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[轻量化轻卡|重卡] 电动公交车车架轻量化优化设计及评价

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发表于 2019-12-9 09:17:11 | 显示全部楼层 |阅读模式

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汽车轻量化在线】摘 要:根据电动公交车车架的结构,采取拓扑优化方法和车架轻量化系数评价方法相结合的方案,对电动公交车车架进行减重优化设计。以某型电动公交车车架为研究参考样本,建立车架模型。在ANSYS中对设计的电动公交车车架进行有限元分析,并在满足材料基本性能的前提下采用变密度法对车架有限元模型进行拓扑优化。最后利用车架轻量化系数评价方法对优化前、后的车架进行轻量化评价。结果表明,轻量化系数由优化前的0.104降低为优化后的0.0058,较好地实现了电动公交车车架轻量化设计目标。
关键词:电动公交车;有限元分析;拓扑优化设计;轻量化评价

1 引言

伴随着汽车技术日趋完善,各大汽车厂商开始将汽车轻量化研究作为新的研究方向,在保证汽车各项性能的基础上,降低汽车的质量[1-2],因为当车架的重量每降低1t时,用户的效益则增加10万元[3]。在汽车轻量化的研究中,文献[4]以车身减重为轻量化评价准则,根据灵敏度分析对某款摩托车结果进行优化设计[5];文献[6]也提出乘用车面密度评价方法对乘用车进行轻量化的研究;文献[7-8]提出的车身轻量化系数评价方法的基础上,提出车架轻量化系数评价方法对汽车车架进行轻量化评价。同时,环境问题日趋严重,致使汽车行业不得重视节能、环保、安全等因素,电动汽车顺应时代发展趋势成为汽车行业发展的另一新方向[9]。虽然汽车轻量化研究与新能源汽车发展迅猛,却很少有科研人员结合社会发展趋势,对以电能为能源装置的公共交通工具做出轻量化研究。采用拓扑优化与车架轻量化系数评价方法相结合的思路,对电动公交车车架进行轻量化研究,得到优化前后的实验数据。进而验证轻量化设计方法应用于电动公交车的可行性,为电动公交车的轻量化提供参考。


2 电动公交车车架的有限元分析
2.1 电动公交车的参数

车架作为汽车的支撑载体,承载着汽车百分之八十以上的重量,因此在轻量化评价及优化设计的研究中,对车架的轻量化设计是不可缺少的一部分。经过市场调查,获取了LCK6105PHENV型系列电动公交车[10]的基本配置参数,并以该电动公交车为参考,设计出新的电动公交车车架。

该电动车公交车为纯电动车,搭载锂离子电池,能够持续续航200km,最高车速可达90km/h。满足国家政策要求以及各大中城市的要求,并且能够实现零排放,能够达到节能减排的目的。电动公交车的基本配置参数,如表1所示。

表1 电动公交车基本配置参数

Tab.1 Basic Configuration Parameters Pf Electric Bus


2.2 车架有限元建模

依据所研究的电动公交车车架的样本数据为基础,进行必要改动设计后,在Pro/E中对该电动公交车车架进行参数化建模,并以IGES格式保存。

在ANSYS中导入车架模型的IGES文件,并将有限元模型单元材料选择为Q235,材料设置属性为E=210GPa,σ=0.3,ρ=7.9E+03kg/m3,焊点为RBE2刚性单元,部分焊点使用节点合并。根据电动公交车的工况与实际载荷,在保证车架整体性能的前提下,以60mm为基准,对车架使用板壳单元网格划分。参数化设定后得的车架有限元模型及坐标,如图1所示。

图1 车架有限元模型

Fig.1 Frame Finite Element Model


2.3 车架的静力学分析

在车架前左、右悬架装座处,对X、Y、Z三个方向的自由度进行约束,对车架后段区域左、右纵梁Y方向限定平动自由度。当设定约束点后,根据电动公交车的实际运行工况,结合动态系数,对车架垂直Y方向施加53520N的荷载。

弯曲刚度计算公式:


式中:Kb—弯曲刚度;d—左、右纵梁在Y方向的最大值位移;F1—左、右纵梁在Y方向上的作用力。

对车架前左悬架装座处进行X、Y、Z方向的平动自由度进行约束,右悬架不限制自由度,对车架后段区域左、右纵梁添加Y方向的约束。设定约束点后,根据电动公交车在实际运行中的情况,结合动态系数,对车架垂直Y方向施加38000N的荷载。

车架扭转刚度计算公式:


式中:Ki—扭转刚度;ψi—扭转角;T—扭矩;F2—车架上的载荷;d1—在扭矩作用下的左、右纵梁的Y方向的相对位移;d2—左、右纵梁中心之间的距离。

通过计算,并查看求解结果,得到弯曲、扭转工况下的车架变形云图以及等效应力云图,如图2所示。由以上静应力分析可知,车架在弯曲工况下的等效应力最大值为107.48MPa,扭转工况下的等效应力极限为174.18MPa,均小于Q235的屈服极限,满足车架使用的强度条件,存在强度富裕,可进一步轻量化。

图2 弯曲、扭转工况下的变形、等效应力云图

Fig.2 Deformation and Equivalent Force Cloud Images Under Bending and Torsion Conditions


