新能源客车车身结构设计及强度分析

德州学院汽车工程学院 李敏 朱恒伟

新能源客车车身结构设计及强度分析

德州学院汽车工程学院 李敏 朱恒伟

本文采用基于有限元法的新能源客车车身机构优化设计及强度分析，结合拓扑理论，确定了汽车的结构形式，对拓扑后的车身结构进行有限元分析,保证了车身强度。分析证明：在保证车身结构强度的基础上，做到了新能源客车车身的轻量化设计，为新能源客车车身结构设计提供了一条有效途径。

新能源客车；车身；拓扑优化；有限元法

引言

目前，安全、节能、环保成为汽车工业可持续发展的主要方向。大客车车身骨架作为主要承载结构，其重量约占大客车总重量的30%～40%[1]，合理的汽车轻量化设计不但可以减重，有效地实现节能减排，还可以在一定程度上改善汽车性能。

1 拓扑优化理论基础研究

在拓扑优化过程中首先应建立基础模型，然后通过优化搜索方法保留结构中必要部分，去掉非必要部分，以确定结构的最优布局，以整体结构离散成n个单元，则每个单元为xi（i=1,2.3.... ..n），优化后若第j个单元为非必要单元，则xj为0，反之则为1[2]。为更好做到优化设计，采用的优化方法为变密度法[3]。

其数学表达式为：

其中：F（x）为目标函数；gj（x）为约束条件；hk（x）为等式约束；

在连续体拓扑优化过程中首先应建立拓扑优化空间，然后确定边界条件及受载状态，然后确定相应的优化算法进行优化，在优化过程中软件自动删除一些无关材料，最终达到最优。客车骨架拓扑优化流程如图1所示。

图1 客车骨架拓扑优化流程

2 新能源客车车身受载分析及拓扑优化

新能源客车优化设计首先应确定优化空间，基于客车的全承载式结构，客车车顶、底架、左右侧面为拓扑优化区域。大客车顶部需要设置两个紧急逃生窗口，所以预留两方形孔，左右侧面窗口和车门均为必要结构，所以在建立拓扑空间时应该预留出该部分，并设为非优化区域[4,5]。

现有新能源客车车身是由Q235钢材焊接而成，Hypermesh中定义其材料属性和力学特性，如表1所示。

表1 车身材料属性

根据实际模型需求，考虑到客车的结构状态，采用更易收敛的四边形网格进行网格划分。网格划分后形状见图2。

图2 客车车身网格划分

根据车身结构及受载情况对客车车身进行加载，其中车身质量均匀作用于客车前后轮部分，并对前轮施加电池箱载荷，乘客载荷根据客车车座位置设定，其它忽略。车身参数见表2。

表2 车身参数

根据客车运行情况，对客车前后车轮进行全约束，以柔度最小为目标，设置拓扑优化体积预留量为0.2，经过42次迭代，拓扑优化结果如图3所示。

图3 新能源客车拓扑优化模型

李敏，男，1994年5月出生，山东莱芜人，本科在读，研究方向：拓扑优化车身结构设计。