【正文】 同類車輕50%。目前，動(dòng)力電池能量密度相對(duì)較低，電動(dòng)汽車只有通過(guò)車身骨架輕量化設(shè)計(jì)、減輕整車自重，才能降低能量消耗、提高續(xù)駛里程[911]。如果公交線路每天運(yùn)行總里程按200 km計(jì)算，則車輛需裝載動(dòng)力電池的電能為220～300 kW裝配鋰離子電池的電動(dòng)汽車被劃歸為起步期產(chǎn)品[2]，恰恰說(shuō)明鋰離子電池技術(shù)對(duì)整車的影響程度。汽車對(duì)石油的消耗占世界石油總消耗量的50％左右，年消耗高達(dá)一百多億桶。所以，現(xiàn)今對(duì)電動(dòng)城市公交客車的研發(fā)是控制能源消耗，降低城市污染的一個(gè)重要途徑。以12 m雙軸純電動(dòng)城市客車為例，～ kW作為12 m 的城市客車，如此小的運(yùn)載能力是無(wú)法滿足高峰期客流運(yùn)載需求的，也是運(yùn)營(yíng)部門(mén)不能接受的。h）230139甲廠車多運(yùn)載電能91 kW這項(xiàng)計(jì)劃2012年開(kāi)始實(shí)施，將使美國(guó)在2012～2016年減少使用原油18億桶，溫室氣體排放量將減少9億噸?！熬盼濉焙汀笆濉逼陂g,一批汽車新材料項(xiàng)目被列為國(guó)家“863”、“973”高新技術(shù)項(xiàng)目和國(guó)家科技攻關(guān)重大項(xiàng)目。上世紀(jì) 80年代,重慶汽車研究所就開(kāi)展了雙相鋼研究；一汽轎車、奇瑞汽車公司也在轎車車身上進(jìn)行了高強(qiáng)度鋼板的初步應(yīng)用試驗(yàn)。企業(yè)規(guī)模小而分散。輕金屬材料的應(yīng)用。(2) 根據(jù)車身骨架的有限元模型，運(yùn)用MSC. NASTRAN軟件，計(jì)算在四種典型工況下車身骨架強(qiáng)度分布情況。有限單元法最早可上溯到20世紀(jì)40年代。為了有效地逼近實(shí)際的連續(xù)體和保證計(jì)算精度，就需要考慮選擇單元的形狀、確定單元的數(shù)目和確定劃分方案等問(wèn)題。(2) 利用物理方程，由應(yīng)變表達(dá)式（）導(dǎo)出用節(jié)點(diǎn)位移表示單元應(yīng)力的關(guān)系式： （）式中是單元內(nèi)任一點(diǎn)的應(yīng)力列陣；是與單元材料有關(guān)的彈性矩陣。6．節(jié)點(diǎn)位移的求解和單元應(yīng)力的計(jì)算由結(jié)構(gòu)的平衡方程組（）解出節(jié)點(diǎn)位移。此外, , 以使用戶更靈活的完成模型準(zhǔn)備。用戶可自主開(kāi)發(fā)新的功能：, 并利用其強(qiáng)大的PCL（Patran Command Language ）, 或單獨(dú)使用或與其它系統(tǒng)聯(lián)合使用。全承載式車身的特點(diǎn)是汽車沒(méi)有車架，車身就作為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和底盤(pán)各總成的安裝平臺(tái)。如較少，可以將板分別建模，用MPC單元在相應(yīng)的點(diǎn)連接起來(lái)，這樣處理模型偏軟。 客車車身骨架幾何模型Fig The geometry of bus boy frame該電動(dòng)客車車身骨架底架、左右側(cè)圍和前后圍，都由16Mn合金鋼材質(zhì)的矩形鋼管構(gòu)成，只有頂蓋和左、右側(cè)圍的一些加固梁采用Q235鋼。 66版本。4. 非線性分析，包括幾何非線性分析、材料非線性分析及邊界條件非線性分析（接觸問(wèn)題）。12. P—單元及H、P、H—P自適應(yīng)。實(shí)際應(yīng)用時(shí)可以比較兩種網(wǎng)格劃分的計(jì)算結(jié)果，如果兩次計(jì)算結(jié)果相差較大，可以繼續(xù)增加網(wǎng)格，相反則停止計(jì)算。