一款低地板頂置電池純電公交的骨架強度優化分析

方維圓

安徽安凱汽車股份有限公司 安徽 合肥 230051

引言

目前，國內一二線城市公交車型大多數為10米-12米的低入口或低地板的純電客車，此類客車不得不將動力電池放置在客車頂部，這對骨架的強度又有了新的要求。 我們亟待通過CAE有限元分析來了解這種變化帶來的影響，并得出優化方案。

1 模型建立

1.1 材料

選取的這款公交車型，其車身結構為全承載結構，車聲骨架主要采用屈服強度為345Mpa和700Mpa的高強度鋼。

1.2 模型建立

圖1為該車的三維數模：

2 八種工況分析

2.1 滿載彎曲工況

滿載彎曲工況下，整車車身骨架的最大應力為380.63MPa，安全系數為0.91，位于頂蓋電池橫梁位置。整體應力主要集中在頂蓋前段電池安裝位置，出現應力集中。

2.2 緊急制動工況

緊急制動工況下，整車車身骨架的最大應力為370.82MPa，安全系數為1.89，位于右后輪罩小總成處。該立柱材料為屈服強度700Mpa的高強度鋼，屈服強度大，安全系數高。

2.3 左急轉工況

左急轉工況下，整車車身骨架的最大應力為506.97MPa，安全系數為0.68，位于電池U型托架與頂蓋橫梁連接處。整體主要集中在乘客門，但乘客門區域強度滿足要求。

2.4 右急轉工況

右急轉工況下，整車車身骨架的最大應力為376.51MPa，安全系數為0.68，位于電池U型托架與頂蓋橫梁連接處。整體主要集中在乘客門，但乘客門區域強度滿足要求。

2.5 左前輪懸空工況

左前輪懸空工況下，整車車身骨架的最大應力為376.51MPa，安全系數為0.68，位于電池U型托架與頂蓋橫梁連接處。整體主要集中在乘客門，但乘客門區域強度滿足要求。

2.6 右前輪懸空工況

右前輪懸空工況下，整車車身骨架的最大應力為290.46MPa，安全系數為1.19，位于底架前段第四截面橫梁。

2.7 左后輪懸空工況

左后輪懸空工況下，整車車身骨架的最大應力為386MPa，安全系數為0.89，位于右后氣囊盤立柱與橫梁連接處。

2.8 右后輪懸空工況

右后輪懸空工況下，整車車身骨架的最大應力為472.27MPa，安全系數為0.73。

3 分析結果

根據對整車車身骨架初始結構進行了滿載彎曲、緊急制動、急轉彎和極限扭轉等四種典型工況的靜態力學分析。綜合八種工況，整車最大應力主要集中在頂蓋電池橫梁位置、連接左右后氣囊盤的立柱、橫梁。

4 優化方案

4.1 頂蓋骨架優化方案

根據CAE分析結果，頂蓋電池橫梁位置出現應力過大主要出現在滿載彎曲和左急轉的工況下，針對這種工況制定如下優化方案。

方案一：在電池U型托架與梁之間增加4根斜撐（規格：40×30×2mm），根據方案一進行優化后，計算結果如下：在電池U型托架與梁之間增加4根斜撐（規格：40×30×2mm）后，在滿載彎曲和左急轉工況下的所受應力分別為352.07MPa、473.2MPa，安全系數不足1，不滿足強度要求。

方案二：在電池U型托架與橫梁之間增加4根并管（規格：40×30×2mm）。

在電池U型托架與橫梁之間增加4根并管（規格：40×30×2mm），在滿載彎曲和左急轉工況下的所受應力分別197.2MPa、250.74MPa，安全系數分別為1.75和1.38，滿足強度要求。

綜合兩種方案對比發現，方案二大幅度提升電池托架位置的強度，建議采納方案二。

4.2 左右后氣囊盤的立柱、橫梁優化方案

方案一：在應力過大立柱內側并排焊接立柱(規格：60×60×5mm)。根據方案一進行優化后，計算結果如下：在應力過大立柱內側并排焊接立柱(規格：60×60×5mm)后，在左后輪和右后輪懸空工況下的所受應力分別為388.58MPa、416.49MPa。

方案二：在左右立柱內側增加5mm厚的直角板和筋板。根據方案二進行優化后，計算結果如下：在左右立柱內側增加5mm厚的直角板和筋板后，在左后輪和右后輪懸空工況下的所受應力分別為377.178MPa、471.32MPa。

方案三：在受力過大的縱梁處增加縱梁（規格：80×60×5mm）,同時并排焊接立柱。根據方案二進行優化后，計算結果如下：在左右立柱內側增加5mm厚的直角板和筋板后，在左后輪和右后輪懸空工況下的所受應力分別為379.05MPa、424.44MPa。

針對三種方案的分析結果，建議采納方案二。雖然在筋板的尖角處出現應力集中現象，但很大程度上減小了氣囊盤立柱和橫梁所受的應力，強度滿足要求。由于前后輪懸空屬于極限工況，實際情況中幾乎很少出現。并結合設計所的設計經驗，前后氣囊盤位置未曾出現過斷裂情況。

5 結論

低地板城市客車因其良好的通過性，已經逐漸成為城市的主流，我們必須盡快對頂置電池結構的骨架進行分析并優化。根據對這款低地板客車的分析結果及其優化方案的分析，得出，這款低地板頂置電池純電公交車型，主要應力集中部位在頂蓋骨架的電池安裝點和左右后部氣囊盤處。針對優化結果的分析，我們有的放矢，對薄弱環節進行結構優化或材料更替，還可以舉一反三，對同類車型進行骨架優化。在確定方案后，還必須加強針對實物車型的可靠性驗證，驗證完成后才可以批量應用，這樣達到理論與實踐的有效結合，保證了目標產品的整體強度，從而確保乘客的安全。