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電動(dòng)客車(chē)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和安全性能優(yōu)化分析

2020-03-27 08:14:01·  來(lái)源：《電動(dòng)客車(chē)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和安全性能優(yōu)化分析》  
　
文章來(lái)源：《電動(dòng)客車(chē)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和安全性能優(yōu)化分析》作者單位：中國(guó)汽車(chē)工程研究院股份有限公司汽車(chē)輕量化工程技術(shù)研究中心引 言隨著囯家節(jié)能和環(huán)保政策的不斷實(shí)
文章來(lái)源：《電動(dòng)客車(chē)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和安全性能優(yōu)化分析》
作者單位：中國(guó)汽車(chē)工程研究院股份有限公司汽車(chē)輕量化工程技術(shù)研究中心

引 言

隨著囯家節(jié)能和環(huán)保政策的不斷實(shí)施，電動(dòng)客車(chē)正迅速?gòu)膶?shí)驗(yàn)室走向商業(yè)化和市場(chǎng)化，囯內(nèi)主流客車(chē)廠都相繼推出了電動(dòng)客車(chē)產(chǎn)品?有別于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)客車(chē)，電動(dòng)客車(chē)除了乘員生存空間要求外，對(duì)電池及安全系統(tǒng)也有安全的要求?電動(dòng)客車(chē)作為城市公交客運(yùn)的重要組成部分，其主要交通事故形式多為側(cè)翻，隨著保有量的増加，其交通事故數(shù)量呈上升趨勢(shì)?因此，客車(chē)的安全性受到廣泛關(guān)注?為減少客車(chē)翻滾事故中的傷亡率，囯家標(biāo)準(zhǔn)制定了客車(chē)上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的技術(shù)要求與試驗(yàn)方法，要求客車(chē)進(jìn)行側(cè)翻試驗(yàn)，并在側(cè)翻后要保持一定的乘員生存空間?

囯內(nèi)外學(xué)者主要考慮對(duì)客車(chē)車(chē)身骨架結(jié)構(gòu)模態(tài)?強(qiáng)度?剛度及有限元等方面進(jìn)行研究，同時(shí)也對(duì)車(chē)身結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效的優(yōu)化設(shè)計(jì)，但大多數(shù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)也僅僅是在原有車(chē)身骨架的基礎(chǔ)上憑借經(jīng)驗(yàn)改變其結(jié)構(gòu)，并沒(méi)有考慮客車(chē)側(cè)翻碰撞對(duì)車(chē)身骨架結(jié)構(gòu)安全性的影響?然而與傳統(tǒng)客車(chē)車(chē)身骨架相比，電動(dòng)客車(chē)車(chē)身骨架結(jié)構(gòu)布置形式?承載形式及應(yīng)力分布都有明顯的差異，若還按照傳統(tǒng)思維得出的優(yōu)化結(jié)構(gòu)往往缺乏合理性和安全性?

本文針對(duì)上述問(wèn)題，提出采用側(cè)翻碰撞和結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法對(duì)電動(dòng)客車(chē)進(jìn)行研究，首先建立電動(dòng)客車(chē)有限元分析模型，對(duì)原始客車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)進(jìn)行低階模態(tài)及典型工況下的剛度?強(qiáng)度分析，其次根據(jù)囯家標(biāo)準(zhǔn)建立了客車(chē)側(cè)翻試驗(yàn)平臺(tái)有限元分析模型，完成了側(cè)翻碰撞仿真分析?基于車(chē)身結(jié)構(gòu)的靜動(dòng)態(tài)性能及側(cè)翻碰撞安全性，采用材料優(yōu)化和尺寸優(yōu)化相結(jié)合的方法對(duì)客車(chē)骨架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化?優(yōu)化結(jié)果表明，所提方法具備實(shí)用性和有效性?

