电动客车车身有限元分析及其轻量化设计美标球阀

电动客车车身有限元分析及其轻量化设计

电动客车车身有限元分析及其轻量化设计 2011年12月04日 来源： 摘要：以某电动客车为例，对其车身强度进行ANSYS有限元分析，并对其进行轻量化设计。关键词：电动客车；客车车身；轻量化；有限元分析8 m电动客车是国家“863”重点项目。作为电动客车，其动力总成为电池组。电动客车车架承载也与一般客车不同，一般后置式发动机客车安装发动机的位置，现放置电池，行李舱位置也放置电池，要求车身结构强度和刚度必须足够。而车身轻量化对提高客车的动力性，降低成本，延长行驶里程，提高经济性都有重要意义[ 1 ] 。因此，如何优化车身结构，在保证强度和刚度满足使用要求的情况下使其轻量化非常重要，而且也是该车设计中一个关键的问题。1 车身模型的建立(1) 首先，通过在三维设计软件PROE上建立电动大客车的整车结构几何模型。然后，利用ANSYS软件[ 2 ]建立该车整车的详细有限元模型。如图1所示。(2) 电动客车的骨架采用标准的矩型管型材组焊而成，因此，在用有限元进行车身结构计算时，采用梁单元模型，其优点是划分的单元数目和节点数目少，计算速度快，而且模型的前处理工作量不大。(3) 采用梁单元时，做了以下一些简化：① 略去蒙皮和某些非承载构件，如面板、窗玻璃等。② 将车身中的各微曲梁直化处理，对侧围和顶盖中一些曲率较小的构件近似地看作由直梁单元分段组成。③ 对两个靠得很近但并不重合的交叉连接点简化为一个节点处理。④ 对两个并联焊在一起的梁当作一根梁，相应横截面积加大。⑤ 取约束、载荷作用点处为梁单元节点。模型中载荷、约束模拟真实的精确程度对整体结构的位移、应力影响很大。因而载荷的类型、作用点、大小，约束的类型、作用点应尽量逼近实际情况。

图1车身骨架有限元模型图

由于采用了简化处理，会使结果出现误差，但从简化措施来看，相当于降低了整车的强度和刚度，会使应力结果偏大，是一种偏安全的分析，因此是比较可靠的。2 载荷和约束处理电动客车使用情况不是很复杂，基本上是在城市普通公路上行驶，因此选取弯曲、扭转、紧急制动和急转弯四种工况[ 3 ]对车身结构进行计算分析。2.1弯曲工况根据GB /T 6792 - 1996《客车车身骨架应力、变形测量方法》，弯曲工况主要是对客车满载状态下，模拟客车在静态下，或良好路面下匀速直线行驶时的应力分布和变形情况。载荷处理：结构自重、各装备重量、乘客重量。座位上的乘客与座椅载荷分配到相近的节点上；站立乘客载荷均布于车厢通道地板上，电池载荷均布于其支撑梁上；控制箱、空调、电机及其控制器、空气压缩机、电容等载荷则各自平均分配到相应的支撑节点。约束处理：将悬架弹簧与车架连接点6个方向自由度全部约束。2.2 紧急制动工况紧急制动工况主要考虑当客车以最大制动加速度017 g制动时，地面制动力对车身的影响。由于低地板客车前后桥均采用空气悬架，空气弹簧仅能承受垂向力，而纵向和横向力必须通过拉杆传递到车架上，此时，拉杆及拉杆座将承受较大的拉压载荷，必须具有足够的强度。载荷处理：除了集中载荷同弯曲工况外，在X方向上还要附加- 0.7 g的惯性力。约束处理：同弯曲工况。2.3 急转弯工况急转弯工况主要考虑当客车以最大转向加速度014 g转弯时，惯性力对车身的影响。与紧急制动工况类似，横向力必须通过拉杆传递到车架上，此时，拉杆及拉杆座将承受较大的拉压载荷，必须具有足够的强度。载荷处理：除了集中载荷同弯曲工况外，在Y方向上还要附加014 g的离心力。约束处理：放松一侧Y方向的位移约束。2.4 扭转工况扭转工况主要考虑一个车轮悬空而另一车轮抬高时施加在车桥上的扭矩的作用。这是最严重的扭转工况，但在电动大客车的使用过程中不易出现，因此计算时只将左前轮悬空。此种扭转工况下的动载，在时间上变化得较缓慢，其扭转特性可以近似地看作是静态的，许多实验结果也都证实了这一点，即静扭实验下的骨架强度可以反映出实际强度。因此，利用静扭转试验可以反映出车身骨架的实际强度。载荷处理：同弯曲工况。约束处理：去掉下沉的前轮的约束。3 计算结果分析按照所给工况和载荷、约束条件，分别建立模型进行计算，得出车身骨架最大应力及最大位移，结果见表1所示。

