纯电动客车车身骨架设计与优化

2019-09-27彭娅楠白文龙

山东交通学院学报 2019年3期

彭娅楠，白文龙

(内蒙古工业大学能源与动力工程学院，内蒙古呼和浩特 010050)

0 引言

电动汽车(battery electric vehicle,BEV)的动力装置为动力电池，用电机驱动车轮行驶，具有可控性强、使用成本低廉、易保养、低污染、低噪音的优点，对环境影响相对传统汽车较小。电动汽车比内燃机驱动汽车的能源利用率高，它的出现可以缓解能源危机，降低汽车的尾气排放污染，已经成为汽车尤其是城市客车发展的主要方向[1]。

1 客车车身骨架有限元模型

1.1 研究对象

某公司研发的纯电动客车半承载式车身骨架三维模型如图1所示。该车身骨架外廓尺寸为8460 mm×2249 mm×2700 mm，车身骨架所用材料为低合金钢，材料性能见表1[5]。

1.2 模型简化

纯电动客车的车身骨架为复杂的空间桁架结构，其车身框架结构由几百块方钢焊接而成，比如蒙皮、电器、内饰和地板等[6]。考虑到电动客车的车身骨架三维模型太大，计算量大、用时长、成本高等，故对其进行若干简化。

图1 纯电动公交车车身骨架三维模型

表1 车身材料性能参数

1)通过施加质量块的方法省去车身内部较小的非承载式构件(灯、扶手、坐垫、车窗玻璃等)[7]。

2)车身框架构件中的许多孔洞对车身骨架的应力影响相对较小[8]，将其忽略。

3)蒙皮对客车车身骨架结构具有增强作用，但其作用甚小[9-10]，故忽略车身结构的侧围蒙皮。

4)将非主要承载结构的车身骨架曲率较小的曲梁(如前壁和后壁的顶梁和弯曲梁)简化为直梁。

1.3 网格划分

选择网格尺寸为20 mm，包括746 422个基本元素以及1271 426个节点，建立车身骨架的三维有限元模型如图2所示。

图2 车身骨架网格划分有限元模型

1.4 载荷处理

施加在纯电动客车车身骨架上的载荷主要有静载荷和动载荷。

静载荷包括：

1)车身骨架的自质量载荷。在ANSYS软件中通过设置材料属性以及对底盘施加作用力，可计算出车身骨架结构的自质量载荷[11]。

2)集中载荷。包括动力电池、电机、座椅等的集中质量产生的载荷,通过在车身骨架模型上施加质量块来模拟。

3)均布载荷。空调、地板等质量分布较均匀,产生均布载荷,可通过对车身模型四周施加质量块进行模拟[12]，同时在模拟过程中假设车内乘客也均匀分布在车厢内部，属于均布载荷。

在车身运动过程中,用施加在车身骨架上的作用力来模拟动载荷[13]。

2 车身骨架有限元分析

2.1 载荷

纯电动客车车身骨架除承受静载荷外[14]，还承受车辆通过不同路况时产生的力和力矩等动态载荷。应避免电动客车车身结构在运行过程中材料的破损和过度塑性变形。选取匀速工况和车辆急转弯工况分析客车车身的强度和刚度性能。

2.2 施加质量块

该电动客车车身骨架总成各部分的质量如表2所示。由表2可知：车身骨架自质量为1321 kg，其余部分的质量为2512 kg。综合考虑上述集中载荷与均布载荷在车身骨架上的作用位置，采用ANSYS软件在图3所示的A～F位置分别施加314、235、278、715、278、692 kg(合计2512 kg)的质量块，模拟作用在车身骨架上的集中载荷与均布载荷。

表2 车身各部分的质量 kg

图3 施加质量块位置示意图

2.3 匀速工况

2.3.1 施加约束条件以及作用力

1)约束条件

约束左前轮、右前轮、右后轮和左后轮支撑骨架中部位置悬架节点a、b、c、d处X、Z向的自由度[15-16]，如图4所示，保留车辆直线行驶方向上的自由度。

图4 匀速工况施加约束力位置示意图

2)作用力

由表2可知,所选纯电动客车车身骨架总成总质量m=3833 kg，计算车身骨架总成所受的力

F=mg=37.563 kN，

式中：g为重力加速度，g=9.8 m/s2。

将力F施加车身骨架质心处，如图4所示。

2.3.2 强度、刚度分析

在Solution中加入需要分析的结果选项，即Equivalent Stress(等效应力)和Total Deformation(总形变)，分析车身骨架的应力及变形。

1)应力分析。车身骨架应力分布如图5所示(图中单位为MPa)。从图5可以看出：车身骨架所受到的最大应力为245.004 MPa，出现在车架底部靠近电池的位置。低合金钢的材料屈服强度为355 MPa[17-18]。故客车车身骨架强度满足要求。

2)变形分析。车身骨架变形如图6所示(图中单位为mm)。由图6可看出:车身骨架的总体变形量较小，最大变形量出现在车顶尾部，即空调的安放位置，变形量为3.901 mm。国标中后置发动机客车的最大变形参考值为10 mm[19],因此，此车身骨架刚度满足要求。

图5 车身骨架应力云图图6 车身骨架变形云图

2.4 急转弯工况

在紧急转弯情况下，车身受到两个力的作用[20]。一个是静载荷所引起的力，另一个是在急转弯时车身离心力附加给车架的横向惯性力[21]。在ANSYS中对模型施加0.4g的横向加速度，模拟客车在左、右急转弯工况下的受力情况。

图7 急转弯工况施加约束和作用力

2.4.1 施加约束条件和作用力

1)约束左前轮、右前轮、右后轮和左后轮支撑骨架中部位置悬架节点a、b、c、d的z向自由度，如图7所示,使车辆在x、y方向上进行急转弯。

2)对车身施加重力加速度g、横向加速度0.4g和车身总载荷作用力37.563 kN。

2.4.2 强度、刚度分析

1)应力分析。因该纯电动客车的动力电池在车身底部左右两侧基本对称分布，所以左、右转弯工况受力变化情况基本一致。图8给出左转弯工况车身应力分布的仿真结果(图中单位为MPa)，车身在车架底部纵梁靠近动力电池的位置所受的应力最大，为343.007 MPa，该应力由车身、动力电池的自身质量载荷和转弯时产生的离心力引起。低合金钢车架材料的屈服强度为355 MPa，所以客车车身骨架强度满足要求。

2)变形分析。车身变形情况如图9所示(图中单位为mm)。由图9可知：客车骨架最大位移发生在客车转弯时距转弯中心点最远处，是由动力电池载荷和离心力共同作用所致。最大位移为5.406 mm，满足刚度要求。