纯电动客车车身结构轻量化研究

刘頔++任美林++樊春艳

文章编号：2095-6835（2016）07-0014-03

摘 要：随着我国能源、环境与汽车工业可持续发展矛盾的日益突出，纯电动客车已经成为了城市公共交通发展的主要方向。但是，在电动客车发展的过程中，面临着动力电池能量普遍比较低与用户想获得较长的续驶里程的矛盾。要想解决这一矛盾，实现电动客车车身的轻量化是较为有效的解决方案之一。以一款国内自主品牌纯电动客车为例，探讨了实现客车车身轻量化的优化方法，并利用HyperWorks有限元软件平台对电动客车进行有限元建模和静态分析。同时，以车身质量为目标函数，各工况下的应力和模态固有频率为约束条件，车身骨架主要杆件的厚度为设计变量，对电动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3.97%.

关键词：纯电动客车；有限元分析；轻量化；结构优化

中图分类号：U463.82 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.07.014

随着社会经济的发展，汽车工业越来越重视轻量化方面的研究，同时，它也是21世纪汽车行业的前沿技术和热点技术。一般认为，汽车自身质量减轻1%，可节省燃料消耗0.6%～1.0%.汽车减轻自重不仅可以减小汽车的行驶阻力，降低能量消耗，还有利于改善汽车的转向、加速和制动等性能，有利于降低噪声，减轻振动。对电动汽车而言，受电池单位质量储能太少和续航里程太短的困扰，车身轻量化设计就更加重要。

纯电动客车轻量化作为客车结构优化设计的一部分，在节能环保和改善汽车性能方面发挥着非常大的作用。客车轻量化是一项复杂、系统的工程。从电动客车的发展趋势看，在“十城千辆”政策和电动公交车示范运营的推动下，新能源公共交通工具将成为我国新能源汽车发展的主流方向，而电动客车轻量化也是新能源汽车技术发展的主要方向之一。因此，在现有电池技术下，要尽可能增加电动客车的续航里程。这样做，有利于电动客车的市场化推广。

1 车身结构轻量化现状和流程

车身结构轻量化主要集中在2个方向：①基于改善客车燃油经济性的轻量化；②基于提升客车性能和安全性的轻量化。其主要研究方法有以下3种：①采用现代设计方法（例如有限元方法）对车身结构进行尺寸优化、形状优化和拓扑优化，从而得到轻量化结构；②利用硬件优势，充分考虑动态过程（比如碰撞、振动过程）中的各种约束条件优化尺寸参数，从而改进车身轻量化结构，提高车身结构的安全性；③应用现代优化算法，例如遗传算法、人工神经网络算法等对结构进行轻量化设计。

随着计算机软硬件技术的迅猛发展，车身结构优化的应用范围越来越广，而车身轻量化技术也由人工优化向计算机独立智能优化的方向发展。在优化方法上，由传统的尺寸优化、形状优化改为尺寸优化、形状优化和拓扑优化三者协同优化，并由单目标优化转向协同优化、多目标优化和多学科优化等。

一般情况下，电动客车轻量化流程如图1所示。

2 纯电动客车车身有限元模型建立

2.1 建模流程和基本参数

该项研究的主要内容是：①电动客车车身结构静态有限元分析；②电动客车车身结构轻量化研究。建模流程如图2所示。

本研究将BJ6123C纯电动客车作为研究对象。该客车采用动力装置后置的方式，后轮驱动，动力电池组全部放置在客车下部，车内采用双排座椅，冷暖一体化空调放置在车顶前部，电机控制器等高压部件放置在后舱。整车技术参数如表1所示。

2.2 几何清理和提取中面

利用CATIA建立BJ6123C纯电动客车的CAD模型，在分析纯电动客车的情况前，需要简化几何图形。几何清理原则与燃油客车基本相同，主要包括以下3点：①客车上某些为方便使用或辅助承载而设置的构件，例如扶手、制动踏板支架和仪表盘支座等可以忽略不计。②模拟纯电动客车车身结构中用于装配非承载部件的螺栓、螺母刚性单元，同时，可以忽略杆件上直径小于16 mm的孔和对力学结构影响比较小的筋、肋等。对于半径小于5 mm的倒角、圆角等，可将其处理为直角。③将车身顶盖与侧围的一些曲率半径较小的微曲梁作直化处理。

由于客车车架大多为厚度较小的薄板类杆件，所以，主要采用壳单元进行有限元分析。利用HyperMesh软件中的MidSurface功能对客车车架结构进行中面抽取，从而得到车架结构中各零件的中面，如图3所示。

2.3 网格划分和质量检查

在计算数据变化梯度比较大的部位（比如应力集中处）时，为了更好地反映数据的变化规律，需采用比较密集的网格；在计算数据变化梯度比较小的部位时，为了减小模型规模，应划分相对稀疏的网格。根据有限元理论中相关网格单元选取的经验公式，确定网格单元尺寸为20 mm。

2.4 杆件间的连接方式

在整车结构中，常用的连接方式有压力电阻焊、激光焊、MAG/MIG焊、胶焊、铆接和螺栓联接等。由于电动客车车架结构中有大量的纵横梁交叉连接（T形连接），所以这些接头要采用节点耦合的方式连接。对于其他部位，点焊用Cweld单元模拟，螺栓连接采用Rrigd单元类型。

