某电动客车车身骨架强度与刚度特性分析*

杨　路　杨秀建　高　晋　张　昆　李海青（昆明理工大学交通工程学院　云南　昆明　650500）

·设计·计算·

某电动客车车身骨架强度与刚度特性分析*

杨路杨秀建高晋张昆李海青
（昆明理工大学交通工程学院云南昆明650500）

摘要：车身骨架的刚度是影响车辆设计可靠性与行驶安全性的重要因素。基于CATIA建立某电动客车车身骨架模型，针对梁单元无法考虑构件局部屈曲的不足，建立基于壳单元的车身骨架有限元模型。利用HyperWorks软件对骨架弯曲工况和扭转工况下的强度和刚度进行计算，得到相应工况下的应力应变分布；并对骨架进行模态分析，得到车身骨架整体刚度响应。结果表明：骨架结构强度在材料的屈服极限内，骨架存在局部应力集中，且整体应力余量较大；模态分析发现骨架整体刚度较大，骨架顶盖有明显的突变现象；还对骨架的动静态特性进行了评价，并提出改进意见，研究结果可为电动车骨架结构设计与改进提供参考。

关键词：刚度强度车身骨架壳单元电动客车

引言

电动客车凭借其污染小、无需机械传动、低噪声等特点成为短途运输的主力车型。车身骨架作为车辆载荷承载基体，不仅承受动力电池全部质量、乘客质量，还承受车辆行驶过程中的力和力矩，因此有必要对车身骨架强度及刚度进行分析[1，2]。文献[3~5]利用有限元法对汽车车身结构进行了研究，其中文献[3]运用参数化曲面造型技术完成整车造型、使用壳单元划分网格，完成轿车的刚度强度分析，弥补了梁单元不能反映连接处局部应力分布的不足。文献[4]是通过创建摩托车车架有限元模型，将轮毂中心的强迫位移函数作为激励载荷加载，分析了车架在振动工况下的动态响应，但需要测量车架前后轮毂中心激励位移，增加了测量成本。文献[5]基于模态参数理论对某微型电动车车架的振动特性进行了研究，并对其进行结构优化，为电动车动态性能分析提供新的思路。电动车车架的研究因动力源的不同而有别于传统汽车，不能简单地将传统汽车车架应用于电动车上，因此有必要针对电动车自身的特点对骨架结构进行研究。

本文以某型电动客车车身骨架为研究对象，对骨架结构的动静态性能进行研究。利用HyperWorks软件建立基于壳单元的车身骨架有限元模型，运用OptiStruct求解器求解骨架满载弯曲及扭转工况的静态响应；利用有限元模型，基于模态分析理论，对车身骨架的动态特性进行分析。研究结果可为电动车车身骨架结构设计与优化提供依据。

1　有限元模型的建立

图1所示为车身骨架模型。该型车车身由底骨架、侧围、前后围、顶盖构成的半承载式车身，主要是60×40×20 mm、40×30×2 mm、25×25×1.5 mm、20×20×1.5mm的矩形钢板焊接而成。半承载式车身底骨架前端与带有副车架的整体式前桥通过M16螺栓连接；后桥与钢板弹簧通过吊耳连接。该电动客车骨架材料采用合金钢，其力学特性参数如下：弹性模型为2.1×105MPa；泊松比μ为0.30；密度ρ为7.9×10-9t/mm3；热处理后的屈服极限为500MPa。

图1 车身骨架几何模型

为较为真实地反映构件连接处的应力状况，将车身骨架离散为壳单元集，采用PSHELL单元对其进行网格划分，在保证车身结构主要力学特性及计算精度的前提下利用HyperMesh程序对骨架几何模型进行简化，采用以四边形为主的网格类型，避免过多的三角形单元引起局部刚性过大。考虑到模型精度及计算规模，将单元尺寸控制在10～25mm的范围内。分析中使用RBE2刚性单元模拟部件间的焊接，整车形成焊接单元2378个，最后整车骨架划分为300035个单元，其中四边形单元29844个，三角形单元1587个，模型精度较高。

2　静态分析

2.1分析中的边界条件

分析中的边界条件是车辆实际行驶工况在有限元模型中的具体表现形式[6～8]。约束的施加随汽车行驶工况的变化而变化，同时要满足结构部件不发生刚性位移和不影响部件发生自由变形的要求。分析中主要对车身骨架的前桥螺栓孔和后桥钢板弹簧悬架支撑点进行约束。

弯曲工况分析时约束前轴16个螺栓的UX、UY、UZ三个方向自由度，左后轮UZ方向自由度，右后轮UY、UZ两个方向自由度，弯曲工况有限元模型如图2 a）所示，图2 b）中Ⅰ和Ⅱ分别为前、后轴约束及载荷的局部放大图；扭转工况分析时释放左后轮所有自由度，前轴和右前轮的约束与弯曲工况相同，其中UX、UY、UZ分别表示约束位置的纵向、横向、垂向自由度。

