纯电动城市客车车身有限元分析

徐志汉，王泽平

（安徽安凯汽车股份有限公司，合肥230051）

纯电动城市客车车身有限元分析

徐志汉，王泽平

（安徽安凯汽车股份有限公司，合肥230051）

根据城市客车实际承载和运行工况，利用有限元分析，获得纯电动城市客车在典型工况下的应力应变状态；阐述其与传统城市客车受力情况的不同，提出纯电动城市客车车身的设计要点。

纯电动城市客车；车身结构；有限元分析

设计过程中，在满足客车运营中对车身骨架的刚度、强度及工艺性等要求的同时，应尽可能减轻质量和降低制造成本。新能源客车车身重量占整车整备质量的20%～30%，比传统客车所占比重小。这意味着同样质量的车身要承受更大的质量载荷，其结构和强度设计更显重要［1］。

本文通过建立某全承载纯电动城市客车的有限元模型，对其进行有限元分析，其目的在于在保证客车性能和功能不受影响的前提下，实现车身和底架的优化设计，并提出纯电动城市客车车身的设计要点。

1　有限元模型建立

外形尺寸（长×宽×高，mm）12 000×2 500×3 200，满载质量18 000 kg，设计车速70 km/h，电池容量700 Ah，放在中段和尾段的电池质量分别为1 370 kg和2 110 kg，最大续驶里程350 km。

1.1建模方法的确定

建立客车车身有限元模型的方法一般有三种：梁单元有限元模型、板壳单元有限元模型和混合单元有限元模型［2］。梁单元有限元模型的优点是占用计算机资源少、计算量小、计算时间短，有限元模型生成后易于后期的结构改进设计；缺点是前期建模工作量大、对细节部位的处理不够精确；多用于初期开发［3］。板壳单元有限元模型的优点是前期建模简单、时间短、计算精度高，可比较精确地反映细节结构；缺点是对计算机要求很高、计算量大、计算时间长，有限元模型生成后不易于后期的结构改进设计，多用于定型计算［4］。混合单元有限元模型，结合梁单元和板壳单元的优点，在保证计算精度的前提下，可缩短建模周期［5］。

1.2几何模型的简化

全承载式客车车身除了由空间框架构成的骨架和车重除设定的承载能力外，还包括动力电池组、电机、电容等动力总成，以及蒙皮、内饰、玻璃等附件。因此，在建立有限元模型时，应根据所分析问题的侧重点及整车骨架的结构特点和承载特点，对几何模型进行适当的简化［6］：

1）忽略局部连接或工艺需要对整车结构变形和应力分布影响较小的结构。

2）忽略用于安装或辅助承载部件而对整车结构变形和应力分布影响较小的非承载构件。

1.1.5 外植体选择：百合多种植于陆地或温室，其生长环境导致外植体材料表面会带有细菌，同时内生菌也会伴随着外植体的培养对组培苗造成影响［4］。这种开放性的外界环境则要求在选择外植体材料时更加严格。整个培养工作能否高效顺利完成，外植体的选择起到决定性作用。有损伤的外植体，长势弱的外植体都会在培养过程中，不能抵抗内生菌的竞争，产生污染。

3）忽略车身蒙皮对车身骨架总体的加强作用，增加结果安全裕度。

1.3模型的建立

首先建立车身UG三维实体模型，确定主参考坐标系，将UG模型导入HYPERMESH软件中，抽取各部件的中面，生成三维板壳几何模型，如图2所示。

在已建立的三维板壳几何模型基础上，根据车身部件的使用厚度，定义组件属性，以20 mm为单位划分网格，生成板壳单元有限元模型，网格划分前后见图3。

1.4载荷的处理

在客车车身的有限元分析中，对载荷的合理模拟将直接影响分析结果的准确程度。为真实模拟客车行驶过程中各种载荷对车身的影响，本文采用CONM2单元来模拟加载。集中载荷采取在质心坐标处建立质量单元，然后使用无质量、不产生扭矩的RBE2单元与加载的杆件相连接的方式处理。均布载荷则在均布载荷加载的区域使用平均质量点直接加载在相应的节点上的方法处理［6-7］。具体形式如图4所示。

2　有限元分析

与客车车身结构强度有直接关系的主要是弯曲工况和满载扭转工况［8］。所以本文结合城市客车使用条件对有限元模型的静弯曲工况、扭转工况、转弯工况进行计算，从而获得车身骨架的应力分布和刚度情况。

2.1静弯曲工况分析

客车匀速直线行驶时，车身主要承受水平弯曲载荷。水平弯曲工况主要是对在客车满载状态下，四轮着地时的结构静强度和刚度进行分析。该工况分析时电机、电池等集中质量，根据其重心和装配位置分摊到相应的节点上。乘客和车身其他质量以均布载荷的形式分布于相应梁上，所加载荷达到整车最大设计质量。计算中，约束前后悬挂与车架相连接的位置处，约束左前轮Z向的平动自由度，约束右前轮Y、Z向自由度，约束左后轮X、Z向自由度，约束右后轮X、Y、Z向自由度，放开所有转动自由度。

