純電動(dòng)城市客車全鋁車身骨架輕量化分析

謝閣，何鋒，蔣雪生，王銘昭

（1.550025 貴州省 貴陽市 貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院；2.550025 貴州省 貴陽市 貴州長江汽車有限公司）

0 引言

城市客車的主要承載部件為客車整車骨架，通過整車骨架輕量化可以有效降低純電動(dòng)城市客車的質(zhì)量和電能的消耗，提高續(xù)航能力，從而提升整車性能。

城市客車整車骨架輕量化主要通過輕質(zhì)材料的應(yīng)用[1]、采用輕量化設(shè)計(jì)方法[2]以及輕量化制造工藝[3]來實(shí)現(xiàn)。相關(guān)研究中，張瓊[4]等人對(duì)比分析了高強(qiáng)度鋼結(jié)構(gòu)和鋁合金車身結(jié)構(gòu)在4 種典型工況下的最大位移變化量，其有限元分析中并沒有對(duì)材料的屈服極限進(jìn)行研究；馮遇坤[5]等人針對(duì)客車車身骨架采用鋁合金型材替代鋼制方管的可行性展開研究，但只分析鋁合金型材壁厚與截面尺寸對(duì)結(jié)構(gòu)彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度的影響，不能充分減重；羅賓[6]等人對(duì)鋁合金白車身展開輕量化研究，對(duì)白車身的彎曲剛度與扭轉(zhuǎn)剛度進(jìn)行靈敏度分析，再結(jié)合經(jīng)驗(yàn)對(duì)桿件進(jìn)行設(shè)計(jì)，耗時(shí)且不能充分減重。

本文通過材料更換、結(jié)構(gòu)優(yōu)化[7]以及靈敏度分析[8]，對(duì)純電動(dòng)城市客車整車骨架進(jìn)行輕量化分析[9]，且能滿足整車骨架結(jié)構(gòu)的剛度強(qiáng)度性能。

1 骨架靜力學(xué)分析

1.1 構(gòu)建模型

運(yùn)用UG 構(gòu)建純電動(dòng)城市客車整車骨架結(jié)構(gòu)模型，并將其導(dǎo)入HyperMesh 軟件中進(jìn)行靜力學(xué)分析。該模型采用Q235 為車身骨架材料和Q345為車底骨架材料的封閉環(huán)結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。

圖1 城市客車整車骨架有限元模型Fig.1 Finite element model of urban bus frame

表1 為整車骨架材料屬性。采用殼單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共有901 742 個(gè)模型單元及912 864節(jié)點(diǎn)。

表1 整車骨架材料參數(shù)Tab.1 Material parameters of vehicle frame

1.2 載荷處理

該純電動(dòng)城市客車主要承受的載荷包括側(cè)窗玻璃、車門、座椅、電池組、駕駛員以及乘客等。將玻璃、車門、電池組等載荷以平均質(zhì)量單元均勻施加在整車骨架結(jié)構(gòu)上，載荷質(zhì)量分布如表2所示。

表2 載荷質(zhì)量分布Tab.2 Load mass distribution

1.3 靜力學(xué)分析

在左極限扭轉(zhuǎn)工況下對(duì)城市客車整車骨架進(jìn)行靜力學(xué)分析，約束條件及載荷如表3 所示。F，R 表示前、后；A，B 表示左、右輪胎；1，2，3表示的是X，Y，Z 移動(dòng)方向。在該模型Y 向施加-1g 的重力加速度。

表3 左極限扭轉(zhuǎn)工況的約束及載荷Tab.3 Constraints and loads of left ultimate torsion

通過Optistruct 分析，獲得城市客車整車骨架的位移、應(yīng)力分布，顯示采用封閉環(huán)車身骨架結(jié)構(gòu)受力均勻、承載能力強(qiáng)以及彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度較好。由圖2 所知，該工況下的最大位移值為4.917 mm，出現(xiàn)在左前輪的位置，因左前側(cè)車輪處于懸空狀態(tài)，車身承受較大扭矩，巨大的扭轉(zhuǎn)作用造成了車架變形。

圖2 左極限扭轉(zhuǎn)工況下位移分布圖Fig.2 Displacement distribution under left ultimate torsion condition

由圖3 所知，該工況下的應(yīng)力變化量最大為304.1 MPa，最大應(yīng)力發(fā)生的位置在車底骨架和后座的交界處，此處座椅連接密集，乘客比較集中，且靠近電池組。

圖3 左極限扭轉(zhuǎn)工況下最大應(yīng)力放大圖Fig.3 Enlarged view of maximum stress under left ultimate torsion condition

2 整車骨架輕量化分析

2.1 車身骨架材料更換

將純電動(dòng)城市客車車身骨架材料更換成鋁合金6061，且不改變車底骨架的材料，并進(jìn)行靜力學(xué)分析，材料屬性如表4 所示。圖4、圖5 分別為位移分布圖和最大應(yīng)力分布圖。最大位移值有小幅度的提升，最大應(yīng)力處的位置與圖3 相同，但應(yīng)力最大變化量為366.5 MPa，不滿足車底骨架的屈服極限，當(dāng)超過極限應(yīng)力值時(shí)，骨架將會(huì)塑性變形。下一步對(duì)車底骨架進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，降低最大應(yīng)力值，減少應(yīng)力集中。

