純電動公交車車身骨架結構模態和強度有限元分析

王滿光

摘 要：建立了純電動公交車車身骨架結構的有限元模型，用HyperMesh進行前處理，生成計算輸入文件，用ABAQUS進行了自由模態分析和靜強度分析計算。提取了前十階固有陣型和頻率；得到了極限彎曲工況、極限扭轉工況、緊急制動工況和急轉彎工況等4個標準工況的強度結果。找到了應力集中的位置，分析了應力集中的原因，給出了改進方法，最終使結構滿足了使用要求。

關鍵詞：純電動客車，車身骨架，有限元，模態分析，強度分析

隨著人們對環境問題的日益重視，以及國家政策的支持，越來越多的公交客車使用電能來作為驅動力。純電動客車有零排放、噪聲小、行駛穩定性高等優點。但由于純電動客車的動力電池技術還沒有發展的很完美，為了達到必要的行駛里程，必須安裝足夠的電池箱。這造成了車上的電池箱數量多，質量重，提高了對骨架結構的設計要求。通過有限元分析的方法對車身骨架結構進行分析，可以指導設計，優化結構，縮短研發周期，降低研發成本。

1 車身骨架結構有限元模型建立

1.1 幾何處理

本項目主要研究車身骨架結構，其為全承載式車身，骨架全部為矩管型鋼材相互焊接而成，部分位置有鋼板作為加強板。忽略小尺寸結構，比如小孔、倒圓角等[1]；忽略非承載構件，比如擋風玻璃、支架等；忽略車身蒙皮。

1.2 單元選擇

當結構一個方向的尺度（厚度）遠小于其他方向的尺度，并忽略沿厚度方向的應力時，用殼單元模擬計算可以得到很精確的結果[2]。本項目車身骨架主要為矩管，其厚度小于截面結構尺寸的1/10， 非常適合用殼單元進行模擬，所以采用四邊形殼單元（S4）進行網格劃分，在結構復雜處采用三角形殼單元（S3）進行過渡。矩管之間的焊接采用節點重合和剛性連接的方式模擬。載荷設置成質量單元，用rbe3單元連接在車身相應位置。

1.3 材料參數

車身材料主要為Q235鋼和為Q345鋼。統一量綱后的鋼材計算參數：彈性模量2.1E5MPa，泊松比0.3，密度7.85E-9T/mm3，重力加速度9800N/T。

Q235鋼，屈服極限235MPa；Q345鋼，屈服極限345MPa。

1.4 載荷施加

載荷有車上各種設備、車身附件、乘客、車身自重等。

2 骨架結構自由模態分析

客車在行駛過程中，往往會受到各種外部激勵的作用而產生振動，如果激勵源的振動頻率與車身整體或局部結構的固有頻率接近或相同，就會產生共振現象。共振會帶來巨大的噪音、破壞車身結構[3]。所以本項目對車身的固有頻率進行了分析，來查看其能否避開外界激勵源的頻率。

提取了除剛體模態外的前十階陣型和頻率，頻率如表1所示。

前四階陣型圖如圖2。

前十階頻率在8-22Hz之間，整體結構不會產生受激共振的現象。但在第四階之后頂蓋后懸位置的U型埋板振幅相對整車其它結構過大，需要改進。

3 骨架結構靜強度分析

公交車在實際運行中的受力情況十分復雜。行駛中有路況較好的平直路面，有比較坑洼的路面，有轉彎的情況，有緊急剎車的時候。通常把各種情況簡化為4種標準的工況，分別為極限彎曲工況、極限扭轉工況、急轉彎工況和緊急制動工況。極限彎曲工況模擬車輛在平直路面快速行駛的情況，此時車輛只受豎向重力作用，動載系數取2.5。極限扭轉工況模擬車輛在坑洼路面慢速行駛的情況，此時會有車輪懸空的情況出現，只受豎向重力作用，動載系數取1.5。急轉彎工況摸擬急轉彎的情況，此時車輛除了受豎向重力作用，還受轉彎離心力的作用，豎向動載系數取1.5，離心力加速度取0.4g。緊急剎車工況模擬急剎車的情況，此時此時車輛除了受豎向重力作用，還受行駛方向的慣性力作用，豎向動載系數取1.5，慣性力加速度取0.7g[3][4]。

4種工況分析的應力云圖如圖3所示。

各工況最大應力如表2所示。

由計算結果可知，在極限彎曲工況和極限扭轉工況下結構的最大應力超出了材料屈服極限，需要對結構進行改進，主要就是前懸架與底架中部連接位置的橫梁。通過分析知道，這個位置之所以應力過大，是斜撐尺寸小了一些，支撐位置不合理，直接撐在了此橫梁受力面的中間，沒有利用好矩管結構的受力特性。所以我們的改進方法為，加大了斜撐的尺寸，調整支撐位置，在橫梁受力面上加焊加強板。改進之后，再次計算，應力減到了345MPa之下，滿足了強度要求。

4 結語

本項目建立了純電動公交車車身骨架結構的有限元模型，進行了自由模態分析和4種標準工況下的靜強度分析。

通過自由模態分析，提取了前十階的固有陣型和頻率，頻率在8-22Hz之間，避開了地面激勵頻率和電機激勵頻率，車輛整體結構在正常行駛時不會產生共振現象。

通過靜強度分析，發現了結構應力集中的位置。分析了應力集中的原因，給出了改進方法，使結構滿足了強度要求。

參考文獻：

[1]王鈺棟，金磊，洪清泉，等編著. HyperMesh & HyperView應用技巧與高級實例[M].北京：機械工業出版社，2012.

[2]莊茁，由小川，等編著.基于ABAQUS的有限元分析和應用[M].北京：清華大學出版社2009.

[3]王青泉.基于HyperMesh的大客車車身骨架有限元分析[D].西安：長安大學，2013.

[4]楊路.基于FEM的某電動客車車身骨架靜態結構分析[J].小型內燃機與車輛技術，2015，44（1）：36-41.