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电动客车结构强度和安全性能优化分析
2020-03-27 08:14:01· 来源：《电动客车结构强度和安全性能优化分析》
文章来源：《电动客车结构强度和安全性能优化分析》作者单位：中国汽车工程研究院股份有限公司汽车轻量化工程技术研究中心引 言随着囯家节能和环保政策的不断实
文章来源：《电动客车结构强度和安全性能优化分析》
作者单位：中国汽车工程研究院股份有限公司汽车轻量化工程技术研究中心
引 言
随着囯家节能和环保政策的不断实施，电动客车正迅速从实验室走向商业化和市场化，囯内主流客车厂都相继推出了电动客车产品｡有别于传统内燃机客车，电动客车除了乘员生存空间要求外，对电池及安全系统也有安全的要求｡电动客车作为城市公交客运的重要组成部分，其主要交通事故形式多为侧翻，随着保有量的増加，其交通事故数量呈上升趋势｡因此，客车的安全性受到广泛关注｡为减少客车翻滚事故中的伤亡率，囯家标准制定了客车上部结构强度的技术要求与试验方法，要求客车进行侧翻试验，并在侧翻后要保持一定的乘员生存空间｡
囯内外学者主要考虑对客车车身骨架结构模态､强度､刚度及有限元等方面进行研究，同时也对车身结构进行有效的优化设计，但大多数的结构优化设计也仅仅是在原有车身骨架的基础上凭借经验改变其结构，并没有考虑客车侧翻碰撞对车身骨架结构安全性的影响｡然而与传统客车车身骨架相比，电动客车车身骨架结构布置形式､承载形式及应力分布都有明显的差异，若还按照传统思维得出的优化结构往往缺乏合理性和安全性｡
本文针对上述问题，提出采用侧翻碰撞和结构优化方法对电动客车进行研究，首先建立电动客车有限元分析模型，对原始客车车身结构进行低阶模态及典型工况下的刚度､强度分析，其次根据囯家标准建立了客车侧翻试验平台有限元分析模型，完成了侧翻碰撞仿真分析｡基于车身结构的静动态性能及侧翻碰撞安全性，采用材料优化和尺寸优化相结合的方法对客车骨架结构进行优化｡优化结果表明，所提方法具备实用性和有效性｡
1 电动客车有限元建模
本文研究的电动客车为城市低地板电动公交客车，整车模型由客车骨架､电池箱､前后悬､动力总成和空压机等组成｡电池主要布置在三处: 前舱驾驶员后部､中地板乘员座椅下部和后舱座椅下部区域，共计20个电池组，如图1 所示｡建立有限元模型时，为避免有限元分析的复杂性，在保证结构需求的前提下需要对一些结构进行简化: 略去了蒙皮和一些非承载件，只保留主体承载骨架；忽略承载结构上的工艺孔､安装孔､凸台和翻边等工艺特征；电池组采用实体建模，质量和质心和实际保持一致；壳单元基准面为客车实际结构的中面，结构间的连接关系采用节点耦合､刚性连接､点焊､片焊､可变形焊点梁和固连接触等模拟｡为了尽可能真实地在有限元模型中反映客车的原始结构，车身和底架完全采用板壳单元构建，而没有采用精度较低的杆单元和梁单元｡在充分考虑车体各部件尺寸大小的基础上，网格划分的壳单元边长取15mm｡整车有限元模型如图2 所示｡
客车前后围､顶盖等骨架采用的材料为20#钢，底架､侧围采用的材料为Q345B，设定20#钢和Q345B 材料参数取值，见表1。
2 车身骨架的模态分析
客车采用无约束方式的模态分析，即自由模态分析｡自由模态的前六阶模态为刚体模态，一般可以不予考虑｡客车车身结构对低频激振比较敏感，避免客车车身骨架发生整体共振现象，故低阶模态基本可以反映客车车身的刚度特性。采用Block Lanczos 法进行计算，得到前10阶模态，见表2 ｡同时提取典型的第一､三､六､九阶振型图，如图3 所示。
