純電動(dòng)公交車(chē)車(chē)身骨架結(jié)構(gòu)模態(tài)和強(qiáng)度有限元分析

王滿光

摘 要：建立了純電動(dòng)公交車(chē)車(chē)身骨架結(jié)構(gòu)的有限元模型，用HyperMesh進(jìn)行前處理，生成計(jì)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(jì)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(dòng)工況和急轉(zhuǎn)彎工況等4個(gè)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(dòng)客車(chē)，車(chē)身骨架，有限元，模態(tài)分析，強(qiáng)度分析

隨著人們對(duì)環(huán)境問(wèn)題的日益重視，以及國(guó)家政策的支持，越來(lái)越多的公交客車(chē)使用電能來(lái)作為驅(qū)動(dòng)力。純電動(dòng)客車(chē)有零排放、噪聲小、行駛穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)。但由于純電動(dòng)客車(chē)的動(dòng)力電池技術(shù)還沒(méi)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(chē)上的電池箱數(shù)量多，質(zhì)量重，提高了對(duì)骨架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求。通過(guò)有限元分析的方法對(duì)車(chē)身骨架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，可以指導(dǎo)設(shè)計(jì)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，縮短研發(fā)周期，降低研發(fā)成本。

1 車(chē)身骨架結(jié)構(gòu)有限元模型建立

1.1 幾何處理

本項(xiàng)目主要研究車(chē)身骨架結(jié)構(gòu)，其為全承載式車(chē)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(chē)身蒙皮。

1.2 單元選擇

當(dāng)結(jié)構(gòu)一個(gè)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(shí)，用殼單元模擬計(jì)算可以得到很精確的結(jié)果[2]。本項(xiàng)目車(chē)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(guò)渡。矩管之間的焊接采用節(jié)點(diǎn)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(chē)身相應(yīng)位置。

1.3 材料參數(shù)

車(chē)身材料主要為Q235鋼和為Q345鋼。統(tǒng)一量綱后的鋼材計(jì)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(chē)上各種設(shè)備、車(chē)身附件、乘客、車(chē)身自重等。

2 骨架結(jié)構(gòu)自由模態(tài)分析

客車(chē)在行駛過(guò)程中，往往會(huì)受到各種外部激勵(lì)的作用而產(chǎn)生振動(dòng)，如果激勵(lì)源的振動(dòng)頻率與車(chē)身整體或局部結(jié)構(gòu)的固有頻率接近或相同，就會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象。共振會(huì)帶來(lái)巨大的噪音、破壞車(chē)身結(jié)構(gòu)[3]。所以本項(xiàng)目對(duì)車(chē)身的固有頻率進(jìn)行了分析，來(lái)查看其能否避開(kāi)外界激勵(lì)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(huì)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(duì)整車(chē)其它結(jié)構(gòu)過(guò)大，需要改進(jìn)。

3 骨架結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度分析

公交車(chē)在實(shí)際運(yùn)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(chē)的時(shí)候。通常把各種情況簡(jiǎn)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(dòng)工況。極限彎曲工況模擬車(chē)輛在平直路面快速行駛的情況，此時(shí)車(chē)輛只受豎向重力作用，動(dòng)載系數(shù)取2.5。極限扭轉(zhuǎn)工況模擬車(chē)輛在坑洼路面慢速行駛的情況，此時(shí)會(huì)有車(chē)輪懸空的情況出現(xiàn)，只受豎向重力作用，動(dòng)載系數(shù)取1.5。急轉(zhuǎn)彎工況摸擬急轉(zhuǎn)彎的情況，此時(shí)車(chē)輛除了受豎向重力作用，還受轉(zhuǎn)彎離心力的作用，豎向動(dòng)載系數(shù)取1.5，離心力加速度取0.4g。緊急剎車(chē)工況模擬急剎車(chē)的情況，此時(shí)此時(shí)車(chē)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(dòng)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(jì)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(duì)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(guò)分析知道，這個(gè)位置之所以應(yīng)力過(guò)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(méi)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(jì)算，應(yīng)力減到了345MPa之下，滿足了強(qiáng)度要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目建立了純電動(dòng)公交車(chē)車(chē)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(guò)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(kāi)了地面激勵(lì)頻率和電機(jī)激勵(lì)頻率，車(chē)輛整體結(jié)構(gòu)在正常行駛時(shí)不會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象。

通過(guò)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)：

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[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.

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