表4 鋁合金6061 性能指標(biāo)Tab.4 Performance index of aluminum alloy 6061

圖4 材料更換后位移分布圖Fig.4 Displacement distribution after material replacement

圖5 材料更換后最大應(yīng)力放大圖Fig.5 Enlarged drawing of maximum stress after material replacement

2.2 車底骨架結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)上述靜態(tài)分析的結(jié)果，在最大應(yīng)力處添加應(yīng)力分量以優(yōu)化車底骨架的結(jié)構(gòu)。圖6 示出了優(yōu)化前后的車底骨架的結(jié)構(gòu)。

圖6 優(yōu)化前后車底骨架結(jié)構(gòu)對(duì)比Fig.6 Comparison of chassis framework structure before and after optimization

2.3 基于靈敏度分析的尺寸優(yōu)化

為進(jìn)一步提高整車骨架的剛強(qiáng)度性能，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基礎(chǔ)上采用靈敏度分析的方法對(duì)模型桿件進(jìn)行尺寸優(yōu)化。以該模型桿件作為設(shè)計(jì)變量，設(shè)置剛度約束，最小體積為目標(biāo)函數(shù)，根據(jù)靈敏度分析結(jié)果選取對(duì)結(jié)構(gòu)性能影響度低但對(duì)減重影響度高的模型桿件作為尺寸優(yōu)化的設(shè)計(jì)變量。

對(duì)城市客車整車骨架桿件進(jìn)行靈敏度分析。桿件的厚度X={ x1，x2，…，xn}，最小總體積Vol(X)作為目標(biāo)函數(shù)，車身剛度的狀態(tài)量gk(X)作為約束條件，則優(yōu)化模型為

對(duì)于一個(gè)響應(yīng)，可以用單元響應(yīng)和設(shè)計(jì)變量的函數(shù)關(guān)系式給出

特定響應(yīng)r 相對(duì)于設(shè)計(jì)變量x 的變化量稱為設(shè)計(jì)靈敏度系數(shù)。

對(duì)于靈敏度系數(shù)的求解，通常有2 種方法:直接法和伴隨矩陣法。對(duì)于直接法，響應(yīng)相對(duì)于設(shè)計(jì)變量改變的靈敏度通過1 階差分近似為

將有限元分析以通用形式可以列為

式中：S——用于靜態(tài)分析的剛度矩陣K 以及S=-ω2M+iωB+K（用于頻率響應(yīng)分析）。

式（5）的導(dǎo)數(shù)形式：

伴隨矩陣法利用式（7）

將靈敏度系數(shù)計(jì)算式替代為

通過Optistruct 求解器10 次迭代后，得出響應(yīng)函數(shù)與設(shè)計(jì)變量之間的偏導(dǎo)，其中體積與扭轉(zhuǎn)柔度對(duì)靈敏度影響最大。圖7 為優(yōu)化前后的加速度響應(yīng)曲線。優(yōu)化后的加速度響應(yīng)曲線明顯降低，平均值由5.30E+03 降低至3.37E+03，方差由1.07E+08 降低至9.00E+06。

圖7 優(yōu)化前后響應(yīng)曲線對(duì)比Fig.7 Comparison of response curves before and after optimization

表5 為參數(shù)優(yōu)化后的結(jié)果。扭轉(zhuǎn)柔度對(duì)厚度靈敏度為正值時(shí)，則體現(xiàn)出該組桿件中體積對(duì)原厚度靈敏度值較小應(yīng)增加其厚度，反之，則減少其厚度。厚度的選取符合材料的國家標(biāo)準(zhǔn)，并根據(jù)表中的兩個(gè)靈敏度值合理地分配桿件的厚度。

表5 設(shè)計(jì)變量優(yōu)化結(jié)果Tab.5 Optimization results of design variables

2.4 骨架優(yōu)化結(jié)果分析

通過對(duì)左極限扭轉(zhuǎn)工況的驗(yàn)算，對(duì)比優(yōu)化前后的城市客車骨架性能特點(diǎn)，驗(yàn)證優(yōu)化方案的可行性，結(jié)果見表6。優(yōu)化后的城市客車骨架質(zhì)量從1 936 kg 降低到1 334 kg；最大位移量從4.917 mm 降低到4.553 mm；車底骨架最大應(yīng)力從304.1 MPa 增加到332.9 MPa；車身最大應(yīng)力從91.7 MPa 降低到107.4 MPa，優(yōu)化后的質(zhì)量明顯減少，最大位移變化量有所減少，整車骨架剛強(qiáng)度均滿足要求，輕量化效果顯著。

表6 優(yōu)化前后骨架性能對(duì)比Tab.6 Comparison of skeleton performance before and after optimization

3 結(jié)論

通過材料更換、結(jié)構(gòu)優(yōu)化與靈敏度分析對(duì)純電動(dòng)城市客車整車骨架進(jìn)行輕量化分析，結(jié)論如下：

（1）通過材料更換與結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)高密度區(qū)域和應(yīng)力集中的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，增加受力部件，消除應(yīng)力集中。

（2）根據(jù)靈敏度分析結(jié)果優(yōu)化桿件尺寸，純電動(dòng)城市客車整車骨架質(zhì)量減少31.09%，最大位移量減少7.40%，優(yōu)化效果顯著。