純電動(dòng)城市客車底盤車架有限元分析及輕量化設(shè)計(jì)

任可美，戴作強(qiáng)，鄭莉莉，冷曉偉，廖佩詩(shī)

（1.青島大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，動(dòng)力集成及儲(chǔ)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(hù)意識(shí)愈來愈強(qiáng)。作為新能源汽車的主要發(fā)展目標(biāo)，電動(dòng)汽車以其零排放、節(jié)能效果好等優(yōu)點(diǎn)尤其受到人們矚目，更被喻為“21世紀(jì)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(qiáng)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(qiáng)度與剛度要求的基礎(chǔ)上對(duì)汽車底盤車架進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)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(huì)減少6%～8%[3]而純電動(dòng)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(dòng)等性能。本文對(duì)某純電動(dòng)城市客車進(jìn)行靜強(qiáng)度分析并結(jié)合靜強(qiáng)度分析結(jié)果進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，輕量化效果明顯，這對(duì)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(duì)東風(fēng)11型內(nèi)燃機(jī)車車身進(jìn)行有限元分析，針對(duì)垂直工況對(duì)車體進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，車架質(zhì)量減輕10%；孟慶功等[5]利用ANSYS對(duì)某低地板城市客車進(jìn)行有限元分析，并根據(jù)分析結(jié)果對(duì)車架進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，車架質(zhì)量減輕22%；扶原放等[6]引入可靠性理論對(duì)汽車車架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；Shin J. K.等[7]利用ULSAB設(shè)計(jì)理念結(jié)合拓?fù)鋬?yōu)化、尺寸優(yōu)化以及形貌優(yōu)化等對(duì)汽車前車門內(nèi)板進(jìn)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(duì)某客車進(jìn)行幾何參數(shù)化和有限元分析，結(jié)合動(dòng)態(tài)峰值力對(duì)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(duì)某車架進(jìn)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(jì)系統(tǒng)，并對(duì)某車架進(jìn)行輕量化分析，減重達(dá)55%。

本文利用有限元前處理軟件Hypermesh及Optistruct模塊，對(duì)某12m純電動(dòng)城市客車各種工況[11]下的結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度進(jìn)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(jì)算結(jié)果進(jìn)行參數(shù)化優(yōu)化以達(dá)到輕量化目的。

1 12m純電動(dòng)城市客車建模與簡(jiǎn)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(jìn)行簡(jiǎn)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(duì)中面進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。將簡(jiǎn)化處理完成的模型導(dǎo)入到Hypermesh軟件中進(jìn)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(duì)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(dòng)城市客車有限元模型處理

Hypermesh對(duì)模型網(wǎng)格要求比較嚴(yán)格，網(wǎng)格劃分細(xì)膩，要想得到理想網(wǎng)格，需對(duì)模型零部件逐個(gè)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(diǎn)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(dòng)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(dòng)城市客車底盤車架有限元載荷

根據(jù)底盤車架在實(shí)際工作時(shí)的載荷分布情況對(duì)客車底盤車架施加載荷與約束。客車可以承受的總?cè)藬?shù)為63人（60kg/人），客車整備質(zhì)量13900kg，視為均布載荷。客車整車電池組總電壓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(jī)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(diǎn)上，因此將上述載荷分別施加在相應(yīng)的單元與節(jié)點(diǎn)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(jī)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(dòng)城市客車底盤車架有限元邊界條件

對(duì)客車底盤車架進(jìn)行有限元分析時(shí)，可以分為幾個(gè)工況進(jìn)行分析。基本工況有彎曲工況、扭轉(zhuǎn)工況、緊急制動(dòng)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(diǎn)，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?yàn)楸苊獠粦?yīng)該出現(xiàn)的應(yīng)力集中可以在支承點(diǎn)附近進(jìn)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(shí)的受力情況，取動(dòng)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(diǎn)處x，y，z三個(gè)方向的平動(dòng)自由度，釋放節(jié)點(diǎn)處x，y，z三個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。

