中兴智能汽车有限公司 519090
摘要：资源短缺、环境恶化使新能源汽车成为人们关注焦点。纯电动城市客车车架的轻量化可以进一步减轻汽车重量，节约资源，增加车辆续驶里程，从而轻量化成为各大整车厂、高校以及研究所的研究热点。针对某12m纯电动城市客车的底盘车架，利用SolidWorks软件进行三维建模，在SCDM软件中对模型进行抽取中面、简化模型等前处理工作，并利用有限元前处理软件Hypermesh以及Optistruct模块对底盘车架进行静力学分析以及参数优化。静力学分析结果显示，12m纯电动城市客车的底盘结构符合材料的静强度要求。基于静强度分析结果，对底盘结构进行参数优化的轻量化设计，结果表明，在保证客车各方面性能要求前提下，客车底盘结构可以减重9.55%。
关键字：电动客车车架；有限元；轻量化设计
1 针对纯电动城市客车有限元模型处理
Hypermesh对模型网格要求比较严格，网格划分细腻，要想得到理想网格，需对模型零部件逐个划分网格。选择网格尺寸为10mm，划分完网格的模型网格数目为600109，节点数目为589727。选择壳单元Pshell，根据模型各零件厚度赋予零件厚度及材料。车架材料为Q345，表1 Q345材料参数材料名称弹性模量泊松比屈服极限密度Q345 2.1×10 11 N•m -2 0.3 345 7850kg•m -33 12m纯电动城市客车底盘车架的有限元载荷与边界条件
1.1纯电动城市客车底盘车架有限元载荷
根据底盘车架在实际工作时的载荷分布情况对客车底盘车架施加载荷与约束。客车可以承受的总人数为63人（60kg/人），客车整备质量13900kg，视为均布载荷。客车整车电池组总电压544V/容量400Ah，数量为9块，其中有四块大电池包，五块小电池包，总重2.3吨，可视为均布载荷。电机重980kg，两只蓄电池额定电压为24V，重100kg，作为集中力载荷处理。Hypermesh中均布载荷与集中力分别施加在单元与节点上，因此将上述载荷分别施加在相应的单元与节点上。均布载荷施加在底盘车架的横纵梁上，车载电池包、电机与蓄电池等以集中力载荷施加在相应的位置，10%；孟庆功等利用ANSYS对某低地板城市客车进行有限元分析，并根据分析结果对车架进行轻量化设计，车架质量减轻22%；扶原放等 [6] 引入可靠性理论对汽车车架进行优化设计；Shin J. K.等 [7] 利用ULSAB设计理念结合拓扑优化、尺寸优化以及形貌优化等对汽车前车门内板进行结构优化，质量减轻8.72%；刘高军 [8] 利用Isight集成SolidWorks、ANSYS对某客车进行几何参数化和有限元分析，结合动态峰值力对车身骨架轻量化分，质量减轻8.84%；张丽霞等 [9] 基于VB利用ANSYS对某车架进行有限元分析与优化，车架质量减轻19%；王孟等 [10] 根据ANSYS软件，利用ANSYS语言APDL与图形界面语言UIDL编程，开发出车架轻量化设计系统，并对某车架进行轻量化分析，减重达55%。本文利用有限元前处理软件Hypermesh及Optistruct模块，对某12m纯电动城市客车各种工况 [11] 下的结构静强度进行分析，得到底盘结构在各种工况下的应力与位移云图，并根据静力计算结果进行参数化优化以达到轻量化目的。
2 车架有限元分析
2.1 模态分析
车架的动态特性指的就是对其进行模态分析计算，其结果可找出不同模态下车架变形特性以及突变特性，通过合理的设计可以避开共振频率。将模型导入到 HyperMesh 中，选择 Load?Collectors → EIGRL，频率范围为 0~2?000?Hz，提取 20 阶建立模态分析步?Loadsteps，将其提交至相对应求解器进行求解，在 HyperView 中分析其动的刚性特征，对分析整个电动汽车车架结构的形式过程中的振动情况影响不大，因此过滤掉
架的刚性模态特征汽车工作时传动轴的激励频率范围在 30?Hz左右，路面激励在 1~3?Hz 之间[9] 。而此车架的低阶频率 31.48?Hz 不在这个范围之内，但与传动轴激励频率较为接近，需进一步优化
2.2 强度分析
