8 米新能源公交客車整車仿真分析及優化

王鵬，王衛，李長松

（北京北方華德尼奧普蘭客車有限公司，北京 100072）

1 引言

新能源客車的安全性不言而喻，整車結構的疲勞特性和剛強度特性是考量一個客車產品安全性的一個重要指標，傳統的通過反復試驗，反復進行方案修改的手段已經遠遠落后行業發展的趨勢。通過CAE 仿真進行整車模態分析、剛強度分析可提前對方案進行驗證，及時發現設計方案中的薄弱環節，在方案設計階段就及時進行調整，提高設計效率，縮短驗證周期。本次結合公司開發的8 米新能源公交客車，從設計階段開始，仿真工作與設計方案同時展開，在方案設計階段就進行方案的驗證，為設計方案提供優化改進方向，并對最終方案提供理論支持。

2 整車三維模型的建立

2.1 本車型為全承載式結構

車身骨架包括左右側圍、前后圍、頂蓋、底架等結構，在設計方案初稿定型同時進行整車三維模型的建立工作，同時確定整車的質量參數，通過設計參數可知，前橋軸荷為5噸，后橋軸荷8 噸，骨架材料為Q345。整車三維模型如圖1所示：

圖1 整車的幾何模型

2.2 網格劃分

全局坐標系定義為汽車坐標系：汽車縱向對稱面在車架上平面的投影為X 軸，向前為正；后軸車輪中心線在車架上平面的投影為Y 軸，向左為正；Z 軸豎直向上，Z 軸零點在車架中段格柵上平面。整車骨架管件、鈑金件由四邊形和三角形單元進行模擬，實體用四面體單元模擬，懸架用beam梁單元進行模擬；其中單元個數為2945138，節點個數為951565，網格基本尺寸為10mm，如下圖2 所示。

圖2 整車的有限元模型

2.3 定義材料屬性

車主要材料為Q345 碳素合金鋼（型鋼材料），彈性模量：2.1E11Pa，泊松比為：0.3，材料密度為7850KG/m3，屈服強度大于345MPa。

2.4 載荷施加

客車車身骨架的自重。通過材料的密度以及車身所受重力加速度可算出客車車身自身重量；對于底盤各總成質量如電機、電池等質量在其質心處施加質量單元，然后以RBE3的形式將質量均勻分布在車身骨架和車架的相應節點上。

3 模態分析

模態是結構系統的的固有屬性，每一個模態具有特定的固有頻率、阻尼比和模態振型。整車模態分析只關注簧上結構的振動情況，各種支架子系統、懸架系統、車橋、輪胎等結構均不考察。通過模態分析可以得到機械結構在某一易受影響的頻率范圍內及在內部或外部各種振源激勵作用下的振動響應結果，再由模態分析方法獲得模態參數并結合相關試驗，借助這些特有參數用于結構的優化設計。

3.1 整車模態分析為自由模態分析

不需要邊界約束和載荷施加。車架模態分析一般要求輸出(1-50)Hz 內的振型。模態分析結果的固有頻率和振型如下表所示：

表1 模態分析結果

4 強度分析

4.1 工況描述

垂向工況：約束左前輪Z 向移動自由度，約束右前輪Y、Z 向移動自由度，約束后輪X、Y、Z 移動自由度。施加Z向-2g 加速度。

左前輪懸空工況：約束右前輪Y、Z 向移動自由度，約束后輪X、Y、Z 移動自由度。

施加Z 向-1g 加速度。

左前輪懸空工況：約束左前輪Y、Z 向移動自由度，約束后輪X、Y、Z 移動自由度。

施加Z 向-1g 加速度。

制動工況：約束左前輪Y、Z 向移動自由度，約束右前輪Z 向移動自由度，約束后輪X、Y、Z 移動自由度。施加Z向-1g 加速度及X 向-0.7g 加速度。

轉彎工況：約束左前輪Y、Z 向移動自由度，約束右前輪Z 向移動自由度，約束后輪X、Y、Z 移動自由度。施加Z向-1g 加速度及Y 向0.4g 加速度。

4.2 各工況分析結果

通過有限元分析，由于后橋軸荷分布比較大，因此最大應力值大部分出現在后懸段位置，如圖3-7 所示。

圖3 垂向工況應力云圖

圖4 左前輪懸空工況應力云圖

圖5 右前輪懸空工況應力云圖

圖6 制動工況應力云圖

圖7 轉彎工況應力云圖

由以上工況的應力云圖可知，垂向工況最大應力值為440Mpa，扭轉工況最大應力值在410Mpa 左右，均超過材料的屈服強度，產生疲勞的可能性較大，因此對后懸段該位置進行加強優化，以滿足設計要求。

4.3 優化方案

（1）由于后懸氣囊承受的載荷較大，因此氣囊上立柱厚度由3mm 改為4mm，增加抗疲勞破壞系數。

（2）將原后懸架前加強斜梁更換，調整為與下部斜梁連貫，增加應力集中部位的結構強度。下為改進結構：

圖7

（3）在后懸架上方角鋼結構件部位進行加強或者通過結構優化將受力分散，會起到明顯的效果，因此，此部位進行如下調整：

圖8

4.4 優化方案與原方案應力值對比

通過仿真計算，優化方案均小于原方案最大應力值，且都在材料的屈服強度之下，滿足設計要求，如下表所示：

表2 優化方案結果對比

如上表，在參考仿真結果的基礎上，相關總成對超出材料性能參數的部位進行了針對性的優化設計，特別是結構上的微小的調整，即可達到比較有效的增強效果。

5 小結

（1）通過仿真分析手段，可以推斷整車強度方面在設計初期存在的不足，同時可以驗證不同狀態下整車受力情況，以指導工程師的設計。

（2）通過仿真分析方法，不僅彌補了薄弱環節設計的不足，而且縮短了產品的開發周期以及成本，大大提高了產品在市場上的競爭力。

（3）通過本次仿真分析的結果，建立公司內部設計參考數據庫，形成相關車型的設計規范，避免問題的重復出現。

（4）通過仿真分析可為車輛輕量化、結構優化提供有效的參考，不論是材料的調整還是結構的優化，都可利用CAE分析的手段進行前期的驗證。