正确处理载荷及其施加形式是获取精确可靠有限元分析结果的前提。车辆满载时骨架载荷主要包括骨架自重、电机质量、驾驶室质量、乘员质量、侧围质量、前后围质量、以及其它附件质量。结合车辆行驶过程中骨架载荷的实际情况，对载荷进行了如下处理，如表1所示。

表1　载荷及施加方式

a）骨架有限元模型

图2　骨架有限元模型

2.2计算分析

通过OptiStruct求解计算，在后处理模块中可得到骨架不同工况下的应变和应力云图，分别如图3、图4所示。

图3　弯曲工况的位移云图和应力云图

弯曲工况是模拟满载状态下，四轮着地时汽车在良好路面匀速直线行驶的状态。从位移云图可以看出，骨架中部和尾部变形较大，最大变形量为2.803 mm，位于车辆尾部，这是由于尾部电池过重造成的，此处易发生骨架破坏，比较危险；车辆中部变形较大是因为乘客多位于车厢中部，符合实际情况。从应力云图结果来看，骨架最大应力为280.6 MPa，位于骨架尾部前轴约束位置，除前后轴约束位置应力较大外，大部分应力在32MPa左右。

图4　扭转工况的位移云图和应力云图

扭转工况是模拟某个车轮悬空、被抬高或降低时骨架结构的受力状态。从图中可以看出，左后轮悬空时骨架最大变形量为14.52mm，位于顶盖左后端。左后轮悬空时承受轮罩电池质量，致使左纵梁变形大于右纵梁的变形，变形量从后向前依次减小。从应力云图可以看出，车身结构等效应力最大值为396.7 MPa，位于右后轮罩与横梁联接处，骨架发生较大扭转变形时，此处较高的抗扭刚度阻碍扭转变形沿横梁传递，造成右后轮罩下方部件应力大幅度增加，产生应力集中。扭转工况在使用中属危险工况，应尽量避免。

3　模态分析

动态分析设计是结构设计中的重要环节之一，动态性能的好坏直接影响到结构的可靠性及使用寿命。模态分析作为动态分析的基础，是动态分析的重要内容，因此通过模态分析获得骨架结构的动态设计参数是非常重要的。

车身骨架是一个多自由度弹性系统，有无限多固有振型，设车身骨架具有n个自由度，在不考虑阻尼及外载的情况下，系统的振动方程为：

式中：[M]、[K]分别为系统的质量矩阵、刚度矩阵；{X}为系统的位移矩阵。将骨架振动分解为形如（2）式的一系列简谐振动：

式中：ω为简谐振动的圆频率，rad/s；φ为任意常数；{u}为特征向量或振幅，m。

式（3）有非零解的条件是系数行列式的值为零，也就转化为求解特征值的问题。

方程（4）为结构自由振动特征值方程，是ω2的n次方程，通常有n个不同的特征根：

称为系统的固有频率。对应于每个特征值ωi方程（3）都有解u，称为系统的模态向量，系统的模态矩阵为

通常用ui描述了振型。各阶固有振型的线性组合构成了结构的振动，其中低阶振型对结构的动力影响程度比高阶振型大得多，分析中提取前16阶的模态振型进行分析。由于分析的是自由模态，所以前6阶是模态频率为零或者接近零的刚体模态。弹性模态计算结果从第7阶算起，骨架的模态分析结果如表3所示，主要振型图如图5所示。

表3　骨架模态分析结果

图5　第9、11、13、14阶振型

模态分析是分析结构整体动态特性的有效方法，图5给出了几阶变形较大的振型图。骨架第9阶振型以顶盖中部弯曲振动为主，且振动幅度很大，其余部分振动幅度很小；第11阶振型为弯曲振动，骨架顶盖前部变形较大；第13阶振型是弯扭混合振动，顶盖前后变形都比较大；第14阶振型为弯曲振动。从振型图可以看出，骨架的固有振型分为两类：一类是车身骨架的整体振动，如第14阶振型；另一类是以骨架某一部分或某几部分振动为主的局部振动，如第9阶振型。车身骨架的振动主要位于骨架顶盖部分，且该处有明显的振型突变，振幅较大，底骨架振动幅度相对较小。

