動與急轉(zhuǎn)彎工況等。本車懸架是空氣懸架，由于空氣懸架高度控制的特點，空氣懸架的靜撓度在不同載荷下幾乎不變，因此采用剛性支撐代替空氣彈簧[12]。在剛性支撐區(qū)域為避免不應(yīng)該出現(xiàn)的應(yīng)力集中可以在支承點附近進行剛性區(qū)域處理[13]。

3.2.1 彎曲工況

彎曲工況是汽車有限元分析基本分析工況[14]，主要模擬的是客車在滿載情況下勻速直線行駛時的受力情況，取動載系數(shù)2[15]。在滿載情況下，客車載荷主要是車身自重、各總成質(zhì)量以及車身載重等。

邊界條件約束底盤等效懸架處前輪與后輪節(jié)點處x，y，z三個方向的平動自由度，釋放節(jié)點處x，y，z三個方向的轉(zhuǎn)動自由度。

3.2.2 緊急制動工況

緊急制動工況主要模擬的是城市客車在滿載行駛情況下在短時間內(nèi)速度降為0時，車身在慣性力的作用下產(chǎn)生的變形和受力情況，取動載系數(shù)1.5[16]。這里用城市客車最大制動加速度0.6g模擬制動情況[17]。緊急制動工況載荷、邊界條件與彎曲工況一樣，在前進方向x方向上附加-0.6g的慣性力。

3.2.3 急轉(zhuǎn)彎工況

城市客車在緊急轉(zhuǎn)彎時車身由于離心力的作用產(chǎn)生側(cè)向力，采用城市客車最大轉(zhuǎn)向離心力0.4g[18]來模擬急轉(zhuǎn)彎工況，取動載系數(shù)1.3[18]。

急轉(zhuǎn)彎工況與彎曲工況載荷一樣，在轉(zhuǎn)彎一側(cè)加0.4g離心力。邊界條件為約束一側(cè)等效懸架的x、y、z三個方向的平動自由度，釋放另一側(cè)y方向的平動自由度。

3.2.4 扭轉(zhuǎn)工況

扭轉(zhuǎn)工況模擬的是客車在崎嶇不平的路面行駛的時候車身的變形與受力情況，取動載系數(shù)1.3[19]。由于城市客車在城市道路行駛，假設(shè)途中經(jīng)過有12mm凹坑的C級路面[20]。此時一個車輪懸空另一個車輪抬高，施加在車上的扭矩使車身發(fā)生嚴重扭轉(zhuǎn)。扭轉(zhuǎn)工況載荷與彎曲工況處理方式一樣。假設(shè)一發(fā)生扭轉(zhuǎn)時左前輪下沉，此時約束右前輪x、y、z三個方向的平移自由度，釋放轉(zhuǎn)動自由度。釋放左前輪的所有自由度，約束后輪x、y、z的平移自由度。假設(shè)二發(fā)生扭轉(zhuǎn)時右前輪下沉，此時約束左前輪想x、y、z三個方向的的平動自由度，釋放x、y、z轉(zhuǎn)動自由度。釋放右前輪所有自由度，約束后輪x、y、z的平移自由度。

五種工況的動載系數(shù)與邊界條件如表2所示。

4 12m純電動城市客車底盤車架有限元分析結(jié)果

基于以上四種工況，在Hyperworks的Optistruct模塊中對模型進行有限元計算。計算結(jié)果如圖3(a)～圖3(e)所示。

圖3 各工況變形云圖與應(yīng)力云圖

表2 各工況動載系數(shù)與邊界條件

如表3所示，彎曲工況的最大變形為5.34mm發(fā)生在后段車載電池包支架右后方位置，最大應(yīng)力為161Mpa，發(fā)生在后段車載電池包支架與后輪架連接位置。左前輪下沉工況的最大變形為7.7mm，發(fā)生在底盤架左前位置，最大應(yīng)力為171Mpa，發(fā)生在右前輪車架與車架前半部分的連接位置。右前輪下沉工況的最大變形為6.5mm，發(fā)生在車架中部車載電池左側(cè)位置，最大應(yīng)力為167Mpa，發(fā)生在前輪架與中間車載電池包連接支撐位置。緊急制動工況，最大變形為6.16mm，發(fā)生在后段車載電池包支架右后方位置，最大應(yīng)力為162Mpa，發(fā)生在后段車載電池包支架與后輪架連接位置。急轉(zhuǎn)彎工況最大變形為為6.14mm，發(fā)生在左后方電池包安裝位置，最大應(yīng)力為180Mpa，同樣發(fā)生在后段車載電池包支架與后輪架連接位置。

