纯电动客车车身优化设计

作者:唐唯伟;何仁;游专;张中帆 刊名:机械设计与制造 上传者:张延峰

【摘要】以某城市纯电动客车车身骨架为研究对象,建立车身骨架的几何模型和有限元模型,进行了两种典型工况下的强度、刚度分析和基于Block Lanczos方法的自由边界条件下的模态分析。结果表明,整个车身骨架振动特性相对合理,底架前部与空气气囊连接部位以及电池组承载区域的应力偏大,顶盖变形比较明显,弯扭工况下车身骨架的最大应力超出了材料的屈服极限。采用尺寸优化的方法,运用Optistruct软件求解优化模型,得到优化后模型的强度符合要求,刚度有明显的提高,并且减重6.7%,车身的结构更加合理。

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1引言纯电动客车如今已经成为了中国乃至世界广泛推广和应用的零排放、低噪音、绿色环保的城市公交客车。目前,国内外对客车车身骨架结构轻量化研究的主要方法有拓扑优化[1]、正交实验法[2]、多目标优化[3]、基于相场法和灵敏度分析的形状与拓扑组合优化方法[4]等。与传统客车车身骨架相比,纯电动客车车身骨架结构布置形式存在着明显的不同,使其承载形式及应力分布存在较大差异。目前,国内客车企业对纯电动客车车身骨架结构的研究主要是在原有车身骨架的基础上凭借经验改变其结构或者采用传统客车底盘为承载部件,造成纯电动客车车身骨架的结构特性缺乏合理、科学的计算依据。因此,对纯电动客车车身进行有限元分析及轻量化的设计,有助于提高客车的安全行驶能力。2车身骨架有限元模型的建立2.1结构特点及简化原则纯电动城市客车车身采用全承载式车身,全长7.5m,由不同截面尺寸的矩形钢管通过CO2气体保护焊焊接而成。材料主要使用16Mn和Q235,钢管厚度有1.5mm、2mm、3mm、4mm、5mm和7mm六种。电池组布置在车身骨架后部,采用上下两层的布置形式。建立几何模型时,为避免建立的有限元模型复杂,在保证结构需求的前提下对一些结构部件进行简化:忽略蒙皮的影响;略去一些部件的装配支架;忽略尺寸较小的圆孔、过渡圆角、倒角和侧围的非承载件等。2.2悬架系统的结构特点及有限元模型纯电动城市客车前悬采用四连杆导向机构、大跨距气囊、全空气悬架系统,后悬采用4气囊、小H型臂、4连杆非独立及后驱动桥空气悬架系统。根据空气悬架具有的承载特性,将空气悬架采用梁单元CBEAM和弹簧单元CELAS1进行近似模拟。如图1(a)所示。1、2模拟前桥,3~6模拟纵向推力杆和V形推力杆,7、8模拟空气弹簧;如图1(b)所示。1、2模拟后桥,3~6模拟空气悬架的扁担梁,7~10模拟纵向推力杆和V形推力杆,11~14模拟空气来稿日期:2013-02-16弹簧。为了避免各推力杆及空气气囊与底架相应连接部位出现应力集中现象,在连接节点处采用多点约束的方式。76CELAS1CBEAMCBEAM134258CELAS1CBEAMCBEAMCBEAMCBEAMCBEAM(a)前桥135647191032841211CELAS1CBEAMCBEAMCBEAMCELAS1CBEAMCBEAMCBEAMCBEAMCBEAMCBEAMCBEAMCBEAMCBEAMCBEAMCBEAMCELAS1(b)后桥图1空气弹簧悬架简化模型悬架Fig.1SimplifiedAirSpringSuspensionModel建立的整车有限元模型共有603064个PSHELL壳单元,154235个节点,10122个刚性单元,264个梁单元,6个CELAS1弹簧单元。其中四边形单元601523个,三角形单元1541个,三角形单元占总数的0.26%,属于有效有限元模型[5]。3车身骨架的自由模态分析评价车身骨架振动特性主要从两个方面来考虑:(1)车身骨架的低阶固有频率,要求尽量避开车身骨架重要部件的固有频率范围,以免发生共振[5]。(2)车身骨架的振型应呈整体变形形式且尽量光滑,避免产生过大的局部振型。采用BlockLanczos方法,仅考虑纯电动客车车身骨架的自身质量,进行自由边界模态分析[6],得到该纯电动客车车身骨架的前七阶频率值,如表1所示。同时提取典型的第一、四、六阶振型图,如图2所示。表1各阶自由振动频率值及振型Tab.1FrequencyValuesandModesofFreeVibrationinAllOrders阶次频率(Hz)振型形式1

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