基于HyperWorks的轻型电动物流车车厢骨架结构分析及优化设计

李斌 胡学军

LI Bin et al

河南森源重工有限公司 河南长葛 461500

1 前言

电动物流车以其零排放、使用成本低等优点成为城市配送主要车型。而随着人们对电动物流车装载量及续驶里程问题的日益关注，车厢轻量化越来越受到主机厂以及客户的重视。因此在设计之初就要在满足强度目标的前提下，尽可能地减轻其自重 [1]。

本文以电动物流车车厢骨架作为优化设计对象，应用CAE分析软件HyperWorks对满载状态的电动物流车车厢在弯曲、转弯、制动、扭转4种工况下进行受力分析，得到车厢骨架的应力云图。依据“薄弱处加强、强固处削弱”的原则，对车厢骨架进行轻量化设计，并对其合理性进行分析校核，保证在满足强度要求的同时达到降重目标。

2 车厢骨架有限元模型

在CATIA中建立车厢骨架的三维模型，将其导入HyperMesh软件中划分网格，并建立有限元模型，利用OptiStruct计算其强度。模型采用的是四边形单元网格，单元尺寸为4～5mm。模型单元总数量为1 320 061，节点数量为1 143 214,材料属性见表1,整车网格模型如图1所示。

图1 整车网格模型

表1 车厢骨架材料属性能参数

3 车厢骨架静力学分析

3.1 边界条件

根据静力等效原则，将驾驶室、电池箱、托盘货物等各自的相应位置等效为各自的集中载荷，车架载荷分布如表2所示。

表2 车架载荷分布

按照转弯、制动、扭转不同工况对底盘车架施加不同的边界条件进行仿真模拟[2]。

弯曲工况约束左前轮轮胎与地面接触点的全部自由度，约束其余轮胎与地面接触点的平动自由度；扭转工况在左前轮施加强制位移20 mm，右后轮悬空，释放右后轮支撑，其他约束与弯曲工况相同；制动时除了承受重力外，还要受到纵向惯性力的作用。取最大附着系数为0.5，并在车辆行驶方向的相反方向上附加0.5g；转弯时由于离心力的作用而产生侧向载荷，就必须要求车架具有足够的侧向承载能力。取地面附着系数为0.5，在转弯方向上施加0.5g。

4种典型工况下各轮中心点的约束如表3所示，建立的车架及厢体有限元模型如图2所示。

表3 约束方式

图2 整车有限元模型

3.2 计算结果及评价

本文主要从弯曲、扭转、制动、转弯4种工况对厢体结构强度进行计算分析[3]。厢体骨架在4种工况下的应力云图如图3～6所示。

图3 满载弯曲工况应力云图

图4 制动工况应力云图

图5 扭转工况应力云图

图6 转弯工况应力云图

在4种工况下，车厢骨架强度得到了较为全面的验证，最危险工况为扭转工况，其最大应力出现在纵梁与横梁连接处，最大应力为266.24 MPa，小于所用材料的屈服强度345 MPa，其他工况应力均在100 MPa以下，因此，整个骨架能够符合设计要求。

4 车厢骨架轻量化设计

根据车厢骨架弯曲、扭转、制动、转弯4种工况应力云图进行综合分析发现，车厢骨架所受应力情况良好，安装孔外围几乎不受力。

根据上述分析结果，利用OptiStruct对车厢骨架结构进行优化设计。

本文优化设计将车厢纵梁、横梁、底板厚度定义为设计变量dv1、dv2、dv3，将车厢质量最小作为优化目标，对厢体骨架厚度进行削减。确保厢体骨架在满足刚度的前提下，将厢体骨架质量设计成最小，表4所示为设计变量优化结果[4]。优化后的应力云图如图7～9所示。

表4 设计变量优化结果

表5对优化结果与原车厢进行了比较，通过比较可知，优化后车厢骨架应力应变有所增大，但均在材料许用应力范围之内，说明车厢骨架优化后的强度刚度仍能满足设计要求。同时车厢骨架质量减少，达到了轻量化目标。

图7 弯曲工况应力云图

图8 制动工况应力云图

图9 扭转工况应力云图

表5 优化前后结果比较

从表5中可以看出，优化前后车厢在弯曲工况下的最大应力几乎没有改变。由于车厢横梁和纵梁尺寸做了优化改进，所以优化前后车厢骨架在制动工况下变动量较大。车厢骨架整体质量由461kg下降为379.8 kg，下降了17.61%，符合设计要求。

5 结语

本文以某纯电动物流车厢骨架作为轻量化设计对象，通过三维模型制作、有限元模型建立、强度分析、结构优化等方法，将物流车厢骨架降重17.62%。并通过CAE分析校核，进一步确保了轻量化设计方案的可行性和合理性，在保证强度可靠的同时，实现了厢体骨架的轻量化目标。