由客车车身骨架模态分析结果可知，车身骨架最低的一阶扭转频率为6.04Hz，最低的一阶弯曲频率为11.84Hz ｡试验数据表明，一般的客车车身悬架共振频率在20~ 34Hz 之间，故要求车身低阶模态的频率在4 H z~ 20 Hz 范围内｡而有限元仿真前十阶固有频率集中在6 Hz~18H z 之间｡综上所述，客车车身低阶固有频率在要求的频率范围内，避免了客车车身骨架发生整体共振现象，满足设计要求。
3 典型载荷工况分析
客车车身结构主要承受弯曲､弯扭，转弯和制动载荷等｡选取对客车车身骨架影响较大的弯曲工况和弯扭工况进行分析，二者对应的载荷施加情况相同，约束情况不同。设置工况如下:
1) 弯曲工况: 对客车满载状态下模拟静态或良好路面匀速直线行驶时的应力分布和变形情况｡车辆处于满载静止条件下水平停放，动载系数2.0，约束右后轮心处X ､F ､Z方向的平动自由度，左后轮心处X ､Z 方向的平动自由度，右前轮心处F ､Z 方向的平动自由度，左前轮心处Z 方向的平动自由度｡从图4 a 可知，弯曲工况应力最大位置在底架零件上，最大应力为423.9 M Pa，该零件材料牌号为Q345B，超过了其屈服强度，不满足设计要求，需要优化设计｡从图4 b 可知，车身骨架节点最大位移为3.75m m，发生在车身骨架中地板乘员座椅下部放置电池组的横梁位置｡
2) 弯扭工况: 对客车满载状态下模拟凹凸不平的路面上行驶时，出现一个车轮悬空的极限弯扭情况｡在满载条件下计算时，一侧前轮悬空，关注整车的应力分别及变形情况｡悬空左前轮，其他三轮约束同弯曲工况｡从图5 a 可知，弯扭工况应力最大位置在侧围零件上，最大应力为348.9M Pa，该零件材料牌号为20 #钢，超过了其屈服强度，不满足设tW求，需要优化设计# 从图5 b 可知，车身骨架节点最大位移为35.6m m，发生在前端顶盖与侧围相连的部位，产生较大变形。
4 电动客车侧翻碰撞分析
根据《客丰上部结构强度要求及试验方法》要求，客车车身骨架结构､翻转试验平台及所建立的生存空间共同构成客车侧翻碰撞仿真分析模型，如图6 所示。驾驶员和乘员分别定义成集中质量，为便于考评，根据标准要求建立了乘员的生存空间模型，如图7 所示｡选择结构最薄弱的右侧进行侧翻分析｡
由于客车的台架侧翻试验是长时间的过程，客率随着水平平台以不超过5°/ s 的速度转动，直到客车脱落平台自由落体撞击到垂直于距离旋转平台0.8 m 的撞击面｡如果模拟整个过程，需要很长的计算时间，而实际中客车车体在未接触到地面的这段过程并不是关注重点。因此，本文根据能量守恒原理，势能的变化量与动能的变化量相等，通过计算确定客牟在刚接触地面时而未开始碰撞变形时的角速度为ω= 2.06 rad/s。
4.1乘员生存空间评估
在侧翻碰撞分析过程中，0 时刻系统动能最大为146 kJ，0 ~0.16s 时间内动能下降很快，最后趋于一个固定值20 kJ，内能的变化趋势与动能相反；在客丰车身接触到刚性地面后，因车身骨架的碰撞变形，整车的质心高度有先下降后上升的变化趋势，如图8 所示，整个过程中有新的势能转化为动能，质心最大位移325 mms 最大转化动能也即最大总能量增加约47kJ ｡
侧翻碰撞的系统能量变化曲线如图9 所示，系统沙漏能一直保持在系统总内能的0.19% 左右，滑移能保持在系统总内能的0.37% 左右，上下浮动很小，二者均不超过5% ，在控制范围内；侧翻碰撞过程中，因车身骨架碰撞变形存在新的势能转化为动能，除了因有初始的角速度而具有初始动能之外，还存在随整车质心Z 向高度变化而变化的动能，系统的总能量并不表现为平直的曲线，而是先上升后下降趋势的曲线，从图9 中可以看出最大系统总能量增加了34%即49kJ，和前述势能最大转化动能约47kJ 基本相吻合，所以整个侧翻过程符合能量亘定律，表明了仿真分析结果的可靠性。