3.2.2 緊急制動(dòng)工況

緊急制動(dòng)工況主要模擬的是城市客車在滿載行駛情況下在短時(shí)間內(nèi)速度降為0時(shí)，車身在慣性力的作用下產(chǎn)生的變形和受力情況，取動(dòng)載系數(shù)1.5[16]。這里用城市客車最大制動(dòng)加速度0.6g模擬制動(dòng)情況[17]。緊急制動(dòng)工況載荷、邊界條件與彎曲工況一樣，在前進(jìn)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(shí)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(dòng)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(gè)方向的平動(dòng)自由度，釋放另一側(cè)y方向的平動(dòng)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(shí)候車身的變形與受力情況，取動(dòng)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(jí)路面[20]。此時(shí)一個(gè)車輪懸空另一個(gè)車輪抬高，施加在車上的扭矩使車身發(fā)生嚴(yán)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(shí)左前輪下沉，此時(shí)約束右前輪x、y、z三個(gè)方向的平移自由度，釋放轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí)右前輪下沉，此時(shí)約束左前輪想x、y、z三個(gè)方向的的平動(dòng)自由度，釋放x、y、z轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)載系數(shù)與邊界條件如表2所示。

4 12m純電動(dòng)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(duì)模型進(jìn)行有限元計(jì)算。計(jì)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(dòng)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(dòng)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(dòng)城市客車底盤車架參數(shù)化優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

在對(duì)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(shí)，最大應(yīng)力為180Mpa，左前輪下沉工況時(shí)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(shí)底盤最大應(yīng)力為246Mpa，因此底盤車架在剛度與強(qiáng)度等方面均存在較大的可設(shè)計(jì)空間，輕量化設(shè)計(jì)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(jì)主要有拓?fù)鋬?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(jì)的基本三要素為設(shè)計(jì)變量、目標(biāo)函數(shù)與約束條件。設(shè)計(jì)變量（v1，v2，…，vn）是優(yōu)化過程中發(fā)生改變而達(dá)到優(yōu)化目的的變量；目標(biāo)函數(shù)f（V）=f（v1，v2，…，vn）就是優(yōu)化目的，是關(guān)于設(shè)計(jì)變量的函數(shù)；約束條件（gj（V）、hk（V）、…）是限制設(shè)計(jì)變量的條件：

目標(biāo)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(duì)客車底盤模型進(jìn)行參數(shù)化優(yōu)化設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)目標(biāo)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(jì)變量為零件的厚度：Shell_4、Shell_5、Shell_6、Shell_8、Shell_11。本文針對(duì)部分殼厚為4mm，5mm，6mm以及11mm的搭接殼進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(lán)色件為變量Shell_11。模型在急轉(zhuǎn)彎工況時(shí)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(jì)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(jì)變量數(shù)值的比較，表5為優(yōu)化前后各參數(shù)對(duì)比。

表4 優(yōu)化前后各設(shè)計(jì)變量數(shù)值比較

表5 優(yōu)化前后各參數(shù)對(duì)比

圖5 迭代最后一步殼厚云圖

5.2 參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)論分析與對(duì)比

根據(jù)客車底盤參數(shù)化優(yōu)化結(jié)果，對(duì)優(yōu)化后客車底盤的靜強(qiáng)度進(jìn)行校核，校核應(yīng)力要求最高的急轉(zhuǎn)彎工況。對(duì)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(qiáng)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(duì)12m純電動(dòng)城市客車底盤進(jìn)行靜強(qiáng)度分析，最大應(yīng)力為180Mpa，最大位移為7.7mm，符合強(qiáng)度要求。

通過靜強(qiáng)度分析結(jié)果知道，底盤車架一些位置的強(qiáng)度與剛度存在較大余量，因此在滿足靜強(qiáng)度以及變形條件的基礎(chǔ)上對(duì)這些部件進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，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(qiáng)度與剛度要求，最大應(yīng)力為194Mpa，最大變形量為6.86mm，這對(duì)以后生產(chǎn)加工該車底盤車架具有指導(dǎo)意義。

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