基于力流分析的纯电动客车铝合金车身接头设计方法研究

廉玉波，王明庆

基于力流分析的纯电动客车铝合金车身接头设计方法研究

廉玉波，王明庆

（比亚迪汽车工业有限公司汽车工程研究院，广东深圳518118）

对纯电动客车车身骨架进行多工况静态强度的有限元力流分析，利用Nastran分别提取各工况下车身骨架的最大轴向力，以所有工况下车身骨架承受的最大轴向力作为铝合金车身接头连接强度的设计目标值。通过接头的轴向拉伸试验，考察6种铝合金接头的连接强度性能并得出结论。

纯电动客车；铝合金车身；接头设计；力流分析；

纯电动客车由于装有较重的电池，所以其较同类型的传统客车重约3 t左右，整备质量大、续航里程短等缺点成了制约其大范围推广的技术难题[1-3]。这就使得轻量化技术越来越受到各纯电动客车生产企业的重视，而铝合金客车车身骨架技术作为一种有效的轻量化技术手段也越来越成熟。接头作为车身结构的关键过渡部分，是车身重要的传力结构，合理设计车身接头，能大大提高车身的刚度、强度、NVH及被动安全等诸多性能，并且对车身轻量化也有重要意义[4]。

1 有限元模型

本文所分析的某纯电动客车为全承载式车身骨架结构，其中底架为高强钢焊接而成，车身其他五大片为铝合金焊接而成，底架与车身骨架之间采用高强钢连接件以铆接的形式连接，如图1所示。采用梁单元和壳单元联合建模的方法建立该客车骨架有限元模型，从整车静强度力流分析着手，提取各极端工况下整车骨架承受的最大轴向力，作为车身骨架接头连接强度的设计目标；通过车身骨架接头的轴向拉伸试验，考察接头连接强度是否达到设计目标，从而有效地预防接头连接强度设计不足的问题，为进一步设计出结构更优、质量更轻、连接更可靠的铝合金车身骨架接头提供理论依据。

实际的车身物理连接方式一般有焊接、铆接和螺栓连接等，每种连接都有各自的特点[5]。乘用车铝合金车身连接接头主要有焊接接头和铆接接头两种[6]，而客车铝合金车身连接接头类型还有螺栓连接接头。长久以来车身工程师都缺乏设计接头连接强度的理论依据，因此，接头连接强度的设计一方面依赖于整车结构强度的有限元分析；另一方面依赖于实车验证。但实际上，在整车结构的有限元分析过程中，对车身接头基本采用了简化处理，特别是铆接接头，在整车强度分析中很难评判接头是否失效，而后续靠实车验证则周期太长，并且一旦出问题也很难在短时间内解决。针对这一难题，本文提出了一种简便有效的方法，极大降低了发生接头强度不足问题的风险。

本文在建立整车有限元模型时，用Hypermesh进行前处理。为了方便建模，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。底架和车身等主要承载薄壁结构采用梁单元模拟，部分加强板及预埋板采用壳单元模拟，焊接用刚性杆单元RBE2模拟焊缝，整车有限元模型如图2所示。

进行静态强度分析时，对模型加载载荷包括空调、电池、玻璃、地板及地板革、仪表台、控制器、座椅和驾驶员及乘客重量等，乘客以每人65 kg计算，所有载荷均通过在整车骨架相应位置均布mass点来实现，整车有限元模型的具体信息如表1所示。车身骨架材料为铝合金，底架中型材、板材及连接件材料均为高强钢。其中梁单元类型选用Cbar单元，该单元可以承受拉压和在两个互相垂直平面内的扭转、弯曲及剪切等作用。由Cbar单元连接的两个节点，每个节点有3个平动位移和3个转动位移共6个节点位移分量，对应的节点力为3个力和3个力矩，每个节点自由度个数为6个[7]。

分别选取弯曲工况及单轮悬空扭转工况进行分析。弯曲工况主要是模拟客车在满载状态静止或在良好路面下匀速直线行驶时的应力分布和变形情况，为最常见的工况，安全系数取2。该工况的约束条件为：分别约束左后轮空气弹簧安装座处X、Y、Z方向平动自由度，右后轮空气弹簧安装座处X、Z方向平动自由度，左前轮空气弹簧安装座处Y、Z方向平动自由度，右前轮空气弹簧安装座处Z方向平动自由度。扭转工况则是模拟客车在不平路面行驶过程中瞬间有一个轮悬空的情形，安全系数取1.3，单轮悬空工况约束是在弯曲工况约束的基础上释放相应轮的Z向自由度。

2 力流分析法及结果

有限元中的单元节点上的力即薄壁杆件在该位置处受到的内力，因此分析薄壁杆件整体的受力情况就转化为分析有限元中单元节点的力。通过在Nastran计算结果中输出单元力ELFORCE和节点力GPFORCE，对车身骨架进行力流分析[8-10]。

本文所分析的车身骨架采用封闭环结构，整个车身都参与承重，当车身骨架承受实际载荷时，力沿着车身骨架各薄壁梁传播形成力流，薄壁梁的布置对力流起导向作用，载荷在车身骨架中以力流的形式进行分配和传递。通过对车身骨架的力流分析，一方面可以了解整车骨架的力流特性，另一方面可以知道整车在不同工况下实际载荷在骨架结构中的分配和传递的方式，同时可以建立整个车身骨架的内力与车身实际承受载荷之间的联系[9]。

