纯电动城市客车车身有限元分析与优化

孟庆书 李阳 时兆康 王志宽 武祥瑞 苏聪聪

摘 要：本文针对某半承载式客车车身骨架进行了有限元分析，研究了实现客车车身轻量化的优化方法，并使用Hyper Works有限元分析软件平台对纯电动城市客车进行有限元建模和分析。同时，分析过程中目标函数为车身质量，约束条件为各工况下的应力和模态固有频率，设计变量为车身骨架主要杆件的厚度，对纯电动城市客车车身进行轻量化分析，在满足整车强度、刚度和车身低阶固有频率的要求下，使车身质量减轻了3.956%。此次研究的主要目的是为客车的车身结构设计优化提供有效的帮助。

关键词：纯电动城市客车;有限元分析;轻量化;结构优化

随着我国环境、能源与汽车工业可持续发展矛盾的日益明显，新能源城市客车早已成为城市公共汽车发展的主要方向。但是，在纯电动城市客车迅猛发展的同时，面临着一大难题就是动力电池存储能量较低、续航里程数短。要想解决这一难题，实现车身轻量化是较为有效的解决方案之一。

客车车身作为主要承载结构，车身的质量和结构直接影响车身的寿命和整车性能。车辆在设计过程中，首先要满足运营客车对车身骨架的刚度、强度及工艺改造等因素要求的同时，应尽可能减轻车身的质量、降低制造成本。随着有限元技术的日益发展和高速计算机的出现，对车身结构的强度、刚度计算与分析工作也逐渐开始，在满足国标的前提下，合理地进行结构设计，来达到轻量化的目标， 对车身设计具有重要参考意义。

1 车身骨架有限元模型的建立

1.1 车身结构特点

半承载式客车受撞击时，其车身结构采用圆弧贯穿式的物理特性，使得整车没有应力集中点，受力基本均匀分布，骨架更加牢固，发生事故时能给乘客带来更大的生存空间。由于纯电动城市客车多行驶在平稳的城市道路，所受路面不平整度影响较小，因此采用半承载式车身需要更轻的质量。

1.2 车身模型的简化及建立流程

1.2.1 模型简化

半承载式车身大多采用矩形梁，少数异形梁和槽钢、钢板等，各梁之间主要通过焊接的方式进行连接。为了便于建模和计算，在不影响强度情况下，对几何体结构进行简化：

（1）客车车架尽可能设为对称、阵列形式;

（2）忽略蒙皮对车身强度的影响;

（3）忽略非承载件;

（4）简化圆角、倒角、小孔（直径小于15mm）等;

（5）复杂模型简单化，采用化曲为直、化繁为简等的方法。

1.2.2 建模流程

（1）根据某型客车已有的CAD图纸，将客车车身在三维软件Solidworks中建模，将模型导出，导入到Hyper works有限元分析软件中，对模型进行进一步简化，焊接部位采用异性梁、短梁连接处理;

（2）采用梁的截面形状定义车身骨架型钢的参数，将车身骨架划分为地板骨架、前围、后围、顶骨架、左侧骨架、右侧骨架六大片，生成车身骨架以及等效底盘的有限元模型。

1.3 材料选择

根据客车车身骨架总成设计规范，车身骨架横梁和纵梁要依据GB/T 3273-1989 ，因此车身材料主要选择Q235A。Q235A材料属性，弹性模量/（N/m2）2.12E+11，泊松比0.3，质量密度/（kg/m3）7.86E+03，抗剪模量/（N/m2）8.23E+10，张力强度/（N/m2）3.90E+08，屈服强度/（N/m2）2.35E+08，热扩张系数/K1.2E-05，比热/J/（kg.K）4.4E+02，热导率/（W/（m.k））43.0。

