某电动客车铆接铝车身蒙皮开裂问题的研究

王明庆

(比亚迪汽车工业有限公司汽车工程研究院，深圳 518118)

2016062

某电动客车铆接铝车身蒙皮开裂问题的研究

王明庆

(比亚迪汽车工业有限公司汽车工程研究院，深圳 518118)

针对经分析认为是因车身刚度不足导致的某电动客车试制车铆接铝合金车身中部乘客门上方蒙皮开裂的问题，通过刚度灵敏度分析，找到对车身刚度影响较大的区域，结合改进方案的可实施性，对车身局部结构进行加强。结果车身弯曲刚度提高11.1%，扭转刚度提高20.6%。对开裂蒙皮附近接头受力情况的分析表明，车身加强后接头满足强度要求。车身模态分析显示，加强后车身固有频率避开了路面激励频率，1阶弯曲模态和1阶扭转模态的频率差值避免了它们的耦合。改进后的实车试验未再出现蒙皮开裂问题，证明了改进方案的有效性，为同类问题的解决提供了理论依据。

电动客车；铝合金车身；蒙皮开裂；刚度分析；灵敏度分析；模态分析

前言

尽管电动客车具有零排放、零污染和低噪声等诸多优点，但是整备质量大、续航里程短等缺点却成为电动客车推广的技术瓶颈[1-2]，其整备质量比同类型的传统客车重3t左右[3]，这使电动客车轻量化显得尤为重要。铝合金作为新型材料，力学性能好，其密度只有钢的1/3，耐腐蚀，易回收，吸收冲击的能力是钢的2倍，在碰撞方面有明显优势[4]。2011年，比亚迪汽车工业有限公司联合Aluminum Company of America共同开发完成全铝合金客车车身，车身以铆接为主、焊接为辅的方式连接，使车身质量比同类传统钢车身客车减轻约40%。本文中针对某铆接铝合金车身纯电动客车试制车蒙皮开裂问题进行研究，提出可行的改进方案，实车验证证明了改进方案的有效性，为同类问题的解决提供理论依据。

1 蒙皮开裂问题分析

出现蒙皮开裂问题的试制车是一款纯电动客车，底盘车架由高强度钢焊接而成，车身前后围、左右侧围和顶围材料均为铝合金，连接以铆接为主、焊接为辅。该试制车在进行汽车道路可靠性试验中，进度完成约40%时中门顶部出现蒙皮开裂问题，开裂位置如图1椭圆标记处所示。根据路试工程师的描述，在进行可靠性试验过程中，整车中部抖动较明显，初步分析认为蒙皮开裂是由车身刚度不足造成的。

图1 试制车蒙皮开裂位置示意图

开裂蒙皮附近几种类型车身铆接接头如图2所示，前期曾对铝合金车身铆接接头和焊接接头的刚度进行过对比试验，图3为接头试验示意图，拉伸速度5mm/min，为避免试验数据的随机性，每种接头重复拉伸试验2次。

图2 开裂蒙皮附近车身铆接接头

图3 接头拉伸试验示意图

图4为接头拉伸试验时载荷随位移的变化曲线，则曲线斜率即为接头刚度。从图4中可以看出，铆接接头的刚度明显较焊接接头刚度差，这也间接说明铆接车身刚度较焊接车身刚度差，铆接铝合金车身可能会存在刚度不足的问题。为此建立整车有限元模型，对整车的弯曲刚度和扭转刚度进行计算。

图4 焊接接头与铆接接头载荷随位移变化曲线

1.1 有限元模型建立

建立有限元模型时，用Hypermesh进行前处理。为方便建模，忽略蒙皮和内外饰件等非主要承载结构，只保留客车骨架等主要承载结构。车架和车身等主要承载结构全部采用壳单元模拟，焊接用刚性杆单元RBE2模拟焊缝，铆接则在接头与接触型材之间分布适当数量的RBE2单元来近似模拟铆钉连接，车架和车身之间通过牛腿连接。在进行刚度分析时，对整车不加其他载荷，包括空调、电池、玻璃、地板及地板革、仪表台、控制器、座椅和驾驶员、乘客等质量，但进行强度分析时，则需按实际情况加载。

1.2 边界条件的施加

1.2.1 弯曲刚度

进行弯曲刚度分析时不考虑重力，分别约束左后轮空气弹簧安装座处X，Y和Z方向与右后轮空气弹簧安装座处X，Z方向的平动自由度和左前轮空气弹簧安装座处Y，Z方向与右前轮空气弹簧安装座处Z方向的平动自由度。在前后轴中间位置、Y向坐标为0处设立加载点p。将底盘车架中部的部分点(p点X向坐标前后50mm范围内的车架纵横梁上表面的点)用RBE2耦合到加载点p，在p点施加-Z向大小为F=8kN载荷，则弯曲刚度为

