鉸接式電動公交客車車身骨架的有限元分析*

王順 馮國勝 周凱 李龍 王?；?/p>

（1.石家莊鐵道大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院；2.石家莊中博汽車有限公司）

鉸接式公交車的特點為雙節(jié)或多節(jié)車身，中間以鉸接系統(tǒng)相連并滿足前后車身的相對運動。它主要應(yīng)用于快速公交系統(tǒng)（BRT），具有速度快、容量高和成本低等優(yōu)點，該種車型不僅可以為北上廣等一線城市舒緩交通壓力[1]，而且適用于中小城市的大運量地帶。文章研究的鉸接客車為純電動車輛，全承載式車身骨架，封閉環(huán)結(jié)構(gòu)。與非承載式和半承載式骨架相比，全承載式骨架的靜態(tài)強度直接影響著大客車的使用性能與安全性[2]。通過SolidWorks 軟件和有限元軟件ANSYS Workbench 對客車車身骨架進(jìn)行靜力學(xué)分析，可以檢驗結(jié)構(gòu)設(shè)計是否合理，為后續(xù)結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供理論依據(jù)。

1 車身骨架有限元建模

1.1 幾何建模

研究對象為某純電動鉸接城市客車，分為前后2段車身，中間由鉸接系統(tǒng)相連。整車尺寸為18 000 mm×2 550 mm×3 350 mm，軸數(shù)為3，整備質(zhì)量為18 400 kg，額定載客147 人。首先根據(jù)二維圖紙在SolidWorks 中建立其三維骨架模型，在建模過程中注意模型的簡化。簡化的基本原則為：在不影響原模型力學(xué)性能的前提下，盡可能使其結(jié)構(gòu)簡單，如忽略非承載構(gòu)件、略去模型小孔等。將整車骨架每一部分總成作為一個part 進(jìn)行裝配，確定整車模型無干涉后，最終完成三維數(shù)字化建模工作。

1.2 模型處理及網(wǎng)格劃分

SolidWorks 提供了ANSYS Workbench 的傳輸接口，利用接口可以高效地傳輸數(shù)據(jù)文件，并保證數(shù)據(jù)的完整性。文章利用軟件接口將幾何模型直接導(dǎo)入ANSYS Workbench18.0 靜態(tài)分析模塊，并在Design Modeler 界面下對除鉸接盤外的矩形鋼管組成的骨架抽取中面，目的是將骨架中默認(rèn)的實體單元改變?yōu)榘鍤卧?。鉸接盤部分由于其結(jié)構(gòu)特殊性不做處理，按實體單元默認(rèn)劃分網(wǎng)格。

對抽取中面產(chǎn)生的SHELL181 與SOLID186（SOLID187） 單元使用MPC 接觸算法進(jìn)行連接。ANSYS Workbench 使用覆蓋于接口處實體單元表面的目標(biāo)單元和依附于殼單元邊界的接觸單元來確定MPC 算法，從而解決不同類型單元自由度不協(xié)調(diào)的問題[3]。綜合考慮求解精度與效率的問題，將整車網(wǎng)格尺寸控制在20 mm，最終建立殼實體混合的車身骨架有限元模型，其單元數(shù)為500 372，節(jié)點數(shù)為442 827，Element Quality 的平均值為0.91。鉸接盤以及整車有限元模型，如圖1 和圖2 所示。

圖2 鉸接式電動客車整車有限元模型

1.3 載荷施加及材料定義

鉸接客車在運行過程中主要承受內(nèi)載和外載兩方面的載荷。內(nèi)載即自重，該部分載荷通過定義材料屬性以及重力加速度后，可由軟件計算得出；外載按施加方式分為2 種：一種為均布載荷，如動力電池、空調(diào)等，另一種為集中載荷，如乘客、座椅等。本車具體外載，如表1 所示。