2 车身载荷及工况

2.1 载荷处理与边界条件

载荷与边界条件处理是有限元分析前的最后一步。合理的加载方式与正确的边界条件是计算分析的关键。

根据客车在实际工作时的载荷分布情况对客车车身施加载荷，该客车承受总人数为39人（取人均体重为65kg/人），采用均布载荷的方式施加在车身上;该客车共使用3块电池组，总重达到1.2吨，采用均布载荷的方式施加在电池组的固定位置;两只蓄电池重100kg，采用集中力载荷的方式施加在蓄电池安装位置。下表1为纯电动城市客车车身载荷以及施加方式。

Hyper works软件显示整车共划分528011个单元，523979个节点。车身有限元模型如图1所示。

2.2 工况描述

2.2.1 水平弯曲工况

根据GB/T 6792-2009《客车骨架应力和形变测量方法》，在水平弯曲、客车处于满载工况下，校核客车其前后左右各个轮胎同时着地时的整个车身骨架的刚度及强度，即仿真客车在光滑平整的路况下匀速直线行驶，可得到车身骨架的应力变形图。

约束处理：约束添加在前后轮与车桥连接位置，即约束6个方向的自由度（3个平动自由度和3 个转动自由度）。

在水平弯曲工况下该车身骨架所受的最大应力为89.4Mpa，地板骨架承担最大应力。而地板骨架采用材料主要为Q235A，屈服强度为235Mpa。安全系数在水平弯曲工况下为2.6，强度满足要求。除地板骨架外，顶骨架、前后围与侧围也有部分地方应力集中较大。相对地板骨架外，车身整体安全余量较大，可进行轻量化优化。

2.2.2 极限扭转工况

当客车处于扭转工况时，即某一个轮胎处于悬空状态，另外一个与之相对的轮胎处于抬高状态，车身骨架将受到扭矩的作用。而扭转工况中应力集中较大的是极限扭转工况。通过实践发现，当客车以较低的速度经过颠簸路面时，其车身会遭遇极限扭转工况。

（1）右前輪悬空的约束处理。对左前轮安装位置处节点的X，Y，Z方向的3个平动自由度进行约束，释放3个转动自由度;释放右前轮安装位置节点的所有自由度;约束后轮安装位置处节点的垂直方向自由度，释放其他自由度。在极限扭转工况下该车身骨架所受最大应力为179Mpa，地板骨架的中部、侧围中部和顶盖中部承担了较大的应力。车身骨架所使用材料主要为Q235A，屈服强度为235Mpa。极限扭转工况下安全系数为1.3，强度满足要求。

（2）左前轮悬空的约束处理。对右前轮安装位置处节点的X，Y，Z方向的3个平动自由度进行约束，释放3个转动自由度;释放左前轮安装位置节点的所有自由度;约束后轮安装位置处节点的垂直方向自由度，释放其他自由度。在极限扭转工况下车身骨架所受的最大应力为196Mpa，最大应力集中在地板骨架中部，右侧围中部。车身材料采用Q235A，屈服强度为235Mpa。此工况下安全系数为1.2，强度满足要求。

2.2.3 紧急制动工况

在紧急制动情况下分析客车受地面制动力的影响，可以仿真客车在行驶过程中紧急制动的状况。根据行驶规定，客车车身骨架在紧急制动工况下除了受满载水平弯曲工况下的载荷外，还需要在客车车身纵向方向施加最大制动加速度0.7 g。约束方式与水平弯曲工况一致。在紧急制动工况下车身骨架所承受的最大应力为87.8 MPa，最大应力集中在底架横梁、侧围立柱。底架、侧围和前围主要采用Q235A，屈服强度235 MPa。安全系数为3.0，强度满足要求。

2.2.4 急转弯工况

在急转弯工况下，车身骨架既要承受水平弯曲工况下的载荷，还要考虑因急转弯造成的侧向惯性力。考虑到惯性力对车身强度影响较大，因此在车身骨架上施加横向0.4 g的最大向心加速度。约束方式与水平弯曲工况相同。该车身在水平弯曲工况下的最大应力为108 MPa，最大应力集中在底架横梁、侧围上前后轮与车桥相连接的位置。底架、侧围材料主要采用Q235A，屈服强度235 MPa。安全系數为2.17，强度满足要求。

