韓 剛

(哈爾濱通聯(lián)客車有限公司，哈爾濱 150090)

新能源汽車行業(yè)發(fā)展迅速，尤其是純電動客車，其優(yōu)點是零排放、操作簡單、運營成本低。制約純電動客車發(fā)展的主要問題是續(xù)駛里程，在其他方面不變的情況下，降低整車的整備質(zhì)量是解決續(xù)駛里程的關(guān)鍵。因為車身重量占整車重量的1/3以上，因此純電動客車必須做好輕量化設(shè)計，利用拓撲優(yōu)化理論及有限元法分析，通過車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，在保證純電動客車剛度和強度的同時，使純電動客車車身重量最輕，真正起到節(jié)能、減排效果。

1 拓撲優(yōu)化理論基礎(chǔ)研究

用拓撲優(yōu)化方法進行純電動客車車身設(shè)計時應(yīng)充分利用形狀優(yōu)化，尋找承受單個載荷或多個載荷的物體的最佳材料配置方案，該方案在拓撲優(yōu)化中表現(xiàn)為最大剛度設(shè)計方案?；诖?，應(yīng)優(yōu)先建立純電動客車的基礎(chǔ)數(shù)模模型，通過搜索優(yōu)化的方式，刪除車身結(jié)構(gòu)中非必要的構(gòu)件部分，保留車身結(jié)構(gòu)中的重要構(gòu)件部分，以達到優(yōu)化純電動客車車身結(jié)構(gòu)、提高純電動客車車身結(jié)構(gòu)布局的合理性、可靠性的目的。通過對拓撲優(yōu)化理論的實際應(yīng)用，以基礎(chǔ)數(shù)模模型為基礎(chǔ)，達到快速研發(fā)、設(shè)計各類型車身結(jié)構(gòu)及滿足輕量化設(shè)計的要求，高效完成純電動客車車身結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計。

圖1 純電動客車的基礎(chǔ)數(shù)模模型Fig.1 Basic mathematical model of pure electric bus

在進行拓撲優(yōu)化時，應(yīng)從分析-靜力分析；單元-階四面體、二階四面體；材料-線彈性、彈塑性、超彈性材料；荷載-集中力、壓力、力矩、重力；約束-位移約束；接觸-綁定接觸、面面接觸；連接-剛性連接、梁單元連接；優(yōu)化目標函數(shù)-最大化結(jié)構(gòu)剛度；優(yōu)化設(shè)計變量-拓撲變量；優(yōu)化約束條件-體分比等方面入手。應(yīng)將車身結(jié)構(gòu)分解成多個單元，分解單元的個數(shù)為a，則每個分解單元為y(i =1,2,3,4,5,…,a)，在對車身結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化時，優(yōu)化的第 h個單元稱之為不需要保留單元，yh的計算結(jié)果為0，優(yōu)化的第 h個單元為保留單元，yh的計算結(jié)果為1。純電動客車車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計可以采用有限元和變量方法。

2 客車車身材料的主要種類

在汽車材料發(fā)展過程中，新材料的應(yīng)用不可或缺，從最開始的金屬材料，到鋁合金材料，發(fā)展到現(xiàn)在的碳纖維復(fù)合材料，說明車身材料在不斷發(fā)展變化。在對客車車身進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，要考慮使用的材料。過去客車車身大多以鋼材為主，占比大于90%，輕量化、節(jié)能降耗和降低排放污染是現(xiàn)代汽車的發(fā)展趨勢，而輕量化必須從改進材料入手。汽車材料是汽車技術(shù)的重要組成，其發(fā)展趨勢是：車身結(jié)構(gòu)材料中的鋼鐵材料占比逐漸下降，有色金屬、陶瓷材料、復(fù)合材料、高分子材料等新興材料占比逐步上升。在性能可靠的前提下，鋁合金材料、和碳纖維復(fù)合材料等將逐步取代鋼鐵材料。

純電動客車車身設(shè)計在滿足功能性要求時，還要滿足經(jīng)濟、美觀的要求。車身材料主要選擇高強度鋼板、鋁合金和復(fù)合材料等。高強度鋼板是在低碳鋼內(nèi)加入相應(yīng)微量元素，經(jīng)過多重處理軋制而成，其抗拉強度高達420 N/mm2，深拉延性能極好，是實現(xiàn)車身輕量化極好的材料；鋁合金與鋼板相比，具有密度小(2.7 g/mm3)、比強度高、耐腐蝕、熱穩(wěn)定性好、易成型、可回收再成型等優(yōu)點；碳纖維復(fù)合材料主要是由炭纖維絲束和樹脂材料組成，碳元素化學性質(zhì)穩(wěn)定，無須進行表面防腐處理，壽命是鋼材的2倍以上，碳纖維復(fù)合材料的抗拉強度一般都3 500 MPa以上，由該種材料制作的車身受外力撞擊，變形極小，能有效提高車輛的被動安全性能。

