鉸接式電動公交客車車身骨架的有限元分析*

王順 馮國勝 周凱 李龍 王?；?/p>

（1.石家莊鐵道大學機械工程學院；2.石家莊中博汽車有限公司）

鉸接式公交車的特點為雙節或多節車身，中間以鉸接系統相連并滿足前后車身的相對運動。它主要應用于快速公交系統（BRT），具有速度快、容量高和成本低等優點，該種車型不僅可以為北上廣等一線城市舒緩交通壓力[1]，而且適用于中小城市的大運量地帶。文章研究的鉸接客車為純電動車輛，全承載式車身骨架，封閉環結構。與非承載式和半承載式骨架相比，全承載式骨架的靜態強度直接影響著大客車的使用性能與安全性[2]。通過SolidWorks 軟件和有限元軟件ANSYS Workbench 對客車車身骨架進行靜力學分析，可以檢驗結構設計是否合理，為后續結構改進提供理論依據。

1 車身骨架有限元建模

1.1 幾何建模

研究對象為某純電動鉸接城市客車，分為前后2段車身，中間由鉸接系統相連。整車尺寸為18 000 mm×2 550 mm×3 350 mm，軸數為3，整備質量為18 400 kg，額定載客147 人。首先根據二維圖紙在SolidWorks 中建立其三維骨架模型，在建模過程中注意模型的簡化。簡化的基本原則為：在不影響原模型力學性能的前提下，盡可能使其結構簡單，如忽略非承載構件、略去模型小孔等。將整車骨架每一部分總成作為一個part 進行裝配，確定整車模型無干涉后，最終完成三維數字化建模工作。

1.2 模型處理及網格劃分

SolidWorks 提供了ANSYS Workbench 的傳輸接口，利用接口可以高效地傳輸數據文件，并保證數據的完整性。文章利用軟件接口將幾何模型直接導入ANSYS Workbench18.0 靜態分析模塊，并在Design Modeler 界面下對除鉸接盤外的矩形鋼管組成的骨架抽取中面，目的是將骨架中默認的實體單元改變為板殼單元。鉸接盤部分由于其結構特殊性不做處理，按實體單元默認劃分網格。

對抽取中面產生的SHELL181 與SOLID186（SOLID187） 單元使用MPC 接觸算法進行連接。ANSYS Workbench 使用覆蓋于接口處實體單元表面的目標單元和依附于殼單元邊界的接觸單元來確定MPC 算法，從而解決不同類型單元自由度不協調的問題[3]。綜合考慮求解精度與效率的問題，將整車網格尺寸控制在20 mm，最終建立殼實體混合的車身骨架有限元模型，其單元數為500 372，節點數為442 827，Element Quality 的平均值為0.91。鉸接盤以及整車有限元模型，如圖1 和圖2 所示。

圖2 鉸接式電動客車整車有限元模型

1.3 載荷施加及材料定義

鉸接客車在運行過程中主要承受內載和外載兩方面的載荷。內載即自重，該部分載荷通過定義材料屬性以及重力加速度后，可由軟件計算得出；外載按施加方式分為2 種：一種為均布載荷，如動力電池、空調等，另一種為集中載荷，如乘客、座椅等。本車具體外載，如表1 所示。

表1 鉸接式電動客車全車外載荷 kg

車身全部采用Q235 材質，底架采用強度更高的Q345 材質，2 種材料的屬性，如表2 所示。

表2 鉸接式電動客車車身材料屬性

2 車身骨架有限元分析

2.1 工況確定

為全面掌握鉸接客車的使用性能以及安全性，參考GB/T 6792—2009《客車車身骨架應力和形變測量方法》[4]與GB/T 13043—2006《客車定型試驗規程》[5]，選用水平彎曲、扭轉、緊急制動和急轉彎4 種典型工況對純電動鉸接公交車進行靜態特性分析。

2.2 水平彎曲

水平彎曲工況是車輛在行駛過程中最常見的一種工況，主要模擬客車在滿載且輪胎全部著地狀態下，在良好路面進行勻速直線行駛[6]，主要承受自重及表1 中所有載荷。邊界條件為：約束6 個車輪與懸架連接處的自由度Uz，約束左前輪、右中輪和左后輪與懸架連接處自由度Ux，并約束剩余3 個車輪與懸架連接處自由度Uy，共約束6Uz，3Ux，3Uy[7]。

通過計算，在水平彎曲工況下車身骨架的最大應力為240.90 MPa，位于右前輪懸架總成上立柱；最大變形為9.22 mm，位于后段車架總成，此處承載動力電池，如圖3 和圖4 所示。

圖3 鉸接式電動客車車身骨架水平彎曲工況應力云圖

圖4 鉸接式電動客車車身骨架水平彎曲工況位移云圖

2.3 極限扭轉

極限扭轉工況是車輛在行駛過程中遇到的惡劣工況，主要模擬客車在崎嶇不平的路面行駛，某一輪懸空的行駛環境，所受載荷同水平彎曲工況。邊界條件為：在水平彎曲工況的基礎上，釋放中間左輪自由度Uz，共約束5Uz，3Ux，3Uy。

