低地板城市电动客车车架结构有限元分析及其轻量化设计

1、低地板城市电动客车车架结构有限元分析及其轻量化设计孟庆功，徐宝云，黄华(北京理工大学，北京)摘要:利m ansys软件对低地板城市电动客车车架结构进行有限元分析，计算该客车在弯 曲、转弯、刹车、扭转四种工况下的应力，根据计算结果提出降低车重的方案。利用ansys对改进的车型进行计算后,结果表明该方 案可行。关键词:车身;有限元;轻量化；中图分类号:th164文献标识码:a文章编号：1007-4414 (2004) 01 -0051021 车身骨架模型的建立1 目前，在用有限元进行车架结构计算时，采用的最多的方法是梁单元计算方法。其优点是划分 的单元数目和节点数目少，计算速度快，而且模型的前处理

2、工作量不大。由于整个车身骨架的 绝大多数梁是由矩形钢管焊接而成，另外，还有一些槽钢等，所以应用ansys软件建模时，収 各构件之间的连接点、集中载荷的作用点作为有限元模型的关键点。采用梁单元计算时，做 了一些简化：略去非承载物件;对2个靠得很近但并不重合的交叉连接点简化为1个节 点处理；对于2个靠得很近的梁,2根梁，中间加1横梁。对于结构上的台肩、凹槽、翻 边等对截面特性影响不大的特征予以忽略。根据ansys理论分析手册，柔性准则方程: gal2/ el >30，车身骨架的分析单元类型选用beam 188，该分析单元适用于分析细长或屮等 厚度的梁结构。beam 188是2节点(node)

3、梁单元，每个节点有6个自由度，包括3个线位 移自由度x,y,z和3个x,y,z方向的旋转自市度。车架材料的杨氏模量为2. 1 xl05mpa, 泊松比0.3,密度为7. 85 x103kg/m3。为准确模拟各种计算工况的边界条件，对前、后车架 的空气弹簧和轮胎采用combin 14弹簧单元，前、后桥以及车轮的等效图如图1所示。图1中 1、2是采用1个弹簧单元combinl4來代替轮胎，其刚度取为1. 3 xlo6n/ m ,3、4为空气 弹簧，也是采用1个弹簧单元來表示,刚度为2 x105n/ mo图2中5、6、7、8表示4个空 气弹簧，刚度均为2xlo5n/me 9、10代替后轮轮胎，刚度为

4、2. 6xl06n/mo对前、后桥则采 用大刚度梁单元，承载时变形很小，不致影响弹簧单元计算。在建模时，将整个车身骨架分为前 围、后围、左、右侧围、地板、顶盖等几大部分，每一部分单独建模，然后将其组合在一起, 进行各个结合部分的粘合，再完成整体的网格划分,最后得出车身骨架的有限元模型。其中包 含18879个节点,9651个单元。2 载荷和约束处理2 ,3 根据汽车产品定型可靠性行驶试验规程规定:样车必须以一定车速，在各种道路上行驶一 定里程。主要是在高速道路、-般道路、弯道上行驶吋，英弯曲、扭转、紧急制动和急 转弯等四种典型工况下，进行计算分析。最后确定车架结构强度和刚度是否满足要求,以进一

5、步进行优化设计2. 1弯曲工况根据gb/t67921996客车车身骨架应力、变形测量方法，弯曲工况计算主要是刈客车满 载状态下，四轮着地时的结构强度和刚度进行校核，主要模拟客车在良好路面下匀速直线行驶 时的应力分布和变形情况。载荷处理:本计算中，将电池、变速箱、逆变器、空压机等均作为集中载荷，根据其质心位置以 及与车身骨架之间的连接部位分摊到相应的关键点上;乘客和座椅质量按均布力分布到地板 上，车身本身自重按所给密度由程序自动加上。约束处理:将前、后轮胎与地面接触点6个方向自由度全部约束，同时将前、后空气悬架的x 方向和y方向平动自由度约束。2.2紧急制动工况紧急制动工况主要考虑当客车以最大制