利用Nastran软件进行计算，在Hyperview中进行后处理，可以方便地看到每一个薄壁杆件受到6个分力的情况。由于主要目的是提取各工况下车身铝合金连接接头的轴向力，因此，此处主要关心底架之外的各薄壁杆件的轴向力。5种工况下车身骨架的最大轴向力如表2所示，在右后轮悬空扭转工况下车身骨架承受轴向力最大达到62.0 kN。为保守起见，后续以此数值作为车身接头设计的目标值，考察各种接头连接强度能否达到设计要求。由于结构及载荷的不完全对称，导致表2中左、右扭转工况的差值较大。

3 接头轴向拉伸试验

初步分别设计了一种焊接接头、一种铆接接头、4种螺栓连接接头共6种铝合金接头，如图3所示。其中，4种螺栓连接接头结构，一方面，压铸角接头结构形式不同；另一方面，螺栓类型及用来充当螺母的塞块结构也不同。在万能材料试验机上进行接头轴向拉伸试验，验证接头连接强度能否达到通过整车力流分析得到的设计目标。图4为铝合金接头轴向拉伸试验示意图，采用特殊设计的工装将铝合金接头安装到万能材料试验机上，拉伸速度为5 mm/min。为避免试验数据的随机性，每种接头重复拉伸试验3次，结果如表3所示。

从表3可以看出，6种铝合金接头中，焊接接头和铆接接头所能承受的轴向拉力均超过了设计目标值（62 kN），能够满足接头连接强度的设计要求。螺栓连接接头能承受的轴向拉力普遍偏低，均没有达到设计目标值。其中，螺栓连接接头3承受的轴向拉力比较接近设计目标值，通过加强压铸角接头，预计也可以达到设计目标。其它几种螺栓连接接头，则无法满足设计要求。另外，接头承受轴向拉力的设计目标值是基于现有的车身骨架结构提取的，如果通过优化车身骨架结构，使车身骨架力流分布更均匀，也可以得到相对低一点的接头轴向拉力设计目标值，从而使更多形式的接头能达到设计目标，也给车身设计工程师更多的选择。

4 结束语

通过对整车骨架结构进行力流分析，分别提取了5种工况下整车骨架承受的最大轴向力，以所有工况下车身骨架承受轴向力最大值作为车身骨架接头连接强度的设计目标，通过车身骨架接头的轴向拉伸试验，考察了6种铝合金接头的轴向抗拉性能，结果只有焊接和铆接接头能够达到设计目标，对于如何让没有达到设计目标的接头达到设计目标。基于力流分析的车身接头设计方法为车身骨架接头设计提供了明确的设计目标，可以有效预防接头连接强度设计不足的问题，为车身骨架接头的优化设计提供理论依据。

[1]汪洋.国外客车技术与我国城市客车的发展趋势[J].客车技术与研究，2005，27（6）：4-6.

[2]胡程.我国电动汽车推广策略研究[J].经济论坛，2012（2）：124-126.

[3]王波，范宗武，林伟.电动客车轻量化探讨[J].客车技术与研究，2012，34（2）：17-18.

[4]宋凯，成艾国，钟志华.基于响应面法的汽车车身T型接头优化[J].汽车工程，2011，33（4）：283-289.

[5]黄霞，张峰，丁军.乘用车前摆臂和副底架的强度分析及优化[J].现代制造工程，2015（7）：41-46.

[6]Benedyk J.Light Metals in Automotive Applications[J].Light-Metal Age.2000，58（10）：34-35.

[7]张继君.基于MSC.NASTRAN的汽车底架结构的仿真研究[D].长春：吉林大学，2003.

[8]高云凯，李翠，崔玲，等.力流分析法在大型客车车身结构分析上的应用[J].汽车技术，2009（12）：8-11.

[9]高云凯，邓继涛，田林雳，等.电动轿车车身骨架多工况力流分析[J].机械设计，2015，32（3）：23-28.

[10]高云凯，江峰，张荣荣.电动轿车车身结构静态特性综合评价方法研究[J].机械强度，2007，29（2）：320-323．

修改稿日期：2016-11-22

Research on Design Method of Aluminum-alloy Body Joint for a Pure Electric Bus Based on Force Flow Analysis

LianYubo，WangMingqing
（Automotive EngineeringResearch Institute,BYDAutoIndustryCo.,Ltd,Shenzhen 518118,China）

The authors make a finite element analysis of static strength force flowunder various working conditions for a pure electric bus bodyframe,and respectivelyextract the maximum axial forces ofthe bodyframe under different working conditions by using Nastran,and they take the maximum axial force of the body frame under all conditions as the design target ofaluminum-alloy frame joint connection strength.Through the joint axial tension test,they inspect the connection strength performance about sixkinds ofaluminum-alloyjoints and drawthe conclusion.

pure electric bus；aluminum-alloybody；joint design；force flowanalysis

U463.82；U469.7

A

1006-3331（2017）02-0009-03

廉玉波（1964-），男，硕士；高级工程师；主要负责整车研发与总体设计工作。