某電動客車鉚接鋁車身蒙皮開裂問題的研究

王明慶

(比亞迪汽車工業有限公司汽車工程研究院，深圳 518118)

2016062

某電動客車鉚接鋁車身蒙皮開裂問題的研究

王明慶

(比亞迪汽車工業有限公司汽車工程研究院，深圳 518118)

針對經分析認為是因車身剛度不足導致的某電動客車試制車鉚接鋁合金車身中部乘客門上方蒙皮開裂的問題，通過剛度靈敏度分析，找到對車身剛度影響較大的區域，結合改進方案的可實施性，對車身局部結構進行加強。結果車身彎曲剛度提高11.1%，扭轉剛度提高20.6%。對開裂蒙皮附近接頭受力情況的分析表明，車身加強后接頭滿足強度要求。車身模態分析顯示，加強后車身固有頻率避開了路面激勵頻率，1階彎曲模態和1階扭轉模態的頻率差值避免了它們的耦合。改進后的實車試驗未再出現蒙皮開裂問題，證明了改進方案的有效性，為同類問題的解決提供了理論依據。

電動客車；鋁合金車身；蒙皮開裂；剛度分析；靈敏度分析；模態分析

前言

盡管電動客車具有零排放、零污染和低噪聲等諸多優點，但是整備質量大、續航里程短等缺點卻成為電動客車推廣的技術瓶頸[1-2]，其整備質量比同類型的傳統客車重3t左右[3]，這使電動客車輕量化顯得尤為重要。鋁合金作為新型材料，力學性能好，其密度只有鋼的1/3，耐腐蝕，易回收，吸收沖擊的能力是鋼的2倍，在碰撞方面有明顯優勢[4]。2011年，比亞迪汽車工業有限公司聯合Aluminum Company of America共同開發完成全鋁合金客車車身，車身以鉚接為主、焊接為輔的方式連接，使車身質量比同類傳統鋼車身客車減輕約40%。本文中針對某鉚接鋁合金車身純電動客車試制車蒙皮開裂問題進行研究，提出可行的改進方案，實車驗證證明了改進方案的有效性，為同類問題的解決提供理論依據。

1 蒙皮開裂問題分析

出現蒙皮開裂問題的試制車是一款純電動客車，底盤車架由高強度鋼焊接而成，車身前后圍、左右側圍和頂圍材料均為鋁合金，連接以鉚接為主、焊接為輔。該試制車在進行汽車道路可靠性試驗中，進度完成約40%時中門頂部出現蒙皮開裂問題，開裂位置如圖1橢圓標記處所示。根據路試工程師的描述，在進行可靠性試驗過程中，整車中部抖動較明顯，初步分析認為蒙皮開裂是由車身剛度不足造成的。

圖1 試制車蒙皮開裂位置示意圖

開裂蒙皮附近幾種類型車身鉚接接頭如圖2所示，前期曾對鋁合金車身鉚接接頭和焊接接頭的剛度進行過對比試驗，圖3為接頭試驗示意圖，拉伸速度5mm/min，為避免試驗數據的隨機性，每種接頭重復拉伸試驗2次。

圖2 開裂蒙皮附近車身鉚接接頭

圖3 接頭拉伸試驗示意圖

圖4為接頭拉伸試驗時載荷隨位移的變化曲線，則曲線斜率即為接頭剛度。從圖4中可以看出，鉚接接頭的剛度明顯較焊接接頭剛度差，這也間接說明鉚接車身剛度較焊接車身剛度差，鉚接鋁合金車身可能會存在剛度不足的問題。為此建立整車有限元模型，對整車的彎曲剛度和扭轉剛度進行計算。

圖4 焊接接頭與鉚接接頭載荷隨位移變化曲線

1.1 有限元模型建立

建立有限元模型時，用Hypermesh進行前處理。為方便建模，忽略蒙皮和內外飾件等非主要承載結構，只保留客車骨架等主要承載結構。車架和車身等主要承載結構全部采用殼單元模擬，焊接用剛性桿單元RBE2模擬焊縫，鉚接則在接頭與接觸型材之間分布適當數量的RBE2單元來近似模擬鉚釘連接，車架和車身之間通過牛腿連接。在進行剛度分析時，對整車不加其他載荷，包括空調、電池、玻璃、地板及地板革、儀表臺、控制器、座椅和駕駛員、乘客等質量，但進行強度分析時，則需按實際情況加載。