综上，整理结果如表2所示。

3 客车车身骨架的轻量化改进方案

3.1 顶骨架改进方案

根据Hyper mesh分析结果得知，顶骨架最大应力出现在极限扭转工况时的车顶前端，大小为74Mpa，且大多在25Mpa以下，且顶骨架所有材料为Q235，其屈服强度为235Mpa，有较大的强度余量。因此，将4、5、6根横梁尺寸由40*30*2变为40*30*1.5，并去除被选中的位置处纵梁与横梁。因扭转工况前部变形较大，故纵梁尺寸不变。

3.2 左右侧改进方案

左右侧围的整体应力较小，且大部分集中在40～50Mpa，故将下部斜撑梁改为密集处的斜撑梁尺寸由30*30*1.5改为30*20*1.5。最大应力出现在扭转工况的侧门处及前后轴处，故在车门横梁与车顶之间以及前后轴处增加斜撑提高强度。将尾部两纵梁由40*30/20*1.5改为30*20*1.5，并将末端由纵横梁改为斜撑梁，在轻量化的同时可以增大离去角。

3.3 地板骨架及后围的改进方案

地板骨架和后围的应力裕度较大，未出现应力集中的情况，故将纵梁截面面积40*40*3改为40*30*2，并将第1、5根纵梁截面面积40*40*3改为40*40*2。

4 改进后4种工况的分析

4.1 水平弯曲工况

该车身在水平弯曲工况下最大应力为77Mpa，最大应力集中在地板骨架与车桥连接处以及门侧立柱。

4.2 极限扭转工况

4.2.1 右前轮悬空工况

该车身在极限扭转右前轮悬空工况下的最大应力为170.3Mpa，最大应力集中在底架与后围连接处以及车门立柱。

4.2.2 左前轮悬空工况

该车身在极限扭转左前轮悬空工况下的最大应力为181Mpa，较改进前196Mpa，强度有所提高。

4.3 紧急制动工况

该车身在紧急制动工况下最大应力为77.5Mpa，最大应力集中在车身骨架与车前后桥连接处。

4.4 急转弯工况

该车身在急转弯工况下的最大应力为105Mpa，最大应力集中在底架横梁、侧围上后轮与车桥相连接的位置。

从改进的前后对比来看，该款客车车身骨架在总体质量减少了3.956%的前提下，基于有限元分析的4种工况依然满足要求，而且减少的总质量比较理想。整理结果如表3所示。

5 轻量化前后的质量分析

经过Hyper work软件分析，车身顶骨架和地板骨架处梁的改动较大，车身左右侧围、前后围改进较少。改进后该款客车车身骨架总体质量减少了3.956%。

6 结语

通过Hyper works 软件在4种不同工况下对车身骨架进行有限元分析，最终达到轻量化的目标。

（1）在车身骨架建模的过程中，大部分结构采用梁单元、少量结构采用壳单元，大大地提高了工作效率;

（2） 对有限元模型进行网格划分中，首先对整车结构采用指定网格大小进行绘制网格，然后针对性的对应力较大的地方局部细化，使整车网格质量提高，有效地提高了计算的精度;

（3）建模过程中参照实车结构，针对多种变截面梁来模拟真实车身结构，对车身上的多数部件采用集中载荷的方式，提高了模型的精确度。

参考文献：

[1]任可美.纯电动城市客车车架有限元分析及轻量化设计[D].2018.

[2]吴利锋.某城市客车驱动桥壳有限元分析与轻量化设计[D].2017.

作者简介：孟庆书（1992-），男，山西灵石人，硕士研究生，初级，研究方向：客车车身设计及有限元分析。