近幾年，純電動客車在國家的大力扶持下得到了迅猛發(fā)展。純電動客車發(fā)展初期，為了降低車身重量，在保證車身結(jié)構(gòu)設(shè)計和強度的基礎(chǔ)上，大量使用了高強度鋼板。隨著純電動公交客車的推廣和普及，為了提高車輛的續(xù)駛里程，對車身輕量化的要求越來越高，高強度鋼板的車身已滿足不了對車身重量的要求，鋁合金車身得到了業(yè)界的普遍重視，主流新能源客車廠家都在研發(fā)和使用鋁合金材料。鋁合金車身重量較鋼材車身重量降低了25%～35%，鋁合金結(jié)構(gòu)件采用鉚接和螺栓聯(lián)接，可替代傳統(tǒng)的焊接工藝，鋁合金沖壓成型技術(shù)替代了傳統(tǒng)鋼板，可大幅提升結(jié)構(gòu)件的性能。車輛報廢時，鋁合金回收率可達到85%以上。

圖2 10.5 m純電動公交客車鋁合金頂棚骨架布置圖Fig.2 Skeleton layout of 10.5 m pure electric bus aluminum alloy roof

圖3 10.5 m純電動公交客車鋁合金左側(cè)圍骨架布置圖Fig.3 Skeleton layout of 10.5 m pure electric bus aluminum alloy bone around on the left side

圖4 10.5 m純電動公交客車鋁合金右側(cè)圍骨架布置圖Fig.4 Skeleton layout of 10.5 m pure electric bus aluminum alloy bone around on the right side

3 車用新型材料的性能及經(jīng)濟性

車用新材料、新工藝對汽車工業(yè)發(fā)展至關(guān)重要。高強度鋼板的抗拉強度是普通鋼板的2倍以上，各類型的高強度鋼板可滿足不同需求，其主要特點是具有較高強度，較普通鋼板高15%～25%，平衡性好，耐腐蝕性較普通鋼板提高了20%。但鋼的耐腐蝕性需要特殊的防腐處理，才能滿足工作要求。

鋁合金構(gòu)件在10 m純電動客車車身中可代替鋼構(gòu)件，由于鋁合金的密度低，車身整體質(zhì)量可減輕450 kg以上。在降低重量的同時，為了保證車身的各項性能指標都優(yōu)于鋼質(zhì)車身構(gòu)件，擬采用英國帝國理工學院高強度鋁合金熱成型技術(shù)工藝，以先進的壓鑄、切削、冷沖、鍛造等技術(shù)手段進行加工制造，配以與工藝相適應(yīng)的高強度鋁合金板材，實現(xiàn)一系列高性能鋁合金結(jié)構(gòu)件的試生產(chǎn)加工、測試、應(yīng)用、優(yōu)化等。鋁合金的隔熱吸振性能、耐腐蝕性均優(yōu)于高強度鋼板。

碳纖維復(fù)合材料在汽車輕量化上的應(yīng)用潛力巨大，具有其他材料不可比擬的密度、比強度、比模量等力學性能，實現(xiàn)了成本、制造工藝及技術(shù)的突破。碳纖維復(fù)合材料的拉伸強度遠遠優(yōu)于其他材料，其質(zhì)量是鋼的一半，沖擊能量和吸收能力是鋼的4～5倍。在車身上使用碳纖維復(fù)合材料，可降低車身整備質(zhì)量的40%以上，在降低重量的同時，還可極大提升結(jié)構(gòu)件的安全性、美觀性、耐腐蝕性。

在經(jīng)濟性方面，鋼板的價格最低，鋁合金價格居中，碳纖維復(fù)合材料的成本最高，碳纖維復(fù)合材料適用高端車型，現(xiàn)階段不易于大面積的推廣使用。

4 純電動客車車身受力分析及拓撲優(yōu)化

純電動客車整車設(shè)計應(yīng)符合GB1589規(guī)定和設(shè)計任務(wù)書的要求，確定車身主要輪廓尺寸并考慮整車造型的比例協(xié)調(diào)，主要輪廓尺寸包括車長、車寬、車高、軸距、前懸、后懸等，駕駛區(qū)和乘客區(qū)的合理布置，合理優(yōu)化客車的內(nèi)部空間；客車乘客門及安全頂窗的數(shù)量、位置、最小尺寸等應(yīng)符合GB13094中的規(guī)定。車身骨架由前圍骨架、后圍骨架、左側(cè)圍骨架、右側(cè)圍骨架、頂棚骨架和底架構(gòu)成。

在進行純電動客車車身骨架設(shè)計時，利用基礎(chǔ)數(shù)模模型，按模塊化設(shè)計開展，盡可能采用標準化結(jié)構(gòu)和標準化零件，力求避免新增模具。在滿足設(shè)計強度和剛度要求的前提下，盡量輕量化設(shè)計，降低重量、控制成本。考慮到整車受力狀態(tài)，車身骨架部分設(shè)計時要有足夠的剛度，車輛運行過程中，前、后圍骨架風擋洞口，左右側(cè)窗洞口，頂棚天窗洞口要有足夠的抗扭剛度，以保證前后風窗玻璃、側(cè)窗玻璃的使用壽命和蒙皮不易開裂；要有足夠的強度，保證在其使用壽命中不發(fā)生零部件開裂、斷裂等缺陷。車身構(gòu)件前期采用的大多數(shù)為高強度鋼板和異形管材，異形管材材料為Q235，這種材料的力學屬性和材料學屬性非常優(yōu)異，車身骨架多采用此種材料，現(xiàn)階段，車身骨架都在向鋁合金材料發(fā)展。

