王满光

摘 要：建立了纯电动公交车车身骨架结构的有限元模型，用HyperMesh进行前处理，生成计算输入文件，用ABAQUS进行了自由模态分析和静强度分析计算。提取了前十阶固有阵型和频率；得到了极限弯曲工况、极限扭转工况、紧急制动工况和急转弯工况等4个标准工况的强度结果。找到了应力集中的位置，分析了应力集中的原因，给出了改进方法，最终使结构满足了使用要求。

关键词：纯电动客车，车身骨架，有限元，模态分析，强度分析

随着人们对环境问题的日益重视，以及国家政策的支持，越来越多的公交客车使用电能来作为驱动力。纯电动客车有零排放、噪声小、行驶稳定性高等优点。但由于纯电动客车的动力电池技术还没有发展的很完美，为了达到必要的行驶里程，必须安装足够的电池箱。这造成了车上的电池箱数量多，质量重，提高了对骨架结构的设计要求。通过有限元分析的方法对车身骨架结构进行分析，可以指导设计，优化结构，缩短研发周期，降低研发成本。

1 车身骨架结构有限元模型建立

1.1 几何处理

本项目主要研究车身骨架结构，其为全承载式车身，骨架全部为矩管型钢材相互焊接而成，部分位置有钢板作为加强板。忽略小尺寸结构，比如小孔、倒圆角等[1]；忽略非承载构件，比如挡风玻璃、支架等；忽略车身蒙皮。

1.2 单元选择

当结构一个方向的尺度（厚度）远小于其他方向的尺度，并忽略沿厚度方向的应力时，用壳单元模拟计算可以得到很精确的结果[2]。本项目车身骨架主要為矩管，其厚度小于截面结构尺寸的1/10， 非常适合用壳单元进行模拟，所以采用四边形壳单元（S4）进行网格划分，在结构复杂处采用三角形壳单元（S3）进行过渡。矩管之间的焊接采用节点重合和刚性连接的方式模拟。载荷设置成质量单元，用rbe3单元连接在车身相应位置。

1.3 材料参数

车身材料主要为Q235钢和为Q345钢。统一量纲后的钢材计算参数：弹性模量2.1E5MPa，泊松比0.3，密度7.85E-9T/mm3，重力加速度9800N/T。

Q235钢，屈服极限235MPa；Q345钢，屈服极限345MPa。

1.4 载荷施加

载荷有车上各种设备、车身附件、乘客、车身自重等。

2 骨架结构自由模态分析

客车在行驶过程中，往往会受到各种外部激励的作用而产生振动，如果激励源的振动频率与车身整体或局部结构的固有频率接近或相同，就会产生共振现象。共振会带来巨大的噪音、破坏车身结构[3]。所以本项目对车身的固有频率进行了分析，来查看其能否避开外界激励源的频率。

提取了除刚体模态外的前十阶阵型和频率，频率如表1所示。

前四阶阵型图如图2。

前十阶频率在8-22Hz之间，整体结构不会产生受激共振的现象。但在第四阶之后顶盖后悬位置的U型埋板振幅相对整车其它结构过大，需要改进。

3 骨架结构静强度分析

公交车在实际运行中的受力情况十分复杂。行驶中有路况较好的平直路面，有比较坑洼的路面，有转弯的情况，有紧急刹车的时候。通常把各种情况简化为4种标准的工况，分别为极限弯曲工况、极限扭转工况、急转弯工况和紧急制动工况。极限弯曲工况模拟车辆在平直路面快速行驶的情况，此时车辆只受竖向重力作用，动载系数取2.5。极限扭转工况模拟车辆在坑洼路面慢速行驶的情况，此时会有车轮悬空的情况出现，只受竖向重力作用，动载系数取1.5。急转弯工况摸拟急转弯的情况，此时车辆除了受竖向重力作用，还受转弯离心力的作用，竖向动载系数取1.5，离心力加速度取0.4g。紧急刹车工况模拟急刹车的情况，此时此时车辆除了受竖向重力作用，还受行驶方向的惯性力作用，竖向动载系数取1.5，惯性力加速度取0.7g[3][4]。

4种工况分析的应力云图如图3所示。

各工况最大应力如表2所示。

由计算结果可知，在极限弯曲工况和极限扭转工况下结构的最大应力超出了材料屈服极限，需要对结构进行改进，主要就是前悬架与底架中部连接位置的横梁。通过分析知道，这个位置之所以应力过大，是斜撑尺寸小了一些，支撑位置不合理，直接撑在了此横梁受力面的中间，没有利用好矩管结构的受力特性。所以我们的改进方法为，加大了斜撑的尺寸，调整支撑位置，在横梁受力面上加焊加强板。改进之后，再次计算，应力减到了345MPa之下，满足了强度要求。

4 结语

本项目建立了纯电动公交车车身骨架结构的有限元模型，进行了自由模态分析和4种标准工况下的静强度分析。

通过自由模态分析，提取了前十阶的固有阵型和频率，频率在8-22Hz之间，避开了地面激励频率和电机激励频率，车辆整体结构在正常行驶时不会产生共振现象。

通过静强度分析，发现了结构应力集中的位置。分析了应力集中的原因，给出了改进方法，使结构满足了强度要求。

参考文献：

[1]王钰栋，金磊，洪清泉，等编著. HyperMesh & HyperView应用技巧与高级实例[M].北京：机械工业出版社，2012.

[2]庄茁，由小川，等编著.基于ABAQUS的有限元分析和应用[M].北京：清华大学出版社2009.

[3]王青泉.基于HyperMesh的大客车车身骨架有限元分析[D].西安：长安大学，2013.

[4]杨路.基于FEM的某电动客车车身骨架静态结构分析[J].小型内燃机与车辆技术，2015，44（1）：36-41.