C=F/D

(1)

式中：C为弯曲刚度；F为加载载荷；D为加载点Z向位移。

1.2.2 扭转刚度

进行扭转刚度分析时不考虑重力，施加扭矩为T=4kN·m的力偶，即在左右前空气弹簧安装座处施加大小相等、方向相反的力F，施加力F的数值为

F=T/L

(2)

式中：F为加载载荷；T为施加扭矩；L为前空气弹簧安装座之间的距离。

后轮约束参照弯曲刚度工况，另外还须约束车架第一根横梁中间部位的Z向平动，则扭转刚度为

C=T/θ

(3)

式中θ为前后轴的轴间角变化量。

1.3 分析结果

将有限元模型提交MSC.Nastran进行计算，在Hyperview中查看分析结果，并计算得到车身的弯曲刚度为8 196.7N/mm，扭转刚度为25 284.5N·m/(°)，而国产半承载式客车扭转刚度在20 000～64 000N·m/(°)范围内[5]，可知本文所研究车型的扭转刚度处于合理范围内，但与同类车型相比偏低，这进一步证实之前的猜想。下面通过对车身刚度灵敏度的分析，结合实际工艺的可行性确定车身加强方案。

2 车身刚度灵敏度分析和改进方案的确定

2.1 车身刚度灵敏度分析

通过灵敏度分析可以确定设计变化过程中对结构响应影响的部位[6]。结合考虑对试制车实际修改工艺的可行性，对这些部位进行局部加强，从而提高车身刚度。

以前后轴之间车身顶围和左右侧围的梁为分析对象，如图5所示，以梁的初始厚度为初值，设计变量变化范围为±50%，响应函数为加载点的Z向位移，约束函数将约束定义在一定范围内，使用MSC.Nastran分别对车身弯曲刚度和扭转刚度进行灵敏度分析，结果如图6和图7所示。

图5 车身刚度灵敏度分析对象

图6 弯曲刚度灵敏度

图7 扭转刚度灵敏度

图6和图7分别为弯曲刚度和扭转刚度灵敏度分析结果。横坐标为梁的编号，编号1～33为顶围中部梁，34～61为左侧围中部梁，62～89为右侧围中部梁。灵敏度正值表示结构响应位移的变化与板件厚度变化具有相同的趋势，负值表示趋势相反[7]，并且灵敏度绝对值越大，则对刚度的贡献越敏感。分析以梁的厚度为设计变量，以加载点Z向位移为响应，Z向位移减小则说明车身刚度增加。根据分析结果，增加灵敏度值为负的梁厚度会减少加载点Z向位移即增加车身刚度，若不改变灵敏度值为负的梁厚度而加强其周围区域同样可以增加车身刚度。

从图6和图7可以看出，车身的扭转刚度和弯曲刚度对顶围梁厚度的变化都不怎么敏感；相对于扭转刚度，车身弯曲刚度对左侧围梁厚度变化的敏感度较高，说明加强左侧围主要会增加车身的弯曲刚度；而车身弯曲刚度和扭转刚度对右侧梁厚度的变化均较敏感，即加强右侧围可以同时增加车身弯曲刚度和扭转刚度，这也说明原车的右侧围较薄弱，刚度较差，这是因为右侧围有乘客门所致。根据灵敏度值为负的梁位置，可以分别确定对增加车身弯曲刚度和扭转刚度作用较大的区域，再结合实际情况确定局部加强的改进方案。

2.2 整改方案的确定

根据图6和图7刚度灵敏度的分析结果，结合图5中标记的灵敏度值为负但绝对值较高的梁编号，确定车身顶围和左右侧围对提高车身弯曲刚度和扭转刚度影响较大的区域，考虑改进工艺的可实施性，确定局部加强方案。车身刚度的敏感区域和局部加强方案如图8中矩形标记处所示。顶围加强方案为在中门上方增加一Y向横梁，此时只需将此区域X向纵梁切断，多余部分切掉，再增加横梁铆接即可。左右侧围中尽管Z向贯通的立梁对车身弯曲刚度和扭转刚度均很敏感，但加强这些立梁较好的方法是增大型材截面或在型材中增加加强筋，这在实际修改时需要重新开发型材，周期较长，更换难度较大，因此选择其它对车身刚度敏感的区域进行加强，如图8(b)和图8(c)所示，分别在图中标记区域增加斜撑或Z向立梁进行加强，结果如图8(e)和图8(f)所示。

