王滿光

摘 要：建立了純電動公交車車身骨架結(jié)構(gòu)的有限元模型，用HyperMesh進(jìn)行前處理，生成計算輸入文件，用ABAQUS進(jìn)行了自由模態(tài)分析和靜強(qiáng)度分析計算。提取了前十階固有陣型和頻率；得到了極限彎曲工況、極限扭轉(zhuǎn)工況、緊急制動工況和急轉(zhuǎn)彎工況等4個標(biāo)準(zhǔn)工況的強(qiáng)度結(jié)果。找到了應(yīng)力集中的位置，分析了應(yīng)力集中的原因，給出了改進(jìn)方法，最終使結(jié)構(gòu)滿足了使用要求。

關(guān)鍵詞：純電動客車，車身骨架，有限元，模態(tài)分析，強(qiáng)度分析

隨著人們對環(huán)境問題的日益重視，以及國家政策的支持，越來越多的公交客車使用電能來作為驅(qū)動力。純電動客車有零排放、噪聲小、行駛穩(wěn)定性高等優(yōu)點。但由于純電動客車的動力電池技術(shù)還沒有發(fā)展的很完美，為了達(dá)到必要的行駛里程，必須安裝足夠的電池箱。這造成了車上的電池箱數(shù)量多，質(zhì)量重，提高了對骨架結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求。通過有限元分析的方法對車身骨架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，可以指導(dǎo)設(shè)計，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，縮短研發(fā)周期，降低研發(fā)成本。

1 車身骨架結(jié)構(gòu)有限元模型建立

1.1 幾何處理

本項目主要研究車身骨架結(jié)構(gòu)，其為全承載式車身，骨架全部為矩管型鋼材相互焊接而成，部分位置有鋼板作為加強(qiáng)板。忽略小尺寸結(jié)構(gòu)，比如小孔、倒圓角等[1]；忽略非承載構(gòu)件，比如擋風(fēng)玻璃、支架等；忽略車身蒙皮。

1.2 單元選擇

當(dāng)結(jié)構(gòu)一個方向的尺度（厚度）遠(yuǎn)小于其他方向的尺度，并忽略沿厚度方向的應(yīng)力時，用殼單元模擬計算可以得到很精確的結(jié)果[2]。本項目車身骨架主要為矩管，其厚度小于截面結(jié)構(gòu)尺寸的1/10， 非常適合用殼單元進(jìn)行模擬，所以采用四邊形殼單元（S4）進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在結(jié)構(gòu)復(fù)雜處采用三角形殼單元（S3）進(jìn)行過渡。矩管之間的焊接采用節(jié)點重合和剛性連接的方式模擬。載荷設(shè)置成質(zhì)量單元，用rbe3單元連接在車身相應(yīng)位置。

1.3 材料參數(shù)

車身材料主要為Q235鋼和為Q345鋼。統(tǒng)一量綱后的鋼材計算參數(shù)：彈性模量2.1E5MPa，泊松比0.3，密度7.85E-9T/mm3，重力加速度9800N/T。

Q235鋼，屈服極限235MPa；Q345鋼，屈服極限345MPa。

1.4 載荷施加

載荷有車上各種設(shè)備、車身附件、乘客、車身自重等。

2 骨架結(jié)構(gòu)自由模態(tài)分析

客車在行駛過程中，往往會受到各種外部激勵的作用而產(chǎn)生振動，如果激勵源的振動頻率與車身整體或局部結(jié)構(gòu)的固有頻率接近或相同，就會產(chǎn)生共振現(xiàn)象。共振會帶來巨大的噪音、破壞車身結(jié)構(gòu)[3]。所以本項目對車身的固有頻率進(jìn)行了分析，來查看其能否避開外界激勵源的頻率。

提取了除剛體模態(tài)外的前十階陣型和頻率，頻率如表1所示。

前四階陣型圖如圖2。

前十階頻率在8-22Hz之間，整體結(jié)構(gòu)不會產(chǎn)生受激共振的現(xiàn)象。但在第四階之后頂蓋后懸位置的U型埋板振幅相對整車其它結(jié)構(gòu)過大，需要改進(jìn)。

3 骨架結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度分析

公交車在實際運行中的受力情況十分復(fù)雜。行駛中有路況較好的平直路面，有比較坑洼的路面，有轉(zhuǎn)彎的情況，有緊急剎車的時候。通常把各種情況簡化為4種標(biāo)準(zhǔn)的工況，分別為極限彎曲工況、極限扭轉(zhuǎn)工況、急轉(zhuǎn)彎工況和緊急制動工況。極限彎曲工況模擬車輛在平直路面快速行駛的情況，此時車輛只受豎向重力作用，動載系數(shù)取2.5。極限扭轉(zhuǎn)工況模擬車輛在坑洼路面慢速行駛的情況，此時會有車輪懸空的情況出現(xiàn)，只受豎向重力作用，動載系數(shù)取1.5。急轉(zhuǎn)彎工況摸擬急轉(zhuǎn)彎的情況，此時車輛除了受豎向重力作用，還受轉(zhuǎn)彎離心力的作用，豎向動載系數(shù)取1.5，離心力加速度取0.4g。緊急剎車工況模擬急剎車的情況，此時此時車輛除了受豎向重力作用，還受行駛方向的慣性力作用，豎向動載系數(shù)取1.5，慣性力加速度取0.7g[3][4]。

4種工況分析的應(yīng)力云圖如圖3所示。

各工況最大應(yīng)力如表2所示。

由計算結(jié)果可知，在極限彎曲工況和極限扭轉(zhuǎn)工況下結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力超出了材料屈服極限，需要對結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，主要就是前懸架與底架中部連接位置的橫梁。通過分析知道，這個位置之所以應(yīng)力過大，是斜撐尺寸小了一些，支撐位置不合理，直接撐在了此橫梁受力面的中間，沒有利用好矩管結(jié)構(gòu)的受力特性。所以我們的改進(jìn)方法為，加大了斜撐的尺寸，調(diào)整支撐位置，在橫梁受力面上加焊加強(qiáng)板。改進(jìn)之后，再次計算，應(yīng)力減到了345MPa之下，滿足了強(qiáng)度要求。

4 結(jié)語

本項目建立了純電動公交車車身骨架結(jié)構(gòu)的有限元模型，進(jìn)行了自由模態(tài)分析和4種標(biāo)準(zhǔn)工況下的靜強(qiáng)度分析。

通過自由模態(tài)分析，提取了前十階的固有陣型和頻率，頻率在8-22Hz之間，避開了地面激勵頻率和電機(jī)激勵頻率，車輛整體結(jié)構(gòu)在正常行駛時不會產(chǎn)生共振現(xiàn)象。

通過靜強(qiáng)度分析，發(fā)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中的位置。分析了應(yīng)力集中的原因，給出了改進(jìn)方法，使結(jié)構(gòu)滿足了強(qiáng)度要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]王鈺棟，金磊，洪清泉，等編著. HyperMesh & HyperView應(yīng)用技巧與高級實例[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[2]莊茁，由小川，等編著.基于ABAQUS的有限元分析和應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社2009.

[3]王青泉.基于HyperMesh的大客車車身骨架有限元分析[D].西安：長安大學(xué)，2013.

[4]楊路.基于FEM的某電動客車車身骨架靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析[J].小型內(nèi)燃機(jī)與車輛技術(shù)，2015，44（1）：36-41.