由计算结果可知：在这几种工况下，大部分车身骨架应力值都不太大，最大处均在后悬架连接部位，以左前轮悬空车身扭转时为最大。该车骨架均采用16 Mn， 由《机械设计手册》可知： σb = 470 ～620MPa，取中间值550MPa，可得最小安全系数为n =σb /σ = 550 /307.958 = 1.79由于计算时用的是极限工况，且最大应力值只出现在后悬架连接点，而其它部位的应力很小，所以安全系数能满足要求。4 车身轻量化设计通过对电动客车车身骨架有限元建模计算，结果表明，该车身骨架的强度和刚度有足够余量。实际上，本模型由于略去了蒙皮和非承载构件的影响，所计算的车身强度和刚度比实际的偏低，而应力分布不均衡，大部分车身的应力不超过100 MPa，因此，进行轻量化分析是很有实际意义的。(1) 选择轻量化结构件的原则：①该部件的质量在车身结构件总质量中占有较大的比重。②该部件的改变对整车的刚度影响不大。(2) 通过客车车身各部分结构件对整车刚度影响的分析，采取如下措施：①各种工况下，顶棚骨架应力都较小，考虑将其中间位置的横、纵梁的厚度由2 mm缩小到1.5mm。②车身左右围的骨架侧窗上、下纵梁的厚度由2 mm缩小到1.75 mm；部分横梁由2 mm 缩小到1.75 mm；斜支撑梁全部由2 mm缩小到1.5 mm。③将应力低的底架牛腿、横梁、纵梁的厚度缩小。底架斜支撑梁厚度由原来的2 mm缩小到1.5mm。(3) 将轻量化后的车身再次进行有限元计算，在最危险的扭转工况下，最大应力为307.958 MPa，最大变形为17.193 mm。其最大应力位置与轻量化前的相同，是后悬架面与后桥连接点。有关参数变化量见表2。

从结果分析得出，经过轻量化后电动客车车身骨架总质量减少了98.32 kg， 占原车总质量的9.7% ，而整车的最大应力只增加了1.3%， 为307.958MPa，仍在允许范围内，变形量也不大，只增加了原来的0.7%。5 结束语本文采用ANSYS有限元软件对8 m电动客车进行了强度和刚度分析。通过计算表明，该车身骨架的强度和刚度有足够余量。根据结果对车身进行了轻量化设计：在车身的强度和刚度满足要求的条件下，车身骨架总质量可减少98.32 kg，占原车总质量的9.7%。参考文献：[ 1 ] 沈浩， 陈昌明，等1客车车身轻量化分析[ J ] 1客车技术与研究， 2003， (3) ： 8210.[ 2 ] 王国强1实用工程数值模拟技术及其在ANSYS上的实践[M ]1西安：西北工业大学出版社， 1999.作者简介：代红军，男，北京理工大学机械与车辆工程学院硕士研究生；主要研究方向：纯电动大客车车身轻量化设计分析。(end)

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