1 電動(dòng)客車(chē)有限元建模
 
本文研究的電動(dòng)客車(chē)為城市低地板電動(dòng)公交客車(chē)，整車(chē)模型由客車(chē)骨架?電池箱?前后懸?動(dòng)力總成和空壓機(jī)等組成?電池主要布置在三處: 前艙駕駛員后部?中地板乘員座椅下部和后艙座椅下部區(qū)域，共計(jì)20個(gè)電池組，如圖1 所示?建立有限元模型時(shí)，為避免有限元分析的復(fù)雜性，在保證結(jié)構(gòu)需求的前提下需要對(duì)一些結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化: 略去了蒙皮和一些非承載件，只保留主體承載骨架；忽略承載結(jié)構(gòu)上的工藝孔?安裝孔?凸臺(tái)和翻邊等工藝特征；電池組采用實(shí)體建模，質(zhì)量和質(zhì)心和實(shí)際保持一致；殼單元基準(zhǔn)面為客車(chē)實(shí)際結(jié)構(gòu)的中面，結(jié)構(gòu)間的連接關(guān)系采用節(jié)點(diǎn)耦合?剛性連接?點(diǎn)焊?片焊?可變形焊點(diǎn)梁和固連接觸等模擬?為了盡可能真實(shí)地在有限元模型中反映客車(chē)的原始結(jié)構(gòu)，車(chē)身和底架完全采用板殼單元構(gòu)建，而沒(méi)有采用精度較低的桿單元和梁?jiǎn)卧?在充分考慮車(chē)體各部件尺寸大小的基礎(chǔ)上，網(wǎng)格劃分的殼單元邊長(zhǎng)取15mm?整車(chē)有限元模型如圖2 所示?

 
客車(chē)前后圍?頂蓋等骨架采用的材料為20#鋼，底架?側(cè)圍采用的材料為Q345B，設(shè)定20#鋼和Q345B 材料參數(shù)取值，見(jiàn)表1。

 
2 車(chē)身骨架的模態(tài)分析

 
客車(chē)采用無(wú)約束方式的模態(tài)分析，即自由模態(tài)分析?自由模態(tài)的前六階模態(tài)為剛體模態(tài)，一般可以不予考慮?客車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)對(duì)低頻激振比較敏感，避免客車(chē)車(chē)身骨架發(fā)生整體共振現(xiàn)象，故低階模態(tài)基本可以反映客車(chē)車(chē)身的剛度特性。采用Block Lanczos 法進(jìn)行計(jì)算，得到前10階模態(tài)，見(jiàn)表2 ?同時(shí)提取典型的第一?三?六?九階振型圖，如圖3 所示。

 
由客車(chē)車(chē)身骨架模態(tài)分析結(jié)果可知，車(chē)身骨架最低的一階扭轉(zhuǎn)頻率為6.04Hz，最低的一階彎曲頻率為11.84Hz ?試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，一般的客車(chē)車(chē)身懸架共振頻率在20~ 34Hz 之間，故要求車(chē)身低階模態(tài)的頻率在4 H z~ 20 Hz 范圍內(nèi)?而有限元仿真前十階固有頻率集中在6 Hz~18H z 之間?綜上所述，客車(chē)車(chē)身低階固有頻率在要求的頻率范圍內(nèi)，避免了客車(chē)車(chē)身骨架發(fā)生整體共振現(xiàn)象，滿足設(shè)計(jì)要求。

3 典型載荷工況分析

客車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)主要承受彎曲?彎扭，轉(zhuǎn)彎和制動(dòng)載荷等?選取對(duì)客車(chē)車(chē)身骨架影響較大的彎曲工況和彎扭工況進(jìn)行分析，二者對(duì)應(yīng)的載荷施加情況相同，約束情況不同。設(shè)置工況如下:

1) 彎曲工況: 對(duì)客車(chē)滿載狀態(tài)下模擬靜態(tài)或良好路面勻速直線行駛時(shí)的應(yīng)力分布和變形情況?車(chē)輛處于滿載靜止條件下水平停放，動(dòng)載系數(shù)2.0，約束右后輪心處X ?F ?Z方向的平動(dòng)自由度，左后輪心處X ?Z 方向的平動(dòng)自由度，右前輪心處F ?Z 方向的平動(dòng)自由度，左前輪心處Z 方向的平動(dòng)自由度?從圖4 a 可知，彎曲工況應(yīng)力最大位置在底架零件上，最大應(yīng)力為423.9 M Pa，該零件材料牌號(hào)為Q345B，超過(guò)了其屈服強(qiáng)度，不滿足設(shè)計(jì)要求，需要優(yōu)化設(shè)計(jì)?從圖4 b 可知，車(chē)身骨架節(jié)點(diǎn)最大位移為3.75m m，發(fā)生在車(chē)身骨架中地板乘員座椅下部放置電池組的橫梁位置?

 
2) 彎扭工況: 對(duì)客車(chē)滿載狀態(tài)下模擬凹凸不平的路面上行駛時(shí)，出現(xiàn)一個(gè)車(chē)輪懸空的極限彎扭情況?在滿載條件下計(jì)算時(shí)，一側(cè)前輪懸空，關(guān)注整車(chē)的應(yīng)力分別及變形情況?懸空左前輪，其他三輪約束同彎曲工況?從圖5 a 可知，彎扭工況應(yīng)力最大位置在側(cè)圍零件上，最大應(yīng)力為348.9M Pa，該零件材料牌號(hào)為20 #鋼，超過(guò)了其屈服強(qiáng)度，不滿足設(shè)tW求，需要優(yōu)化設(shè)計(jì)# 從圖5 b 可知，車(chē)身骨架節(jié)點(diǎn)最大位移為35.6m m，發(fā)生在前端頂蓋與側(cè)圍相連的部位，產(chǎn)生較大變形。

 
4 電動(dòng)客車(chē)側(cè)翻碰撞分析

 
根據(jù)《客豐上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求及試驗(yàn)方法》要求，客車(chē)車(chē)身骨架結(jié)構(gòu)?翻轉(zhuǎn)試驗(yàn)平臺(tái)及所建立的生存空間共同構(gòu)成客車(chē)側(cè)翻碰撞仿真分析模型，如圖6 所示。駕駛員和乘員分別定義成集中質(zhì)量，為便于考評(píng)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求建立了乘員的生存空間模型，如圖7 所示?選擇結(jié)構(gòu)最薄弱的右側(cè)進(jìn)行側(cè)翻分析?

 
由于客車(chē)的臺(tái)架側(cè)翻試驗(yàn)是長(zhǎng)時(shí)間的過(guò)程，客率隨著水平平臺(tái)以不超過(guò)5°/ s 的速度轉(zhuǎn)動(dòng)，直到客車(chē)脫落平臺(tái)自由落體撞擊到垂直于距離旋轉(zhuǎn)平臺(tái)0.8 m 的撞擊面?如果模擬整個(gè)過(guò)程，需要很長(zhǎng)的計(jì)算時(shí)間，而實(shí)際中客車(chē)車(chē)體在未接觸到地面的這段過(guò)程并不是關(guān)注重點(diǎn)。因此，本文根據(jù)能量守恒原理，勢(shì)能的變化量與動(dòng)能的變化量相等，通過(guò)計(jì)算確定客牟在剛接觸地面時(shí)而未開(kāi)始碰撞變形時(shí)的角速度為ω= 2.06 rad/s。

4.1乘員生存空間評(píng)估

在側(cè)翻碰撞分析過(guò)程中，0 時(shí)刻系統(tǒng)動(dòng)能最大為146 kJ，0 ~0.16s 時(shí)間內(nèi)動(dòng)能下降很快，最后趨于一個(gè)固定值20 kJ，內(nèi)能的變化趨勢(shì)與動(dòng)能相反；在客豐車(chē)身接觸到剛性地面后，因車(chē)身骨架的碰撞變形，整車(chē)的質(zhì)心高度有先下降后上升的變化趨勢(shì)，如圖8 所示，整個(gè)過(guò)程中有新的勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，質(zhì)心最大位移325 mms 最大轉(zhuǎn)化動(dòng)能也即最大總能量增加約47kJ ?