3 拓扑优化设计
3.1 车架拓扑优化数学模型

变密度拓扑优化法中,采用各向同性微结构的惩罚模型,在相对单元密度与材料弹性模量之间引入惩罚因子,建立一种非线性的显示关系。当引进的变量因子处于(0,1)之间时,惩罚中间密度数值会由中间向两端慢慢靠近,使拓扑优化模型由连续型变量变为(0,1)之间的离散型优化变量模型。与之相对应的目标函数的敏度、刚度矩阵和柔度目标函数表示如下:


式中:EP—插值之后的弹性模量;Emin—空洞弹性模量;E0—固体弹性模量;xi—单元i的设计变量;p—惩罚因子;K—刚度矩阵;U—位移变量。

惩罚密度值对惩罚因子惩罚后,惩罚因子向其两端移动,致使设计的连续变量接近于(0,1),中间密度单元的弹性模量很小,因此对刚度矩阵几乎无影响。

在车架轻量化优化的过程中,通常把质量最小的材料在车架上的分布作为研究对象。因此在特定的边界条件中,在满足扭转刚度、弯曲刚度作为约束条件以及将车架最小质量定义为最小目标函数的条件下,用变函数方法建立拓扑优化数学模型[11]。

拓扑优化数学模型:


式中:M(y)—车架结构总质量;B*—车架的刚度要求;f*—一阶模态频率要求;y—单元密度

值不同于一般的意义的材料密度,是拓扑优化过程中特有的动态参数,在微结构中取值(0,1)之间,代表单元结构的删除或者保留。

3.2 车架拓扑优化设计

将车架有限元模型导入ANSYS的拓扑优化模块后,在优化模块中设置边界条件以及将车架支撑结构区域设为非设计区域。并根据车架结构基础,计算得出电动公交车车架的拓扑优化模型[12],如图3所示。

图3 车架拓扑优化模型

Fig.3 Topology Optimization Model of Frame


结合车架的实际情况,在满足车架的弯曲、扭转屈服极限的前提下,对车架局部进行切除,最终得到新的车架模型,如图4所示。

图4 删减后的车架模型

Fig.4 The Reduced Frame Model


4 车架轻量化评价4.1 车架轻量化评价方法

汽车车架轻量化评价[13]是一个涉及整车、悬架、蓄电池等部件的复杂的系统工程,主要通过优化设计方法、优化算法、工艺材料优化三个主要方面进行实现。在轻量化评价的过程中,主要是在保证汽车工作安全、刚度、NVH(振动、噪声和声震粗糙度)等一系列性能指标的前提下,降低车架的装备质量,提升汽车的性能及工况。

以BMW公司提出的车身轻量化系数评价方法为基础,提出的车架轻量化评价系数评价方法是目前行业认可的轻量化评价方法,公式如下。


式中:L—车架轻量化系数;m—车架总质量;CT—车架静态扭转刚度;A—车架在地面的投影面积。

4.2 车架轻量化评价及分析

车架的扭力强度、弯曲刚度以及动态特性等其它因素对整车的寿命、舒适性、操纵稳定性都具有相当大的影响。车架需要足够大的静强度与刚度来保证车架的使用性能,因此对车架轻量化评价的过程中,需要判断车架的弯曲刚度、扭转刚度是否满足车辆的使用要求。

在载荷不变的情况下,对拓扑优化后的车架进行有限元分析,得到弯曲工况下的应力最大值为107.45MPa,扭转工况下的最大应力值为149.34MPa。与优化前对应工况下的最大应力值相比较,发现扭转应力值与预期扭转应力值增大(尺寸优化法结论)相驳,但与文献[10]阐述论点相同,即扭转应力值减小的情况实际存在。再计算出优化后的轻量化系数,与优化前的轻量化系数相对比结果,如表2所示。

表2 改进前、后轻量化系数的对比

Tab.2 Comparison of Lightweight Coefficients Before and After Improvement


通过对比分析,可以看到车架质量从1822.2kg减小到了1463.3kg,总体质量降低了19.6%。轻量化系数减小,根据轻量化评价系数的评价原理,优化后的轻量化系数为0.0058小于优化前的0.0104,实现了车架轻量化设计目标。且弯曲应力与扭转应力均小于Q235的屈服极限,满足要求。


5 结论

(1)对设计的电动公交车车架有限元分析,车架弯曲、扭转应力均小于材料Q235的屈服极限,说明车架结构设计、选材合理。

(2)对电动公交车车架拓扑优化后,发现车架的弯曲、扭转应力不是呈现一味地增大或者减小趋势,而是根据相应优化方法对应规律而变化。

(3)拓扑优化后的车架不仅满足材料的基本性能,同时质量减少358.9kg。轻量化系数由优化前的0.104降低为优化后的0.0058,证明电动公交车车架在满足基本性能的前提下,轻量化设计有效可行。


参考文献

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[13]路洪洲,王智文,陈一龙.汽车轻量化评价[J].汽车工程学报,2015,5(1):1-8.(Lu Hong-zhou,Wang Zhi-ming,Chen yi-long.Evaluation Methodology for Automotive Lightweight Design[J].Chinese Journal of Automotive Engineering,2015,5(1):1-8.)


来源:作者:张 健,龙旭东(攀枝花学院交通与汽车工程学院,四川 攀枝花 617000)






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