对局部加强后的车身进行弯曲刚度和扭转刚度

图8 增加车身刚度的敏感区及局部加强方案示意图

分析，结果如表1所示。改进后的车身弯曲刚度提高了11.1%，扭转刚度提高了20.6%，而质量只增加了18.4kg，约为整车整备质量的0.15%。研究表明[8]，电动客车续驶里程的增加与减轻质量几乎呈线性关系，电动客车质量每增加100kg，续驶里程约减少0.55%～0.62%。局部加强的方案只增加18.4kg质量，对整车的续驶里程几乎没有影响。

表1 局部加强前后车身弯曲刚度 和扭转刚度分析结果对比

对车身加强后整车2倍满载弯曲工况和1.3倍满载右后轮悬空扭转工况下开裂蒙皮附近铆接接头的受力情况进行分析。整车弯曲工况约束方式参照弯曲刚度的约束方式，右后轮悬空扭转工况的约束方式在弯曲刚度约束方式的基础上释放右后轮空气弹簧安装座处Z方向的平动自由度。分析结果如图9所示。由图可见，弯曲工况下接头的最大应力值为64.5MPa，扭转工况下接头的最大应力值为91.3MPa，两种工况下，半固态压铸铝合金接头的最大应力值均未超过其所用材料A356的抗拉强度270MPa，能满足强度要求。

图9 不同工况下开裂蒙皮附近接头应力云图

通过以上分析，初步确定改进方案理论上的可行性，下面对加强后的车身进行模态分析，验证加强后的车身低阶固有频率是否能满足设计要求。

3 车身自由模态分析

模态分析时，考虑到外部激励多处于低频区域，且高阶频率对结构的动力学影响很小，车身骨架一般只需计算较低的几阶频率[9]。用MSC.Nastran计算加强后车身骨架的自由模态，表2为分析结果中除刚体模态外的车身骨架前6阶固有频率和振型。

目前在高速公路和一般城市较好路面，路面激励多在1～3Hz之间[10]。从表2可知，车身最低阶固有频率为8.21Hz，加强后车身固有频率能避开路面激励频率，满足设计要求。另外，车身的1阶扭转和1阶弯曲模态频率相差4Hz左右，能有效避免模态之间的耦合，符合设计要求。这进一步确定了改进方案理论上的可行性。

表2 车身骨架前6阶固有频率和振型

在确定改进方案的可行性后，对实车进行改进。对改进后的试制车继续进行可靠性试验，结果整车中部抖动问题明显减轻，车身蒙皮未再出现开裂，并圆满完成了其他各项测试，保证了该车型的顺利批产。

4 结论

对某铆接铝合金车身纯电动客车试制车蒙皮开裂问题进行研究，经初步分析确定原因，车身灵敏度分析确定改进方案，车身模态分析确定方案理论可行性，实车改进验证等一系列步骤，最终在基本不影响整车质量和续驶里程的情况下，解决了试制车蒙皮开裂问题，证明了改进方案的有效性。

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[10] 陈伟,李军,郭超,等.轻型载货电动汽车车架的模态分析[J].汽车实用技术,2011(7):18-20.

A Research on the Skin Cracking Problem of theRiveted Aluminum Body in an Electric Bus

Wang Mingqing

AutomotiveEngineeringResearchInstitute,BYDAutoIndustryCo.,Ltd.,Shenzhen518118

Aiming at the cracking problem of body skin above the middle passenger door of a trail produced electric bus with riveted aluminum body due to insufficient body stiffness ascertained by analysis, the areas having more effects on body stiffness are located by sensibility analysis, and combined with the realizability of improving scheme, the local structures of bus body are strengthened. As a result, the bending stiffness and torsional stiffness of bus body increase by 11.1% and 20.6% respectively. An analysis on the loading conditions of joints around cracked skin indicates that these joints meet strength requirement after body is strengthened, and a modal analysis show that the natural frequency of bus body is much higher than road excitation frequency, and the frequency difference between 1st order bending mode and 1st order torsion mode avoid their coupling. The skin crack no longer happens in the test on the bus with strengthened body, demonstrating the effectiveness of improving scheme. The study provides a theoretical basis for solving similar problem.

electric bus; aluminum body; skin cracking; stiffness analysis; sensitivity analysis; modal analysis

原稿收到日期为2014年9月11日，修改稿收到日期为2015年2月5日。