 
側(cè)翻碰撞的系統(tǒng)能量變化曲線如圖9 所示，系統(tǒng)沙漏能一直保持在系統(tǒng)總內(nèi)能的0.19% 左右，滑移能保持在系統(tǒng)總內(nèi)能的0.37% 左右，上下浮動(dòng)很小，二者均不超過(guò)5% ，在控制范圍內(nèi)；側(cè)翻碰撞過(guò)程中，因車(chē)身骨架碰撞變形存在新的勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，除了因有初始的角速度而具有初始動(dòng)能之外，還存在隨整車(chē)質(zhì)心Z 向高度變化而變化的動(dòng)能，系統(tǒng)的總能量并不表現(xiàn)為平直的曲線，而是先上升后下降趨勢(shì)的曲線，從圖9 中可以看出最大系統(tǒng)總能量增加了34%即49kJ，和前述勢(shì)能最大轉(zhuǎn)化動(dòng)能約47kJ 基本相吻合，所以整個(gè)側(cè)翻過(guò)程符合能量亙定律，表明了仿真分析結(jié)果的可靠性。

 
整車(chē)變形如圖10所示，客車(chē)下部強(qiáng)度較大，發(fā)生變形較??；骨架上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較差，側(cè)翻后變形較大；客車(chē)尾部的骨架發(fā)生較大變形，侵入到乘員生存空間?客車(chē)乘員生存空間距離骨架的各個(gè)測(cè)量位置如圖11所示，分析結(jié)果表明，客車(chē)側(cè)圍最大侵入量為311mm，嚴(yán)重侵入乘員生存空間?

4.2 電池安全性能評(píng)估

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電池包有嚴(yán)格的考核要求，在客車(chē)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，電池包系統(tǒng)已經(jīng)通過(guò)實(shí)物的測(cè)試評(píng)價(jià)，為了避免側(cè)翻中電池包脫落?侵入乘客艙?變形過(guò)大而引起電解液泄漏，主要考核電池支架和安裝點(diǎn)是否保持一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度性能?因?yàn)樵趥?cè)翻過(guò)程中，主要是上部結(jié)構(gòu)與地面的碰撞接觸，所以布置在中地板乘員座椅下部的電池未受到碰撞沖擊；雖然客車(chē)骨架的后部變形較大，但后艙座椅下部的電池布置的位置靠近乘員艙的中間區(qū)域，在側(cè)翻中也未受到過(guò)大的碰撞沖擊?前艙駕駛員后部的電池包布置過(guò)高，且因骨架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不夠，電池包和骨架側(cè)圍發(fā)生了碰撞接觸，電池箱框架發(fā)生了較大的變形，影響了電池的安全性能；電池箱安裝支架變形較小，最大應(yīng)變率為1.72 % ，小于20 % 的限值。

5 車(chē)身結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

通過(guò)典型工況下對(duì)車(chē)身骨架的應(yīng)力和變形分析可知，整個(gè)車(chē)身骨架最危險(xiǎn)部位主要是在底架和側(cè)圍，最大應(yīng)力超過(guò)材料的屈服極限，且變形較大?對(duì)客車(chē)側(cè)翻碰撞分析時(shí)，對(duì)乘員生存空間和電池安裝框架的的性能評(píng)估，發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)車(chē)側(cè)圍立柱性能較弱，難以承受側(cè)翻中的碰撞力?后電池組部位缺少左右傳力機(jī)構(gòu)，造成后部的侵入量較大?后部頂蓋部分對(duì)立柱頂部的支撐作用也較弱?由此，本文采用了材料優(yōu)化和尺寸優(yōu)化兩種優(yōu)化方法相結(jié)合，對(duì)整車(chē)車(chē)架影響較大的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