4　骨架动静态特性评价

依据上述分析结果，对车身骨架结构性能评价如下：

1）通过骨架静态满载弯曲及扭转工况分析发现，除了在约束位置和尾部电池前端横梁出现应力集中外，整车骨架应力分布均匀，应力水平不高。对于弯曲工况后横梁出现的应力集中，可考虑改变尾部电池布置位置或者增加结构薄弱处的零件厚度以缓解此处的应力集中，提高骨架整体强度；对于扭转工况右后轮罩与横梁联接处的应力集中现象，建议该处使用高强度钢或者将轮罩上方的电池布置于车厢中部以减少轮罩上方载荷。从整车骨架应力考虑，车身骨架大部分应力水平较低，强度富余，可适当对其进行结构优化和轻量化改进，以节省材料。

2）模态分析发现，该型电动车骨架的模态频率在0~30Hz内，弹性模态的前10阶频率分布比较分散。从模态振型图可以看出，车身骨架顶盖中部及前部中间振动变形较大，需要加强该区域的刚度，降低振幅，可增加横梁或增加现有结构厚度以提高骨架局部刚度。

5　结论

1）基于壳单元建立有限元分析模型，较好地避免了梁单元模型计算带来的误差，有限元模型精度较高，计算结果有较高的准确度。

2）从静态分析结果来看，车身骨架弯曲和扭转工况下的应力均小于材料的屈服强度，骨架结构设计比较安全。由动态分析结果可知骨架整体变形较为均匀，顶盖变形相对较大。

3）对车身骨架进行了有限元分析，得到车身骨架的应力分布情况及位移响应，分析结果有利于发现车身结构设计中的薄弱环节和危险部位，对于电动车骨架设计与改进具有一定的指导意义。

参考文献

1朱茂桃，李超，刘一夫.基于HyperWorks的电动车车架有限元分析[J].重庆交通大学学报（自然科学版），2012，31（5）：1071～1074

2Zhang X F，Zhao Y，Li.SH.FEM modal analysis of vehicle framebased on ANSYS[C].2011 InternationalConference on Consumer Electronics Communications and Networks（CECNet），April2011

3丁玉庆，马幼鸣.轿车车身强度及刚度有限元分析[J].解放军理工大学学报（自然科学版），2012，13（3）：320～323

4Huang ZH，Xu ZM，Zhang ZF，etal.Modal analysis of the motorcycle vibration characteristic[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2006，37 （9）：208~210

5Jiang LB，Li JS，Liu JL.Structural performance analysis and optimization ofamini-electric vehicle frame[C].International Conference on Electric Information and Control Engineering，2011

6Abdelal G F，Cooper J E，Robotham A J.Reliability assessment of 3D space frame structures applying stochastic finite elementanalysis[J].Int JMech Mater Des，2013，9 （1）：1~9

7Gu ZQ，MiCJ，Wang Y T.A-type frame fatigue lifeestimation of amining dump truck based on modal stress recovery method[J].Engineering Fatigue Analysis，2012，26：89~99

8尹安东，龚来智，王欢，等.基于HyperWorks的电动汽车车架有限元分析[J].合肥工业大学学报（自然科学版），2014，37（1）：6～9，77

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中图分类号：U463.82

文献标识码：A

文章编号：2095-8234（2015）02-0061-05

收稿日期：（2015-03-12）

基金项目：国家自然科学基金项目（51465023），昆明理工大学人才培养项目（KKSY201402065）。

作者简介：杨路（1989-），男，硕士研究生，主要研究方向为车辆动力学与汽车CAE技术。

通讯作者：杨秀建（1980-），男，博士，副教授，主要研究方向为汽车系统动力学与控制、汽车CAE技术等。

S
trength and Rigidity Analysis for an Electric BusBody Frame

Yang Lu，Yang Xiujian，Gao Jin，Zhang Kun，LiHaiqing
Faculty of Transportation Engineering，Kunming University ofScienceand Technology
（Kunming，Yunnan，650500，China）

Abstract：Rigidity of vehicle body frame is one of the crucial factors that affecting vehicle′s design reliability and driving safety.The CADmodelofan electric bus body frame is created based on CATIA，in allusion to shortcomings ofmodal based on beam element that can't consider local buckling，the finite elementmodelofbusbody frame isestablished based on shellelements.Then it isemployed to complete its strength and rigidity calculation under full load bending and torsion operating conditions by mean of the HyperWorkssoftware，obtaining a corresponding stressand strain distribution,andmodalanalysisofbody frame ismade，then obtaining integral rigidity response ofbody frame.The resultsare shown that thisbody frame′s strength iswithin the scope of thematerials yield,the local stress concentration ismarkedly found on tail beam of body frame，and integral stress allowance is larger；it is found that body frame integral rigidity is larger，carrying a significant mutation on the roof of body frame；the dynamic&static characteristicsofvehiclebody frameare evaluated，some suggestionsare proposed accordingly.The results presented in the papermay be helpful for the structuraldesign and improvementof theelectric bus frame.

Keywords：Rigidity，Strength，Busbody frame，Shellelement，Electric bus