满载弯曲工况是模拟电动汽车在平时最常遇见的状态（只承受垂直方向的载荷）下的应力分布情况，分析其强度是否能满足使用情况。
纯电动汽车车架所受主要载荷有：（1）车身自重。（2）乘员及座椅和其他附属部件重力 35?000?N，可简化为有限元模型主要承载面上的均布载荷。（3）纯电动汽车的电池包重力 5?000?N，可简化为电池架两端根矩形管横梁上的均布载荷。另外，分析时还需将模型环境设置为存在 9.8?m/s 2 加速度的重力场。通过点击 1D → RIGIDS 对电动汽车 4 根钢制圆形壁管梁两侧的圆孔周围网格进行刚性连接，集成为一点，并约束其 6 个自由度。在 Analysis 单元中建立载荷分析步 Loadsteps，并由此通过 Optistruct 建立相应的模态特征模型求解计算车架的强度
2.3 刚度分析
刚度作为车架最基本的特性，其不足会直接影响车身的被动安全性能、NVH 性能以及舒适性等，因此电动汽车车架结构设计必须满足刚度要求车架的刚度评价取决于车架的弯曲刚度和扭转刚度参数，其分析如下。
2.3.1 弯曲工况下刚度分析
电动汽车车架在左、右两侧钢板弹簧安装吊耳集合点处均施加 6 自由全约束，在两电池架中间横梁受到 5?000?N 的载荷作用下，此时车架所处的主要是弯曲工况
3 响应面模型与优化
由于车架的强、刚度性能未能完全发挥车架材料 Q345 的性能，因此在保证满足强度与刚度等性能上的要求下，通过软件 Isight 软件引入粒子群寻优算法，增强全局寻优能力，确定最完善的车架模型。目标是最大程度地最优化及轻量化降低骨架质量，以节省原材料的消耗降低产品开发成本和增强汽车的行驶动力性、经济性，以提高市场的竞争力。
3.1 响应面模型
以车架各主要承载梁 x 1 ?~x 4 作为优化输入变量，输入变量包括：大梁、横梁、电池架和圆管壁梁的厚度。以车架使用性能相关的参数作为优化输出变量，输出变量包括：质量m、低阶频率f、弯曲刚度 k 1 、扭转刚度 k 2 、应力σ。采用径向基神经网络（RBF）近似模型，作为优化分析的响应面模型，要求质量、低阶频率、弯曲刚度、扭转刚度、应力等输出变量近似模型的确定性系数 R 2 需大于 0.9。
3.2 车架的优化过程
基于径向基神经网络（RBF）建立的电动汽车车架近似模型，优化模型的目标为电动汽车车架的最小质量（m）和低阶频率（f）的最大值；以厚度为 5?mm 的大梁、3?mm 的横梁、3?mm 的电池架和 5?mm 的圆管壁梁为优化设计变量，车架初始设计变量及取值范围4 车架优化后的有限元分析确定优化方案后，将各梁的厚度再次带入有限元模型中，Q345 材料属性不变，对其进行模态分析计算和强度校核，得到的第 7 阶模态为34.49?Hz，比优化前的第 7 阶频率 31.48?Hz 提高了9.5%，避开了电动汽车共振区域，如图7所示。最大弯曲应力为 105.164?MPa，远小于安全系数为 1.5 时的 Q345 的许用应力值 230MPa.
结论
通过采用有限元分析模型，分析结果表明垂直冲击工况下及转弯工况下，箱体侧板、底板、后门、前围及副车架均出现应力超标，制动工况下，除底板外，其余总成应力也均超过材料屈服强度，不能满足使用要求，举升工况中，前围局部尖角处应力稍超过屈服强度，基本满足要求，副车架局部应力超过材料抗拉强度，不能满足使用要求。优化结构后通过加宽尾部立柱，并将立柱下沿与底梁实现封闭满焊减小应力集中增加抗弯性能；同时增加侧板中部立柱，有效增加侧板抗变形能力；可去除侧围中部加强板以及前侧围之间的连接管；副车架纵梁上翼面在翻转座处和前端增加内衬或者通过采用刚度变化结构，减缓刚度突变，降低接触应力。
参考文献
[1]周成军,沈嵘枫,周新年,等.电动汽车车身结构轻量化研究进展[J].林业机械与木工设备,2012(11):14-18.
[2]盛建 , 戴作强 , 张铁柱 . 纯电动客车车架结构模态分析与优化设计 [J]. 制造业自动化 ,2015,37(15):44-47.
[3]张永昌.MSC.Nastran 有限元分析理论基础与应用[M].北京:科学出版社,2004.