5.1結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

結(jié)合車(chē)身骨架靜動(dòng)態(tài)性能及側(cè)翻碰撞性能分析，主要采用增加側(cè)圍厚度，采用410 L 材料來(lái)提升頂蓋和后尾，從而抵抗側(cè)翻中的側(cè)面沖擊力；并在后尾增加傳力框架，進(jìn)而將側(cè)面沖擊力有效傳遞到對(duì)側(cè)?具體優(yōu)化方案見(jiàn)圖12 ?表4。

 
5.2 優(yōu)化結(jié)果分析

 
經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化方案應(yīng)用的車(chē)身滿足設(shè)計(jì)要求，彎曲和彎扭組合工況最大應(yīng)力降低約18.7 % ，但其他工況有所增加，如圖13所示?滿足材料的屈服極限，不會(huì)使材料發(fā)生破壞，應(yīng)力分布呈現(xiàn)均勻化，應(yīng)力集中現(xiàn)象有較明顯的改善，各危險(xiǎn)工況下車(chē)身骨架的變形得到提高?優(yōu)化前后的應(yīng)力及變形結(jié)果，見(jiàn)表5 ?對(duì)于優(yōu)化前后的低階自由模態(tài)頻率和振型變化不大，優(yōu)化結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求?

 
 
優(yōu)化后，按照?qǐng)D10測(cè)量各位置生存空間距側(cè)圍骨架的距離，見(jiàn)表6 ?可見(jiàn)骨架距離乘員生存空間最大距離為256 mm，尾部最大侵A量減小390 mm?？蛙?chē)側(cè)翻性能獲得改善，乘員生存空間未發(fā)生餐入，且骨結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提升，骨架雖發(fā)生了一定的變形，但電池包和骨架側(cè)圍未發(fā)生直接碰撞接觸，電池的安全性能未受影響?側(cè)翻過(guò)程中，電池箱安裝支架變形，最大應(yīng)變率為0.038% ，小于優(yōu)化前1.72 % ，也低于20% 的限值，電池支架的安全強(qiáng)度足夠?優(yōu)化方案提高了客車(chē)車(chē)身骨架結(jié)構(gòu)的側(cè)翻碰撞安全性?

6 結(jié)論

本文對(duì)電動(dòng)客車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元建模，并對(duì)客車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)進(jìn)行剛度?強(qiáng)度及低階模態(tài)分析，按照囯家標(biāo)準(zhǔn)建立了客車(chē)側(cè)翻試驗(yàn)平臺(tái)有限元模型，進(jìn)而進(jìn)行客車(chē)側(cè)翻碰撞安全性分析，獲取客車(chē)的結(jié)構(gòu)綜合性能水平?采用材料優(yōu)化和尺寸優(yōu)化相結(jié)合的方法對(duì)強(qiáng)度和側(cè)翻性能進(jìn)行了綜合結(jié)構(gòu)優(yōu)化及驗(yàn)證，得到如下結(jié)論:

1) 車(chē)身骨架整體強(qiáng)度水平較高，在彎曲和彎扭兩種典型工況下的應(yīng)力值超過(guò)了零件屈服強(qiáng)度?經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，車(chē)身結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)要求，彎曲和彎扭組合工況最大應(yīng)力降低，但其他工況應(yīng)力水平均有所提升，且低階模態(tài)頻率和振型變化不大?

2 ) 客車(chē)側(cè)翻過(guò)程中側(cè)圍立柱發(fā)生了明顯變形，電池包和骨架側(cè)圍發(fā)生了碰撞接觸，造成側(cè)圍立柱侵入乘員安全空間，電池箱框架發(fā)生了較大的變形?優(yōu)化后車(chē)身側(cè)翻性能獲得改善，乘員生存空間未發(fā)生侵入，電池支架有足夠的安全強(qiáng)度，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求?
 
 
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