1.2 邊界條件的施加

1.2.1 彎曲剛度

進行彎曲剛度分析時不考慮重力，分別約束左后輪空氣彈簧安裝座處X，Y和Z方向與右后輪空氣彈簧安裝座處X，Z方向的平動自由度和左前輪空氣彈簧安裝座處Y，Z方向與右前輪空氣彈簧安裝座處Z方向的平動自由度。在前后軸中間位置、Y向坐標為0處設立加載點p。將底盤車架中部的部分點(p點X向坐標前后50mm范圍內的車架縱橫梁上表面的點)用RBE2耦合到加載點p，在p點施加-Z向大小為F=8kN載荷，則彎曲剛度為

C=F/D

(1)

式中：C為彎曲剛度；F為加載載荷；D為加載點Z向位移。

1.2.2 扭轉剛度

進行扭轉剛度分析時不考慮重力，施加扭矩為T=4kN·m的力偶，即在左右前空氣彈簧安裝座處施加大小相等、方向相反的力F，施加力F的數值為

F=T/L

(2)

式中：F為加載載荷；T為施加扭矩；L為前空氣彈簧安裝座之間的距離。

后輪約束參照彎曲剛度工況，另外還須約束車架第一根橫梁中間部位的Z向平動，則扭轉剛度為

C=T/θ

(3)

式中θ為前后軸的軸間角變化量。

1.3 分析結果

將有限元模型提交MSC.Nastran進行計算，在Hyperview中查看分析結果，并計算得到車身的彎曲剛度為8 196.7N/mm，扭轉剛度為25 284.5N·m/(°)，而國產半承載式客車扭轉剛度在20 000～64 000N·m/(°)范圍內[5]，可知本文所研究車型的扭轉剛度處于合理范圍內，但與同類車型相比偏低，這進一步證實之前的猜想。下面通過對車身剛度靈敏度的分析，結合實際工藝的可行性確定車身加強方案。

2 車身剛度靈敏度分析和改進方案的確定

2.1 車身剛度靈敏度分析

通過靈敏度分析可以確定設計變化過程中對結構響應影響的部位[6]。結合考慮對試制車實際修改工藝的可行性，對這些部位進行局部加強，從而提高車身剛度。

以前后軸之間車身頂圍和左右側圍的梁為分析對象，如圖5所示，以梁的初始厚度為初值，設計變量變化范圍為±50%，響應函數為加載點的Z向位移，約束函數將約束定義在一定范圍內，使用MSC.Nastran分別對車身彎曲剛度和扭轉剛度進行靈敏度分析，結果如圖6和圖7所示。

圖5 車身剛度靈敏度分析對象

圖6 彎曲剛度靈敏度

圖7 扭轉剛度靈敏度

圖6和圖7分別為彎曲剛度和扭轉剛度靈敏度分析結果。橫坐標為梁的編號，編號1～33為頂圍中部梁，34～61為左側圍中部梁，62～89為右側圍中部梁。靈敏度正值表示結構響應位移的變化與板件厚度變化具有相同的趨勢，負值表示趨勢相反[7]，并且靈敏度絕對值越大，則對剛度的貢獻越敏感。分析以梁的厚度為設計變量，以加載點Z向位移為響應，Z向位移減小則說明車身剛度增加。根據分析結果，增加靈敏度值為負的梁厚度會減少加載點Z向位移即增加車身剛度，若不改變靈敏度值為負的梁厚度而加強其周圍區域同樣可以增加車身剛度。

從圖6和圖7可以看出，車身的扭轉剛度和彎曲剛度對頂圍梁厚度的變化都不怎么敏感；相對于扭轉剛度，車身彎曲剛度對左側圍梁厚度變化的敏感度較高，說明加強左側圍主要會增加車身的彎曲剛度；而車身彎曲剛度和扭轉剛度對右側梁厚度的變化均較敏感，即加強右側圍可以同時增加車身彎曲剛度和扭轉剛度，這也說明原車的右側圍較薄弱，剛度較差，這是因為右側圍有乘客門所致。根據靈敏度值為負的梁位置，可以分別確定對增加車身彎曲剛度和扭轉剛度作用較大的區域，再結合實際情況確定局部加強的改進方案。

2.2 整改方案的確定

根據圖6和圖7剛度靈敏度的分析結果，結合圖5中標記的靈敏度值為負但絕對值較高的梁編號，確定車身頂圍和左右側圍對提高車身彎曲剛度和扭轉剛度影響較大的區域，考慮改進工藝的可實施性，確定局部加強方案。車身剛度的敏感區域和局部加強方案如圖8中矩形標記處所示。頂圍加強方案為在中門上方增加一Y向橫梁，此時只需將此區域X向縱梁切斷，多余部分切掉，再增加橫梁鉚接即可。左右側圍中盡管Z向貫通的立梁對車身彎曲剛度和扭轉剛度均很敏感，但加強這些立梁較好的方法是增大型材截面或在型材中增加加強筋，這在實際修改時需要重新開發型材，周期較長，更換難度較大，因此選擇其它對車身剛度敏感的區域進行加強，如圖8(b)和圖8(c)所示，分別在圖中標記區域增加斜撐或Z向立梁進行加強，結果如圖8(e)和圖8(f)所示。