2.5 载荷和边界条件处理

纯电动客车与传统内燃机客车相比，减少了发动机和油箱等部件，但是，增加了电机和动力电池组。本研究采用以下方式处理载荷：①车身自重。车身自重属于车身内载荷，通过设置材料密度施加重力场。②车身和底架上各总成的质量，即几何清理中简化的电动机、变速器、传动轴、电池负载、DC/DC转换器、DC/AC转换器和控制器的负载，并在质心位置附加集中质量。③车身负载。乘客、司机、前后门和风窗玻璃等质量采用均布载荷的方式分配在相应节点上。其中，乘客分布为坐23人，站26人，司机1人。考虑乘客的标准体重为65 kg/人。

根据整车的设计数据确定客车车身结构的主要载荷，具体情况如表2所示。

边界条件是指客车悬架系统的简化，并保证模型与原车的受力特点基本一致。由于电驱动动力总成在驱动与制动工况下会产生相应的瞬态响应，而加速工况下的瞬态响应主要来自电动机驱动转矩，纵向加速惯性力影响可以忽略；制动工况下的瞬态响应大于加速工况，并且同时受到电动机回馈制动转矩和纵向惯性力的影响。但是，这些动力总成惯性力对车身结构的影响并不明显，因此，本研究忽略了动力总成惯性力的影响。

此项研究中的纯电动客车使用的是空气弹簧悬架系统，用普通弹簧单元（Spring单元）模拟空气弹簧悬架，将约束施加在简化模型上。由于空气弹簧只承受Z轴方向（垂直方向）的负荷，车架的横向力、纵向力及其力矩都是由推力杆传递的，所以，用梁单元（Rod单元）模拟推力杆的影响。根据轮胎的刚度特性，采用弹性体单元进行模拟。

2.6 纯电动客车车身有限元模型

将CATIA软件中的纯电动客车CAD模型导入有限元前处理软件HyperMesh中，经过几何清理、抽取中面、网格划分、部件连接、载荷和边界条件处理后，最终建立电动客车车身结构有限元模型如图4所示，底盘部分有限元模型如图5所示。有限元模型共有节点326 733个，单元数量329 864个，连接单元数12 425个。

3 纯电动客车车身结构轻量化研究

3.1 电动客车轻量化改进设计

在HyperWorks平台下进行尺寸优化的车身结构轻量化设计。根据电动客车车身静态有限元分析结论，选取在各工况中应力比较小和应力比较大的杆件，分别从底盘、前后围、左右侧围和顶盖等部件中提取出来，并将每个杆件存放在单独的component里。定义设计变量为各个杆件的厚度，分别设定不同部件单元厚度的初始值和上下限值，并将设计变量与PSHELL卡片中的厚度属性关联。根据实际工程情况，将厚度的变化范围设定为离散值[1.5，2，3，4，5，6，8，10]。定义响应为质量、静态应力、模态频率。定义目标函数为质量响应最小化。定义约束为在弯曲工况和扭转工况下应力的上限值和模态工况下频率的下限值，并加入对电动客车车身各部分杆件的灵敏度分析。

经过求解器4次迭代求解得到车架尺寸的优化结果。在HyperView处理器中查看优化结果（各个杆件的厚度变化量）发现，厚度减小的杆件主要集中在左、右侧围部分杆件、后围和底盘等部分辅助杆件中。顶盖部分的杆件厚度则普遍增加，但是，由于在优化模型中并未考虑蒙皮结构，因此，顶盖部分的大多数杆件并不作厚度增加处理，仅改变大应力点发生位置的部分杆件的厚度，具体情况如图6所示。

在尺寸优化结果的基础上，根据灵敏度分析结果和电动客

车实际使用情况，结合标杆车的对比分析结果适当调整结构，并强化空调放置处和各工况下最大应力点附近的杆件。最终经过优化，车架质量减轻了107.21 kg。

3.2 轻量化设计验证

优化后的车身结构的自由模态、弯曲工况和扭转工况下的最大应力验证结果如表3所示。在模态分析对比时，只考虑对整车动态性能影响较大的前3阶模态的固有频率。由于客车的自重和载荷会作用在悬架的支承位置，因此，在验证时，只考虑屏蔽了悬架支承位置的客车其他部件的最大应力。

由表3可知，优化方案与原设计方案相比，电动客车车架质量减轻了3.97%.由于并未大幅改动整车结构，所以，结构的前3阶固有频率变化不大，其中1阶、3阶模态的（一阶扭转和一阶侧向弯曲）固有频率略有下降，改进后分别为6.836 625和11.261 85，2阶模态（二阶扭转）的固有频率略微上升，为9.342 452.固有频率的变化量都不大，说明电动客车车身结构的轻量化设计对整车的动态性能并没有造成很大的影响。通过改进设计弯曲工况和扭转工况下最近应力点作用位置的杆件，各个工况下的最大应力均有下降。其中，以左前轮下沉工况最为明显。通过验证分析，证明电动客车车身结构的轻量化设计能够满足其强度要求。

4 结束语

综上所述，本文探讨了车身优化设计的基本思路，分析了结构优化设计的基本方法，采用基于多重约束的尺寸优化方法对电动客车车身进行轻量化设计，使车身质量减轻了107.21 kg，即3.97%，并对轻量化后车身结构进行强度和刚度验证。验证结果满足要求，证明轻量化方案可行。

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〔编辑：白洁〕