6、动加速度制动吋，地面制动力对车身的影响。载荷处 理除了集中载荷同弯曲工况外，在x方向上还要附加0. 7g的惯性力。约束处理同弯曲工 况。2.3急转弯工况急转弯工况主要考虑当客车以最大转向速度转弯时，惯性力对车身的影响。载荷处理除了集 中载荷同弯曲工况外，在y方向上还要附加0.4g的离心力。约束处理放松一侧y 方向的位移约束。2.4扭转工况扭转工况计算主要考虑1个车轮悬空而另1车轮抬高时施加在车桥的扭矩作用。实践证明 车身遭受最剧烈的扭转工况，一般都是在客车低速通过崎岖不平路面时发生的,此种扭转工况 下的动载在吋i'可上变化得很缓慢，可近似地看作是静态的。根据gb/t67921996客车

7、车身 骨架应力、变形测量方法，扭转工况按左、右前轮下沉240mm或480mm ,考虑到该电动客 车主耍是城市用车,路面状况较好，本计算采用下沉240mm进行计算。载荷处理同弯曲工况。 约束处理在下沉的前轮z方向上加一负240mm的位移，约束其它儿个轮子的6个自由度。3结果及分析4按照所给工况和载荷、约束条件，分别建立模型进行计算，得出车身骨架最大米泽斯应力，结果 见表1所示，应力分布图见图3、图4。弯曲刹车转弯扭转左侧围99.646109.482124.154170.664右侧围125.075123.449111.265196.963地板117.107126.976108.519232.494

8、前围36.80955.91355.32860.996后围53.54763.78461.1856.137顶盖98.10566.3596.88896.366表1各种工况应力值mpa3 原型育曲工况整车应力分布图4原型扭转工况整车应力分布由表1以及图3、4、5可知:这几种工况下，车身骨架各部分应力值都不太大，尤其是在弯 曲工况时,最大应力仅为125mpao最大处发生在扭转工况时地板的后桥前部。由于该车采用 的是16mn材料。通常情况下：(ob = 470620mpa ,取中间值550mpa。可得最小安全系 数为n = (ob/(y=550 / 232. 494 = 2. 36由于计算时用的是极限工况

9、，而其它部位的应力都很小， 所以安全系数能满足要求。从应力分布图上可以看出最大应力只出现在后桥部位，其它部位 的应力都很小，我们可以考虑减小英它部位的材料尺寸，适当加大后悬部位的尺寸。图5扭转工况地板后桥处应力分布4 改进方案及结果分析根据应力分布情况和原车所用截面，考虑到尽量使用本车现有截面尺寸材料改进方案如下:(1) 将 50 x30 x1.75 >50 x40xl.75、40 x30 ".75 .50x50 x2. 5 的矩形钢管都改成 30 好0 xl.75的矩形钢管;(2) 将50 x60 x1.75、50x80 x2、50 x60 x4的矩形钢管都改成50 x30

10、x1.75的矩形钢管; 将 50 x120 x2.5 > 50 x120 x2、50 x100 x4. 5、50 x120 x4. 5 的矩形钢管都改成 40x80 x2.5的矩形钢管；(4)将 60 x120 x4. 5、60 x160x4.5、60x160 x4、60x160 x2.5、60 x160x4.5 的矩形 钢管都改成60 x160 x3的矩形钢管。计算结果见表2,应力分布图见图6、图7。表2改进型各种工况应力值/ mpa位存、弯曲刹车转弯扭转左侧围169.292156.495210.856279.714右侧围186.167171.6172.277198.966地板259.

11、018207.092175.145274.045前围67.29102.811127.673114.215后围89.215116.97695.336102.083119.374133.488159.53147.288由计算结果可知:原型车身什架质母为2. 09t,改进方案 车身骨架质母为1.63減轻了 0.46t，重母减轻了 22 %;而最 大应力值只由原来的232mpa，增加到279. 714 mpa，只增加 了 20 %，冃安全系数72 = 1. 96,满足安全要求。图6 改进型弯曲工况整车应力分布图图7改进型扭转工况整车应力分布图5 结论通过计算说明了低地板电动客车车架结构满足刚度和强度的要求,有充裕的刚度储备。因而 可以通过减小梁的截面尺寸降低车架质量。对改进方案的计算说明该方案是可行的