表1 鉸接式電動客車全車外載荷 kg

車身全部采用Q235 材質(zhì)，底架采用強度更高的Q345 材質(zhì)，2 種材料的屬性，如表2 所示。

表2 鉸接式電動客車車身材料屬性

2 車身骨架有限元分析

2.1 工況確定

為全面掌握鉸接客車的使用性能以及安全性，參考GB/T 6792—2009《客車車身骨架應(yīng)力和形變測量方法》[4]與GB/T 13043—2006《客車定型試驗規(guī)程》[5]，選用水平彎曲、扭轉(zhuǎn)、緊急制動和急轉(zhuǎn)彎4 種典型工況對純電動鉸接公交車進(jìn)行靜態(tài)特性分析。

2.2 水平彎曲

水平彎曲工況是車輛在行駛過程中最常見的一種工況，主要模擬客車在滿載且輪胎全部著地狀態(tài)下，在良好路面進(jìn)行勻速直線行駛[6]，主要承受自重及表1 中所有載荷。邊界條件為：約束6 個車輪與懸架連接處的自由度Uz，約束左前輪、右中輪和左后輪與懸架連接處自由度Ux，并約束剩余3 個車輪與懸架連接處自由度Uy，共約束6Uz，3Ux，3Uy[7]。

通過計算，在水平彎曲工況下車身骨架的最大應(yīng)力為240.90 MPa，位于右前輪懸架總成上立柱；最大變形為9.22 mm，位于后段車架總成，此處承載動力電池，如圖3 和圖4 所示。

圖3 鉸接式電動客車車身骨架水平彎曲工況應(yīng)力云圖

圖4 鉸接式電動客車車身骨架水平彎曲工況位移云圖

2.3 極限扭轉(zhuǎn)

極限扭轉(zhuǎn)工況是車輛在行駛過程中遇到的惡劣工況，主要模擬客車在崎嶇不平的路面行駛，某一輪懸空的行駛環(huán)境，所受載荷同水平彎曲工況。邊界條件為：在水平彎曲工況的基礎(chǔ)上，釋放中間左輪自由度Uz，共約束5Uz，3Ux，3Uy。

通過計算，在極限扭轉(zhuǎn)工況下車身骨架的最大應(yīng)力為269.20 MPa，位于左前輪懸架上方輪罩與立柱連接處；最大變形為11.15 mm，位于前段車架頂蓋偏左空調(diào)安裝處，如圖5 和圖6 所示。

圖5 鉸接式電動客車車身骨架極限扭轉(zhuǎn)工況應(yīng)力云圖

圖6 鉸接式電動客車車身骨架極限扭轉(zhuǎn)工況位移云圖

2.4 緊急制動

緊急制動工況研究的是公交車輛在行駛過程中緊急制動，需要考慮縱向制動力的工況。該工況下所受載荷在水平彎曲的基礎(chǔ)上，在縱向方向上施加0.7g 的加速度。邊界條件同水平彎曲工況。

通過計算，在緊急制動工況下車身骨架的最大應(yīng)力為255.99 MPa，位于前段車架后懸總成與鉸接系統(tǒng)連接處；最大變形為8.23 mm，位于前段車架頂蓋空調(diào)安裝處，如圖7 和圖8 所示。

圖7 鉸接式電動客車車身骨架緊急制動工況應(yīng)力云圖

圖8 鉸接式電動客車車身骨架緊急制動工況位移云圖

2.5 緊急轉(zhuǎn)彎

轉(zhuǎn)彎工況是車輛在行駛過程中比較常見的一種工況。該工況下所受載荷在水平彎曲的基礎(chǔ)上，在Y 軸正向上施加0.4g 的加速度（按右轉(zhuǎn)彎計算）。邊界條件同水平彎曲工況。

通過計算，在緊急轉(zhuǎn)彎工況下車身骨架的最大應(yīng)力為215.27 MPa，位于左前輪懸架上方輪罩與立柱連接處；最大變形為9.41 mm，位于后段車架總成，此處承載動力電池，如圖9 和圖10 所示。

