纯电动城市客车轻量化设计

2019-07-01淡润民

中国科技纵横 2019年10期

关键词：结构优化有限元分析

淡润民

摘要：以一款10.5米纯电动城市客车为例，通过结构优化设计、新材料的应用等方法，对纯电动城市客车进行轻量化设计，并利用有限元技术对轻量化后的整车骨架进行强度和刚度静态分析。

关键词：纯电动城市客车;轻量化设计;有限元分析;结构优化

中图分类号：U469.72;U463.831 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）10-0072-02

0 引言

随着我国国民经济的快速发展，纯电动城市客车的不断普及与应用，为更好地与整车搭载的动力电池能量密度的不足匹配，增大实际续航里程，客车行业也越来越重视轻量化设计，尤其车身轻量化设计就更加重要[1]。本文以一款10.5米纯电动城市客车为例，进行整车轻量化设计与分析。

1 轻量化设计方案

1.1 低密度新材料的应用

选择合适的低密度材料，即在保持原材料截面、体积或保持原有材料的强度和刚度不变的情况下，通过降低材料的密度来降低零部件和整个总成的重量，如采用铝合金、镁合金等合金材料来替代钢材[2]。此方案减重效果很明显，目前已逐渐被业内人事采纳，但成本偏高，所以整车成本及售价均要高于钢结构车身的同类车型。

1.2 刚强度钢的应用

选用高强度钢，通过提高屈服极限强度和最大抗拉强度等来减小所用钢材的规格、壁厚等参数，最终达到减重的效果[2]。目前所设计的纯电动城市客车均为全承载式结构，即整车为骨架为桁架式构件组焊而成，用高强度钢替代现有的普通钢材[2]，在不改变生产工艺的条件下有效地达到减重效果。

以普通钢材Q345为例[2]。在替换为高强度钢过程中[2]，高强度钢壁厚[2]选取例如表1所示。

高强度钢材随着强度提高，其塑性下降，其整体成型工艺下降，在复杂成型过程中，容易有裂缝产生，与普通钢材相比较弱。鉴于此种情况，目前高强度钢主要应用于车架、地板骨架及侧围弧度较简单的车身骨架，前、后围骨架和顶盖骨架目前还主要采用普通钢材（即Q235或Q345）。此款10.5米车型在车架、地板骨架上采用刚强度钢可减重250kg左右。

2 整车强度和刚度CAE分析

为了更轻量化，此款10.5米車型整车车身采用镁铝合金，为验证采用镁铝合金新型材料后整车车身是否安全可靠，对整车骨架需要进行CAE分析。本文主要介绍其强度、刚度、模态分析过程。

2.1 模型介绍

前桥最大载荷6.5T，后桥最大载荷13T，整车骨架总单元数为207万，总节点数191万。如图1所示。

2.2 材料、建模和工况

2.2.1 材料（如表2）

2.2.2 建模

（1）使用壳单元来模拟骨架;（2）使用梁单元来模拟悬架系统;（3）电机、动力电池、空调、乘客等在其质心位置简化为质量点，连接到骨架上;（4）通过调整材料密度来附加质量，满足19.5T。

2.2.3 工况（如表3）

左前轮悬空时，主要是右侧承载荷，由于右侧有前门和中门，整体结构上要比左侧若，因此相对于右前轮悬空，左前轮悬空工况较恶劣，故一般仅计算左前轮悬空即可。

2.3 强度应力

2.3.1 垂直弯曲工况（车身）

（1）由红-绿-蓝应力逐步减小，红色区域超过屈服强度，车身骨架最大应力为504.1Mpa。在CAE仿真计算中，这种由于采用局部接触约束而引起的个别节点的应力往往偏大，可以忽略，判断真实应力值主要看该节点附近单元的应力大小，如图2所示。（2）中门上方型材末端尖角挤压引起的应力集中，除了这些应力偏大的个别节点外，周围的单元应力最大为黄色，表明其应力安全，未超过屈服极限266Mpa。（3）后轮拱前方左侧骨架型材末端尖角挤压引起的应力集中，除了这些应力偏大的个别节点外，周围的单元应力最大为黄色，表明其应力安全，未超过屈服极限266Mpa。（4）左侧骨架后部型材末端尖角挤压引起的应力集中，除了这些应力偏大的个别节点外，周围的单元应力最大为黄色，表明其应力安全，未超过屈服极限266Mpa。

2.3.2 左前轮悬空工况（车身）

（1）左前轮悬空工况下，CAE分析车身骨架最大应力为506.6Mpa;（2）左前轮悬空工况下，中门后上部型材末端尖角挤压引起的应力集中，除了这些应力偏大的个别节点外，周围的单元应力最大为黄色，表明其应力安全，未超过屈服极限266Mpa;（3）左前轮悬空工况下，后轮拱前方左侧骨架型材末端尖角挤压引起的应力集中，除了这些应力偏大的个别节点外，周围的单元应力最大为黄色，表明其应力安全，未超过屈服极限266Mpa;（4）左前轮悬空工况下，左侧B柱上方型材末端尖角挤压引起的应力集中，除了这些应力偏大的个别节点外，周围的单元应力最大为黄色，表明其应力安全，未超过屈服极限266Mpa;（5）左前轮悬空工况下，前门后B柱上方型材末端尖角挤压引起的应力集中，除了这些应力偏大的个别节点外，周围的单元应力最大为黄色，表明其应力安全，未超过屈服极限266Mpa。

2.3.3 左/右急转弯工况（车身）

（1）左急转弯工况下，CAE分析车身骨架最大应力为217Mpa;（2）右急转弯工况下，CAE分析车身骨架最大应力为185.6Mpa。

2.3.4 紧急制动工况（车身）

紧急制动工况下，CAE分析车身骨架最大应力为264.2Mpa。

2.3.5 垂直弯曲工况（车架）

垂直弯曲工况下，CAE分析车架最大应力为630Mpa。

2.3.6 左前轮悬空工况（车架）

左前轮悬空工况下，CAE分析车架最大应力为928.3Mpa。

2.3.7 左/右前急转弯工况（车架）

左前轮急转弯工况下，CAE分析车架应力集中位置最大应力为318.1Mpa;右前轮急转弯工况下，CAE分析车架应力集中位置最大应力为391.7Mpa。

2.3.8 紧急制动工况（车架）

紧急制动工况下，CAE分析车架应力集中位置最大应力为619.5Mpa。