5 純電動城市客車底盤車架參數(shù)化優(yōu)化設(shè)計分析

在對底盤車架靜力分析中，最大應(yīng)力發(fā)生在急轉(zhuǎn)彎工況時，最大應(yīng)力為180Mpa，左前輪下沉工況時最大變形量為7.7mm。車架材料Q345的屈服極限是345Mpa，取安全系數(shù)為1.4，此時底盤最大應(yīng)力為246Mpa，因此底盤車架在剛度與強度等方面均存在較大的可設(shè)計空間，輕量化設(shè)計既可以滿足汽車行駛靈活性，也可以滿足汽車節(jié)能減排的目的。

汽車車架優(yōu)化設(shè)計主要有拓撲優(yōu)化、尺寸（參數(shù)）優(yōu)化以及形狀優(yōu)化等[21]，優(yōu)化設(shè)計的基本三要素為設(shè)計變量、目標函數(shù)與約束條件。設(shè)計變量（v1，v2，…，vn）是優(yōu)化過程中發(fā)生改變而達到優(yōu)化目的的變量；目標函數(shù)f（V）=f（v1，v2，…，vn）就是優(yōu)化目的，是關(guān)于設(shè)計變量的函數(shù)；約束條件（gj（V）、hk（V）、…）是限制設(shè)計變量的條件：

目標函數(shù)：f（V）=f（v1，v2，…，vn）

約束條件：gj（V）≤0 j=1，…，m

表3 各工況應(yīng)力與變形情況

5.1 優(yōu)化

本文采用Optistruct模塊的Optimization命令，對客車底盤模型進行參數(shù)化優(yōu)化設(shè)計。設(shè)計目標函數(shù)f（V）是車架質(zhì)量，約束函數(shù)為車架應(yīng)力以及變形，設(shè)計變量為零件的厚度：Shell_4、Shell_5、Shell_6、Shell_8、Shell_11。本文針對部分殼厚為4mm，5mm，6mm以及11mm的搭接殼進行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計，主要是變形量小、應(yīng)力小的左右兩側(cè)梁以及前后橫梁。如圖4所示，黑色件為變量Shell_4，綠色件為變量Shell_5，紅色件為變量Shell_6，粉色件為變量Shell_8，藍色件為變量Shell_11。模型在急轉(zhuǎn)彎工況時的最大應(yīng)力為180Mpa，將應(yīng)力約束的最大上限值定為200Mpa，最大變形量放寬到10mm。選擇優(yōu)化工況為滿載轉(zhuǎn)彎工況。

圖4 優(yōu)化位置

圖5為最后一步迭代優(yōu)化結(jié)果殼厚云圖。參數(shù)化設(shè)計迭代次數(shù)為8次，迭代前車架質(zhì)量為2.2噸，優(yōu)化后車架質(zhì)量為1.99噸。質(zhì)量減輕9.55%。如表4所示為優(yōu)化前后各設(shè)計變量數(shù)值的比較，表5為優(yōu)化前后各參數(shù)對比。

表4 優(yōu)化前后各設(shè)計變量數(shù)值比較

表5 優(yōu)化前后各參數(shù)對比

圖5 迭代最后一步殼厚云圖

5.2 參數(shù)優(yōu)化設(shè)計結(jié)論分析與對比

根據(jù)客車底盤參數(shù)化優(yōu)化結(jié)果，對優(yōu)化后客車底盤的靜強度進行校核，校核應(yīng)力要求最高的急轉(zhuǎn)彎工況。對客車底盤車架參數(shù)化優(yōu)化后的急轉(zhuǎn)彎工況的最大應(yīng)力變?yōu)?94Mpa，最大變形為6.86mm如圖6所示，均符合底盤鋼Q345的強度要求。

圖6 優(yōu)化后急轉(zhuǎn)彎工況變形與應(yīng)力云圖

6 結(jié)論

本文首先在Hypermesh的Optistruct模塊對12m純電動城市客車底盤進行靜強度分析，最大應(yīng)力為180Mpa，最大位移為7.7mm，符合強度要求。

通過靜強度分析結(jié)果知道，底盤車架一些位置的強度與剛度存在較大余量，因此在滿足靜強度以及變形條件的基礎(chǔ)上對這些部件進行輕量化設(shè)計，如圖4所示，主要包括：

1）底盤車架前段：前段橫梁、斜撐支架、過橋梁、前軸上縱梁等；

2）底盤車架后段：后軸過橋梁，后段車載電池包上支架等。

優(yōu)化后的車架質(zhì)量減輕9.55%，且質(zhì)量減輕后的車架同樣滿足強度與剛度要求，最大應(yīng)力為194Mpa，最大變形量為6.86mm，這對以后生產(chǎn)加工該車底盤車架具有指導(dǎo)意義。

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