通過計算，在極限扭轉工況下車身骨架的最大應力為269.20 MPa，位于左前輪懸架上方輪罩與立柱連接處；最大變形為11.15 mm，位于前段車架頂蓋偏左空調安裝處，如圖5 和圖6 所示。

圖5 鉸接式電動客車車身骨架極限扭轉工況應力云圖

圖6 鉸接式電動客車車身骨架極限扭轉工況位移云圖

2.4 緊急制動

緊急制動工況研究的是公交車輛在行駛過程中緊急制動，需要考慮縱向制動力的工況。該工況下所受載荷在水平彎曲的基礎上，在縱向方向上施加0.7g 的加速度。邊界條件同水平彎曲工況。

通過計算，在緊急制動工況下車身骨架的最大應力為255.99 MPa，位于前段車架后懸總成與鉸接系統連接處；最大變形為8.23 mm，位于前段車架頂蓋空調安裝處，如圖7 和圖8 所示。

圖7 鉸接式電動客車車身骨架緊急制動工況應力云圖

圖8 鉸接式電動客車車身骨架緊急制動工況位移云圖

2.5 緊急轉彎

轉彎工況是車輛在行駛過程中比較常見的一種工況。該工況下所受載荷在水平彎曲的基礎上，在Y 軸正向上施加0.4g 的加速度（按右轉彎計算）。邊界條件同水平彎曲工況。

通過計算，在緊急轉彎工況下車身骨架的最大應力為215.27 MPa，位于左前輪懸架上方輪罩與立柱連接處；最大變形為9.41 mm，位于后段車架總成，此處承載動力電池，如圖9 和圖10 所示。

圖9 鉸接式電動客車車身骨架緊急轉彎工況應力云圖

圖10 鉸接式電動客車車身骨架緊急轉彎工況位移云圖

3 不同連接工藝的分析對比

3.1 焊接與鉚接的區別

原客車為承載式車身，骨架由矩形鋼管拼裝而成，整體應用焊接連接工藝。焊接是一種需要通過加熱的方式結合金屬的技術，具有材料節省、工序簡單、成本低及質量輕等優點，但工藝質量難以檢查。由于金屬力學性能的差異，異種材料的焊接很難獲得足夠的連接強度[8]。鉚接可適用于異種材料的連接（如底架為鋼材，車身為鋁型材），質量檢查簡單方便，從車身材料輕量化的角度來說具有得天獨厚的優勢。

3.2 Spot Weld 模擬焊接

前文有限元模型焊接模擬采用了節點耦合的方式，并未考慮使用焊接單元。為使模型更加接近物理實體，選取水平彎曲工況下的最高應力位置和后段車架側圍某處的連接位置，使用ANSYS Workbench 提供的Spot Weld 替代共節點的連接方式重新建模，其中最大應力位置以Spot Weld 模擬焊接的局部模型，如圖11所示，整車強度求解結果，如圖12 所示。

圖11 鉸接式電動客車最大應力位置焊接模型

圖12 焊接工藝車身骨架強度分析結果顯示界面

3.3 Beam模擬鉚接

針對鉚接的有限元分析，可采用Beam188 或者實體單元進行計算，兩者結果只存在細微差別[9]。在AWE環境下，重新回到Design Modeler 對模型進行修改，然后使用Connections 中的Beam 工具選取鉚釘下壓面，對兩構件進行連接。最大應力位置以Beam188 單元模擬鉚接的局部模型，如圖13 所示，整車強度求解結果，如圖14 所示。

圖13 鉸接式電動客車最大應力位置鉚接模型

圖14 鉚接工藝車身骨架強度分析結果顯示界面

3.4 有限元分析結果對比

3 種連接方式的計算結果，如表3 所示，其中水平彎曲工況下最大應力位置記為A，后段車架側圍某連接處位置記為B。

表3 3種連接方式的車身最大應力有限元結果 MPa

從表3 中可以看出，以Spot Weld 代替共節點方式模擬焊接得到的應力變化稍有增大，從側面表明了共節點的方式可以較為精確地替代焊接單元。以鉚接的方式建立的有限元模型與共節點方式相比，兩處應力值均變大，最大應力達到了293.14 MPa，上升21.69%，而B 處的應力也從123.68 MPa 增加到148.81 MPa，上升20.32%。

4 結論

通過對某鉸接式電動客車車身骨架4 種工況的有限元分析，獲得了整車應力分布云圖，為后續優化提供了參考。各工況最大應力位置均出現于底架，其中極限扭轉工況為最危險工況，最大應力值為269.2 MPa，對于Q345 的屈服強度來說，小于其屈服強度，安全系數為1.3，最大變形為11.15 mm。計算結果表明，該車車身骨架強度與剛度性能滿足要求。

對水平彎曲工況2 處位置的鋼架連接方式重新建立了模型，有限元仿真結果表明，共節點的方式可以較為精確地替代焊接單元，而鉚接工藝相對于焊接會使車身結構的強度降低20%左右。