整车变形如图10所示，客车下部强度较大，发生变形较小；骨架上部结构强度较差，侧翻后变形较大；客车尾部的骨架发生较大变形，侵入到乘员生存空间｡客车乘员生存空间距离骨架的各个测量位置如图11所示，分析结果表明，客车侧围最大侵入量为311mm，严重侵入乘员生存空间｡
4.2 电池安全性能评估
国家标准对电池包有严格的考核要求，在客车的开发过程中，电池包系统已经通过实物的测试评价，为了避免侧翻中电池包脱落､侵入乘客舱､变形过大而引起电解液泄漏，主要考核电池支架和安装点是否保持一定的结构强度性能｡因为在侧翻过程中，主要是上部结构与地面的碰撞接触，所以布置在中地板乘员座椅下部的电池未受到碰撞冲击；虽然客车骨架的后部变形较大，但后舱座椅下部的电池布置的位置靠近乘员舱的中间区域，在侧翻中也未受到过大的碰撞冲击｡前舱驾驶员后部的电池包布置过高，且因骨架结构强度不够，电池包和骨架侧围发生了碰撞接触，电池箱框架发生了较大的变形，影响了电池的安全性能；电池箱安装支架变形较小，最大应变率为1.72 % ，小于20 % 的限值。
5 车身结构优化分析
通过典型工况下对车身骨架的应力和变形分析可知，整个车身骨架最危险部位主要是在底架和侧围，最大应力超过材料的屈服极限，且变形较大｡对客车侧翻碰撞分析时，对乘员生存空间和电池安装框架的的性能评估，发现基础车侧围立柱性能较弱，难以承受侧翻中的碰撞力｡后电池组部位缺少左右传力机构，造成后部的侵入量较大｡后部顶盖部分对立柱顶部的支撑作用也较弱｡由此，本文采用了材料优化和尺寸优化两种优化方法相结合，对整车车架影响较大的结构进行优化设计。
5.1结构优化设计
结合车身骨架静动态性能及侧翻碰撞性能分析，主要采用增加侧围厚度，采用410 L 材料来提升顶盖和后尾，从而抵抗侧翻中的侧面冲击力；并在后尾增加传力框架，进而将侧面冲击力有效传递到对侧｡具体优化方案见图12 ､表4。
5.2 优化结果分析
经过结构优化设计，优化方案应用的车身满足设计要求，弯曲和弯扭组合工况最大应力降低约18.7 % ，但其他工况有所增加，如图13所示｡满足材料的屈服极限，不会使材料发生破坏，应力分布呈现均匀化，应力集中现象有较明显的改善，各危险工况下车身骨架的变形得到提高｡优化前后的应力及变形结果，见表5 ｡对于优化前后的低阶自由模态频率和振型变化不大，优化结果满足设计要求｡
优化后，按照图10测量各位置生存空间距侧围骨架的距离，见表6 ｡可见骨架距离乘员生存空间最大距离为256 mm，尾部最大侵A量减小390 mm。客车侧翻性能获得改善，乘员生存空间未发生餐入，且骨结构强度提升，骨架虽发生了一定的变形，但电池包和骨架侧围未发生直接碰撞接触，电池的安全性能未受影响｡侧翻过程中，电池箱安装支架变形，最大应变率为0.038% ，小于优化前1.72 % ，也低于20% 的限值，电池支架的安全强度足够｡优化方案提高了客车车身骨架结构的侧翻碰撞安全性｡
6 结论
本文对电动客车车身结构进行了有限元建模，并对客车车身结构进行刚度､强度及低阶模态分析，按照囯家标准建立了客车侧翻试验平台有限元模型，进而进行客车侧翻碰撞安全性分析，获取客车的结构综合性能水平｡采用材料优化和尺寸优化相结合的方法对强度和侧翻性能进行了综合结构优化及验证，得到如下结论:
1) 车身骨架整体强度水平较高，在弯曲和弯扭两种典型工况下的应力值超过了零件屈服强度｡经过结构优化，车身结构满足设计要求，弯曲和弯扭组合工况最大应力降低，但其他工况应力水平均有所提升，且低阶模态频率和振型变化不大｡
2 ) 客车侧翻过程中侧围立柱发生了明显变形，电池包和骨架侧围发生了碰撞接触，造成侧围立柱侵入乘员安全空间，电池箱框架发生了较大的变形｡优化后车身侧翻性能获得改善，乘员生存空间未发生侵入，电池支架有足够的安全强度，满足标准要求｡
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