纯电动城市客车全铝车身骨架轻量化分析

谢阁，何锋，蒋雪生，王铭昭

（1.550025 贵州省 贵阳市 贵州大学 机械工程学院；2.550025 贵州省 贵阳市 贵州长江汽车有限公司）

0 引言

城市客车的主要承载部件为客车整车骨架，通过整车骨架轻量化可以有效降低纯电动城市客车的质量和电能的消耗，提高续航能力，从而提升整车性能。

城市客车整车骨架轻量化主要通过轻质材料的应用[1]、采用轻量化设计方法[2]以及轻量化制造工艺[3]来实现。相关研究中，张琼[4]等人对比分析了高强度钢结构和铝合金车身结构在4 种典型工况下的最大位移变化量，其有限元分析中并没有对材料的屈服极限进行研究；冯遇坤[5]等人针对客车车身骨架采用铝合金型材替代钢制方管的可行性展开研究，但只分析铝合金型材壁厚与截面尺寸对结构弯曲刚度和扭转刚度的影响，不能充分减重；罗宾[6]等人对铝合金白车身展开轻量化研究，对白车身的弯曲刚度与扭转刚度进行灵敏度分析，再结合经验对杆件进行设计，耗时且不能充分减重。

本文通过材料更换、结构优化[7]以及灵敏度分析[8]，对纯电动城市客车整车骨架进行轻量化分析[9]，且能满足整车骨架结构的刚度强度性能。

1 骨架静力学分析

1.1 构建模型

运用UG 构建纯电动城市客车整车骨架结构模型，并将其导入HyperMesh 软件中进行静力学分析。该模型采用Q235 为车身骨架材料和Q345为车底骨架材料的封闭环结构，如图1 所示。

图1 城市客车整车骨架有限元模型Fig.1 Finite element model of urban bus frame

表1 为整车骨架材料属性。采用壳单元进行网格划分，共有901 742 个模型单元及912 864节点。

表1 整车骨架材料参数Tab.1 Material parameters of vehicle frame

1.2 载荷处理

该纯电动城市客车主要承受的载荷包括侧窗玻璃、车门、座椅、电池组、驾驶员以及乘客等。将玻璃、车门、电池组等载荷以平均质量单元均匀施加在整车骨架结构上，载荷质量分布如表2所示。

表2 载荷质量分布Tab.2 Load mass distribution

1.3 静力学分析

在左极限扭转工况下对城市客车整车骨架进行静力学分析，约束条件及载荷如表3 所示。F，R 表示前、后；A，B 表示左、右轮胎；1，2，3表示的是X，Y，Z 移动方向。在该模型Y 向施加-1g 的重力加速度。

表3 左极限扭转工况的约束及载荷Tab.3 Constraints and loads of left ultimate torsion

通过Optistruct 分析，获得城市客车整车骨架的位移、应力分布，显示采用封闭环车身骨架结构受力均匀、承载能力强以及弯曲和扭转刚度较好。由图2 所知，该工况下的最大位移值为4.917 mm，出现在左前轮的位置，因左前侧车轮处于悬空状态，车身承受较大扭矩，巨大的扭转作用造成了车架变形。

图2 左极限扭转工况下位移分布图Fig.2 Displacement distribution under left ultimate torsion condition

由图3 所知，该工况下的应力变化量最大为304.1 MPa，最大应力发生的位置在车底骨架和后座的交界处，此处座椅连接密集，乘客比较集中，且靠近电池组。

图3 左极限扭转工况下最大应力放大图Fig.3 Enlarged view of maximum stress under left ultimate torsion condition

2 整车骨架轻量化分析

2.1 车身骨架材料更换

将纯电动城市客车车身骨架材料更换成铝合金6061，且不改变车底骨架的材料，并进行静力学分析，材料属性如表4 所示。图4、图5 分别为位移分布图和最大应力分布图。最大位移值有小幅度的提升，最大应力处的位置与图3 相同，但应力最大变化量为366.5 MPa，不满足车底骨架的屈服极限，当超过极限应力值时，骨架将会塑性变形。下一步对车底骨架进行结构优化，降低最大应力值，减少应力集中。