車身骨架部分設(shè)計時要考慮精確度的要求，其數(shù)據(jù)表達為：標注數(shù)據(jù)=理論值+偏差值，對于需用樣板校核的構(gòu)件，理論值最小單位為0.1 mm；對于不需樣板校核的構(gòu)件，理論值最小單位為1 mm，偏差值最小的單位為1 mm。在進行整車設(shè)計時，要考慮氣候條件(高熱、高寒、沙漠、海洋等)、道路條件(平原、山區(qū)、丘陵等)、人文要求、區(qū)域性乘客特點、使用特點、區(qū)域性標準政策法規(guī)等。在進行純電動客車設(shè)計時，要充分利用基礎(chǔ)數(shù)模模型，將車身分成多個單元，依據(jù)純電動客車自身結(jié)構(gòu)特點和客觀因素，根據(jù)客車運行狀態(tài)，采取全約束形式進行設(shè)計，并進行拓撲優(yōu)化設(shè)計，以保證拓撲優(yōu)化模型的科學性和合理性。

在對純電動客車的拓撲優(yōu)化結(jié)果進行分析時，應(yīng)注意客車車身構(gòu)件載荷密度，拓撲優(yōu)化設(shè)計在保證純電動客車車身結(jié)構(gòu)強度的條件下，最大限度地減少了客車車身材料。整車設(shè)計完成后，要對車輛進行設(shè)計校核和設(shè)計評審，既要保證車身結(jié)構(gòu)符合客車車身設(shè)計要求，又要保證客車車身的安全性。

5 新能源客車結(jié)構(gòu)設(shè)計及強度分析

客車車身結(jié)構(gòu)分為非承載式和全承載式兩類，全承載式車身是今后客車設(shè)計的主流。全承載式車身是由相對截面較小的異形管將車身拼裝成一個整體承載結(jié)構(gòu)。全承載式車身主要考察各桿件的自身強度是否合適，要采用強度理論來控制；非承載式車身設(shè)計只要車身剛度滿足要求，其靜強度和疲勞強度自然就滿足要求。對非承載式車身結(jié)構(gòu)設(shè)計進行校核時，要采用剛度理論來控制。剛度理論控制下設(shè)計的車身結(jié)構(gòu)剛度和強度由每一個構(gòu)件自身來保證，因此，車身骨架設(shè)計必須足夠可靠，這樣會浪費材料，導致整車輕量化受到很大限制；強度理論控制下設(shè)計的全承載式車身結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)剛度是由合理的結(jié)構(gòu)來保證，只要每個構(gòu)件強度足夠，則全車結(jié)構(gòu)強度就能達標，因此材料使用大大減少，整車的輕量化也有很大的空間。

在對新能源客車車身進行設(shè)計時，為增加車身整體特別是客艙的剛度，以提高車身結(jié)構(gòu)的安全性，要保證車身結(jié)構(gòu)能夠形成一個或若干個剛性環(huán)形承載，特別是前后懸架前后四個斷面處，這是整車主要的承載截面。剛性的環(huán)形承載結(jié)構(gòu)有兩種型式，包括大閉環(huán)結(jié)構(gòu)和小閉環(huán)結(jié)構(gòu)，把車身機構(gòu)盡量設(shè)計成一體，這樣不僅可以減少加工量，還可以增強其結(jié)構(gòu)強度。拓撲設(shè)計方法可有效保證車身骨架形成一個緊密結(jié)合的整體，避免了應(yīng)力集中，增強了車身整體剛度，車架受力得到改善。采用 Hypermesh 軟件對優(yōu)化后的車身骨架進行靜強度分析，材料屬性及力學特性符合規(guī)定標準，同時滿足設(shè)計需求。

圖5 車身結(jié)構(gòu)的剛性環(huán)形承載結(jié)構(gòu)型式Fig.5 Rigid ring bearing structure of the body structure

6 結(jié)論

要在保證純電動客車車身安全性的前提下研發(fā)出輕量化產(chǎn)品，真正實現(xiàn)節(jié)能減排。優(yōu)化車身結(jié)構(gòu)技術(shù)的運用是實現(xiàn)這一目標的重要方法，通過優(yōu)化車身結(jié)構(gòu)技術(shù)，特別是采用拓撲優(yōu)化方法，可以在純電動客車研發(fā)的策劃階段提供優(yōu)良的設(shè)計方案，為整車的研發(fā)、設(shè)計、生產(chǎn)奠定良好的基礎(chǔ)。