對局部加強后的車身進行彎曲剛度和扭轉剛度

圖8 增加車身剛度的敏感區及局部加強方案示意圖

分析，結果如表1所示。改進后的車身彎曲剛度提高了11.1%，扭轉剛度提高了20.6%，而質量只增加了18.4kg，約為整車整備質量的0.15%。研究表明[8]，電動客車續駛里程的增加與減輕質量幾乎呈線性關系，電動客車質量每增加100kg，續駛里程約減少0.55%～0.62%。局部加強的方案只增加18.4kg質量，對整車的續駛里程幾乎沒有影響。

表1 局部加強前后車身彎曲剛度 和扭轉剛度分析結果對比

對車身加強后整車2倍滿載彎曲工況和1.3倍滿載右后輪懸空扭轉工況下開裂蒙皮附近鉚接接頭的受力情況進行分析。整車彎曲工況約束方式參照彎曲剛度的約束方式，右后輪懸空扭轉工況的約束方式在彎曲剛度約束方式的基礎上釋放右后輪空氣彈簧安裝座處Z方向的平動自由度。分析結果如圖9所示。由圖可見，彎曲工況下接頭的最大應力值為64.5MPa，扭轉工況下接頭的最大應力值為91.3MPa，兩種工況下，半固態壓鑄鋁合金接頭的最大應力值均未超過其所用材料A356的抗拉強度270MPa，能滿足強度要求。

圖9 不同工況下開裂蒙皮附近接頭應力云圖

通過以上分析，初步確定改進方案理論上的可行性，下面對加強后的車身進行模態分析，驗證加強后的車身低階固有頻率是否能滿足設計要求。

3 車身自由模態分析

模態分析時，考慮到外部激勵多處于低頻區域，且高階頻率對結構的動力學影響很小，車身骨架一般只需計算較低的幾階頻率[9]。用MSC.Nastran計算加強后車身骨架的自由模態，表2為分析結果中除剛體模態外的車身骨架前6階固有頻率和振型。

目前在高速公路和一般城市較好路面，路面激勵多在1～3Hz之間[10]。從表2可知，車身最低階固有頻率為8.21Hz，加強后車身固有頻率能避開路面激勵頻率，滿足設計要求。另外，車身的1階扭轉和1階彎曲模態頻率相差4Hz左右，能有效避免模態之間的耦合，符合設計要求。這進一步確定了改進方案理論上的可行性。

表2 車身骨架前6階固有頻率和振型

在確定改進方案的可行性后，對實車進行改進。對改進后的試制車繼續進行可靠性試驗，結果整車中部抖動問題明顯減輕，車身蒙皮未再出現開裂，并圓滿完成了其他各項測試，保證了該車型的順利批產。

4 結論

對某鉚接鋁合金車身純電動客車試制車蒙皮開裂問題進行研究，經初步分析確定原因，車身靈敏度分析確定改進方案，車身模態分析確定方案理論可行性，實車改進驗證等一系列步驟，最終在基本不影響整車質量和續駛里程的情況下，解決了試制車蒙皮開裂問題，證明了改進方案的有效性。

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A Research on the Skin Cracking Problem of theRiveted Aluminum Body in an Electric Bus

Wang Mingqing

AutomotiveEngineeringResearchInstitute,BYDAutoIndustryCo.,Ltd.,Shenzhen518118

Aiming at the cracking problem of body skin above the middle passenger door of a trail produced electric bus with riveted aluminum body due to insufficient body stiffness ascertained by analysis, the areas having more effects on body stiffness are located by sensibility analysis, and combined with the realizability of improving scheme, the local structures of bus body are strengthened. As a result, the bending stiffness and torsional stiffness of bus body increase by 11.1% and 20.6% respectively. An analysis on the loading conditions of joints around cracked skin indicates that these joints meet strength requirement after body is strengthened, and a modal analysis show that the natural frequency of bus body is much higher than road excitation frequency, and the frequency difference between 1st order bending mode and 1st order torsion mode avoid their coupling. The skin crack no longer happens in the test on the bus with strengthened body, demonstrating the effectiveness of improving scheme. The study provides a theoretical basis for solving similar problem.

electric bus; aluminum body; skin cracking; stiffness analysis; sensitivity analysis; modal analysis

原稿收到日期為2014年9月11日，修改稿收到日期為2015年2月5日。