圖9 鉸接式電動客車車身骨架緊急轉(zhuǎn)彎工況應(yīng)力云圖

圖10 鉸接式電動客車車身骨架緊急轉(zhuǎn)彎工況位移云圖

3 不同連接工藝的分析對比

3.1 焊接與鉚接的區(qū)別

原客車為承載式車身，骨架由矩形鋼管拼裝而成，整體應(yīng)用焊接連接工藝。焊接是一種需要通過加熱的方式結(jié)合金屬的技術(shù)，具有材料節(jié)省、工序簡單、成本低及質(zhì)量輕等優(yōu)點，但工藝質(zhì)量難以檢查。由于金屬力學(xué)性能的差異，異種材料的焊接很難獲得足夠的連接強度[8]。鉚接可適用于異種材料的連接（如底架為鋼材，車身為鋁型材），質(zhì)量檢查簡單方便，從車身材料輕量化的角度來說具有得天獨厚的優(yōu)勢。

3.2 Spot Weld 模擬焊接

前文有限元模型焊接模擬采用了節(jié)點耦合的方式，并未考慮使用焊接單元。為使模型更加接近物理實體，選取水平彎曲工況下的最高應(yīng)力位置和后段車架側(cè)圍某處的連接位置，使用ANSYS Workbench 提供的Spot Weld 替代共節(jié)點的連接方式重新建模，其中最大應(yīng)力位置以Spot Weld 模擬焊接的局部模型，如圖11所示，整車強度求解結(jié)果，如圖12 所示。

圖11 鉸接式電動客車最大應(yīng)力位置焊接模型

圖12 焊接工藝車身骨架強度分析結(jié)果顯示界面

3.3 Beam模擬鉚接

針對鉚接的有限元分析，可采用Beam188 或者實體單元進(jìn)行計算，兩者結(jié)果只存在細(xì)微差別[9]。在AWE環(huán)境下，重新回到Design Modeler 對模型進(jìn)行修改，然后使用Connections 中的Beam 工具選取鉚釘下壓面，對兩構(gòu)件進(jìn)行連接。最大應(yīng)力位置以Beam188 單元模擬鉚接的局部模型，如圖13 所示，整車強度求解結(jié)果，如圖14 所示。

圖13 鉸接式電動客車最大應(yīng)力位置鉚接模型

圖14 鉚接工藝車身骨架強度分析結(jié)果顯示界面

3.4 有限元分析結(jié)果對比

3 種連接方式的計算結(jié)果，如表3 所示，其中水平彎曲工況下最大應(yīng)力位置記為A，后段車架側(cè)圍某連接處位置記為B。

表3 3種連接方式的車身最大應(yīng)力有限元結(jié)果 MPa

從表3 中可以看出，以Spot Weld 代替共節(jié)點方式模擬焊接得到的應(yīng)力變化稍有增大，從側(cè)面表明了共節(jié)點的方式可以較為精確地替代焊接單元。以鉚接的方式建立的有限元模型與共節(jié)點方式相比，兩處應(yīng)力值均變大，最大應(yīng)力達(dá)到了293.14 MPa，上升21.69%，而B 處的應(yīng)力也從123.68 MPa 增加到148.81 MPa，上升20.32%。

4 結(jié)論

通過對某鉸接式電動客車車身骨架4 種工況的有限元分析，獲得了整車應(yīng)力分布云圖，為后續(xù)優(yōu)化提供了參考。各工況最大應(yīng)力位置均出現(xiàn)于底架，其中極限扭轉(zhuǎn)工況為最危險工況，最大應(yīng)力值為269.2 MPa，對于Q345 的屈服強度來說，小于其屈服強度，安全系數(shù)為1.3，最大變形為11.15 mm。計算結(jié)果表明，該車車身骨架強度與剛度性能滿足要求。

對水平彎曲工況2 處位置的鋼架連接方式重新建立了模型，有限元仿真結(jié)果表明，共節(jié)點的方式可以較為精確地替代焊接單元，而鉚接工藝相對于焊接會使車身結(jié)構(gòu)的強度降低20%左右。