表4 铝合金6061 性能指标Tab.4 Performance index of aluminum alloy 6061

图4 材料更换后位移分布图Fig.4 Displacement distribution after material replacement

图5 材料更换后最大应力放大图Fig.5 Enlarged drawing of maximum stress after material replacement

2.2 车底骨架结构优化

根据上述静态分析的结果，在最大应力处添加应力分量以优化车底骨架的结构。图6 示出了优化前后的车底骨架的结构。

图6 优化前后车底骨架结构对比Fig.6 Comparison of chassis framework structure before and after optimization

2.3 基于灵敏度分析的尺寸优化

为进一步提高整车骨架的刚强度性能，在结构优化的基础上采用灵敏度分析的方法对模型杆件进行尺寸优化。以该模型杆件作为设计变量，设置刚度约束，最小体积为目标函数，根据灵敏度分析结果选取对结构性能影响度低但对减重影响度高的模型杆件作为尺寸优化的设计变量。

对城市客车整车骨架杆件进行灵敏度分析。杆件的厚度X={ x1，x2，…，xn}，最小总体积Vol(X)作为目标函数，车身刚度的状态量gk(X)作为约束条件，则优化模型为

对于一个响应，可以用单元响应和设计变量的函数关系式给出

特定响应r 相对于设计变量x 的变化量称为设计灵敏度系数。

对于灵敏度系数的求解，通常有2 种方法:直接法和伴随矩阵法。对于直接法，响应相对于设计变量改变的灵敏度通过1 阶差分近似为

将有限元分析以通用形式可以列为

式中：S——用于静态分析的刚度矩阵K 以及S=-ω2M+iωB+K（用于频率响应分析）。

式（5）的导数形式：

伴随矩阵法利用式（7）

将灵敏度系数计算式替代为

通过Optistruct 求解器10 次迭代后，得出响应函数与设计变量之间的偏导，其中体积与扭转柔度对灵敏度影响最大。图7 为优化前后的加速度响应曲线。优化后的加速度响应曲线明显降低，平均值由5.30E+03 降低至3.37E+03，方差由1.07E+08 降低至9.00E+06。

图7 优化前后响应曲线对比Fig.7 Comparison of response curves before and after optimization

表5 为参数优化后的结果。扭转柔度对厚度灵敏度为正值时，则体现出该组杆件中体积对原厚度灵敏度值较小应增加其厚度，反之，则减少其厚度。厚度的选取符合材料的国家标准，并根据表中的两个灵敏度值合理地分配杆件的厚度。

表5 设计变量优化结果Tab.5 Optimization results of design variables

2.4 骨架优化结果分析

通过对左极限扭转工况的验算，对比优化前后的城市客车骨架性能特点，验证优化方案的可行性，结果见表6。优化后的城市客车骨架质量从1 936 kg 降低到1 334 kg；最大位移量从4.917 mm 降低到4.553 mm；车底骨架最大应力从304.1 MPa 增加到332.9 MPa；车身最大应力从91.7 MPa 降低到107.4 MPa，优化后的质量明显减少，最大位移变化量有所减少，整车骨架刚强度均满足要求，轻量化效果显著。

表6 优化前后骨架性能对比Tab.6 Comparison of skeleton performance before and after optimization

3 结论

通过材料更换、结构优化与灵敏度分析对纯电动城市客车整车骨架进行轻量化分析，结论如下：

（1）通过材料更换与结构优化对高密度区域和应力集中的结构进行改进，增加受力部件，消除应力集中。

（2）根据灵敏度分析结果优化杆件尺寸，纯电动城市客车整车骨架质量减少31.09%，最大位移量减少7.40%，优化效果显著。