该工况应变分析结果显示最大位移发生在底架后段，变形量为16.13 mm；同时该工况应力分析结果显示最大应力也是在底架后段，最大应力是134.2 MPa，这是由于电机和大部分电池的载荷分布在这里。而其余的部位应力都集中在100 MPa左右。同时，由于部分电池和乘客的质量加载在底架中段上，导致了底架中段的应变和应力也较大，最大应力达120 MPa。

2.2扭转工况分析

汽车行驶在不平的路面上时，会产生扭转载荷，其极限扭转载荷为汽车在非对称支承下产生的静态扭矩。对于纯电动城市客车，由于中段电池重量较重，左前轮悬空时施加在前桥上扭矩的作用，应是对整车骨架影响最严重的扭转工况。所以，本文通过满载工况下模拟左前轮悬空时，车身骨架承受的静态极限扭转时的应力分布情况。该工况下载荷与静弯曲工况相同。约束的处理是在水平弯曲工况约束基础上，释放客车左前轮Z方向自由度。

该工况分析结果显示，车身的扭转程度很大，最大应力出现在底架的前段，在底架和前悬架连接的横梁上，最大值为238.8 MPa。由于左前轮悬空，整个左前段的载荷就落在相应结构之上。可以看出，极限扭转工况是客车最为危险的工况，相比前面分析的水平弯曲工况，整车的应力以及变形都有明显的提高。

2.3转弯工况

转弯工况模拟客车在行驶中转弯时的载荷情况。转弯时，客车车身除承受乘客及车辆重力作用外，还受到侧向惯性力的作用。本文以0.4 g的加速度左转弯工况进行分析。为了能够准确地模拟急转弯工况下的应力和变形情况，车身骨架上总的载荷除了施加弯曲工况下的载荷外，在横向上再施加0.4 g的惯性力，约束处理方式和弯曲工况相同。

该工况分析结果表明，在施加横向的0.4 g的惯性力的情况下，应力最大出现在底架的后端，最大值为165.7 MPa。同时，整车骨架和底架应力相对水平弯曲工况下有所提高，其中顶盖、后围应力变化较为明显。前后悬架连接处的应力值都比较大，与水平弯曲工况相比较，后面悬架的弯矩以及扭矩有明显的变化，这是因为在急转弯工况下，由于尾部载荷较大，客车有甩尾现象，车身尾部的位移变大。

2.4纯电动城市客车车身设计要点

通过对全承载纯电动城市客车进行三种典型工况的有限元分析，可以看出，纯电动与传统城市客车在不同工况下车身的应力应变是不同的。传统城市客车应力主要集中在底架中段，是由于中段是乘客集中的地方并且结构相对简单；其次是位于底架尾段，主要是动力总成发动机自身载荷较大［8］。纯电动城市客车中段除了承受乘客的载荷外，还要承担更大的电池载荷，故应力集中在整车的中段和尾段，同时车身参与承载比重大于传统客车。并且在紧急制动和转弯工况下的应力应变明显要高于传统城市客车，故针对纯电动城市客车的车身结构设计，应特别突出中段电池和乘客载荷集中区域、尾段电机和电池载荷集中区域的强度，特别是中段底架和骨架结合设计尤为重要，同时，与前后围连接处的设计也要从整体受力情况着手。

3　结束语

运用成熟的有限元分析理论，结合纯电动城市客车的结构特点和使用特点进行车身各种工况的分析研究，分析出车身的应力分布情况，为纯电动城市客车车身的结构试验及优化设计提供了理论基础。结合车身的静动态电测试验验证，在现有基础上进行结构的优化和轻量化设计，可大大提高纯电动城市客车结构的合理性，降低纯电动城市客车的自身重量，提高能源的利用率，为节能减排做出贡献。

［1］王勖成.有限单元法［M］.北京：清华大学出版社，2003.

［2］王波，范宗武，林伟.电动客车轻量化探讨［J］.客车技术与研究，2012，34（2）：17-19.

［3］薛大维，赵雨旸.客车车架有限元静力学分析［J］.哈尔滨工业大学学报，2006，（7）：1075-1078.

［4］田芳，王涛，石琴.全承载式客车车身结构有限元分析［J］.客车技术与研究，2012，34（1）：17-19.

［5］刘明辉，于学兵.客车车身结构的有限元分析方法研究［J］.湖北汽车工业学院学报，2004，18（4）：1-5.

［6］谭继锦，张代胜.某型大客车车身骨架轻量化设计［J］.汽车工程，2006，28（4）：394-397.

［7］王海亮，金先龙，林忠钦.低地板城市客车车身结构有限元分析［J］.汽车工程，2002，（2）：141-144.

［8］王怀.大客车车身骨架有限元分析与优化设计［D］.镇江：江苏大学，2003.4.

修改稿日期：2015-04-29

Finite Element Analysis on Pure Electric Bus Body

Xu Zhihan，Wang Zeping
（Anhui Ankai Automobile Co.，Ltd，Hefei 230051，China）

According to the real loads and working conditions of city buses，the authors use the finite element analysis to obtain the states of stress and strain of a pure electric bus under typical working conditions，they expound the different stress states with the traditional buses and provide the design points of the pure electric citybus body.

pure electric citybus；body frame structure；FEA

U 469.72；U 463.82

B

1006-3331（2015）03-0011-03

徐志汉（1973-），男，硕士；高级工程师；研究方向：客车设计。