而在計(jì)算數(shù)據(jù)變化梯度較小的部位，為減小模型規(guī)模，則應(yīng)劃分相對(duì)稀疏的網(wǎng)格。因此，網(wǎng)格數(shù)量應(yīng)增加結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位，在次要部位增加網(wǎng)格是不必要的，也是不經(jīng)濟(jì)的。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量較多時(shí)，兩種單元的精度相差并不很大，這時(shí)采用高階單元并不經(jīng)濟(jì)。質(zhì)量太差的網(wǎng)格甚至?xí)兄褂?jì)算。c單元的兩對(duì)節(jié)點(diǎn)重合，網(wǎng)格面積為零。圖a中的節(jié)點(diǎn)1僅屬于一個(gè)單元，變形后會(huì)產(chǎn)生材料裂縫或重疊。 典型單元的簡(jiǎn)介與選擇（1） 梁?jiǎn)卧臻g梁?jiǎn)卧怯邢拊械某Ｓ脝卧瑔卧總€(gè)節(jié)點(diǎn)存在6個(gè)自由度：三個(gè)線位移分量和三個(gè)截面轉(zhuǎn)角分量。（1）對(duì)比模態(tài)，扭轉(zhuǎn)靜剛度和靜強(qiáng)度分析結(jié)果看，兩種模型吻合較好，且與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的相對(duì)誤差小。所以對(duì)大客車車身整體骨架采用全板殼單元進(jìn)行有限元分析。1)載荷的分類根據(jù)載荷大小是否隨時(shí)間變化的情況，可以分為：(1) 靜止載荷：所謂靜止載荷就是其大小、作用方向以及作用點(diǎn)并不隨時(shí)間變化而變化的載荷稱之為靜載荷（也可以稱為固定載）。（動(dòng)載系數(shù)取k=) Body skeleton load table (Dynamic load coefficient k=)車身承載部件名稱質(zhì)量(單位:Kg)作用位置載荷類型乘客(滿載84人計(jì)） 5640 車廂地板 分布載荷動(dòng)力電池組 2660 中縱梁兩側(cè)與尾縱梁兩側(cè)上下層分布載荷驅(qū)動(dòng)電機(jī) 237 尾縱梁之間分布載荷變速器 180 后橋后部分布載荷驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器45尾部控制器支架分布載荷高壓配電箱30尾部高壓配電箱支架分布載荷集電箱20尾部高壓配電箱支架分布載荷DC/DC18DC/DC支架（尾部右側(cè)上）分布載荷DC/AC5DC/AC支架（尾部右側(cè)下）分布載荷電助力油泵82尾縱梁中間分布載荷電空氣壓縮機(jī)82 尾縱梁上部分布載荷蓄電池100尾縱梁右側(cè)分布載荷電空調(diào)380頂蓋骨架分布載荷散熱水箱與水泵18右側(cè)尾縱梁分布載荷電動(dòng)轉(zhuǎn)向泵82尾部中縱梁分布載荷車身骨架2814車身自重引起（任何工況）分布載荷 6I26EV車骨架加載情況分布圖Fig . The distribution of the 6126EV car frame loading 懸架系統(tǒng)的模擬本文研究的客車前后懸架均采用空氣懸架。本章主要是通過(guò)UG三維制圖軟件建立了6126電動(dòng)客車車身骨架的三維幾何模型，并根據(jù)6126電動(dòng)客車負(fù)載狀況對(duì)其進(jìn)行載荷處理。2) 車身的疲勞強(qiáng)度客車行駛在顛簸不平路面上行駛時(shí)，車身骨架在路面激振力的作用下會(huì)產(chǎn)生各種形式的激振，并可能造成結(jié)構(gòu)的疲勞破壞。1)彎曲剛度[26]當(dāng)車身上作用有對(duì)稱垂直載荷，使得結(jié)構(gòu)處于彎曲工況時(shí)，其整體的彎曲剛度由車身底架的最大垂直撓度來(lái)評(píng)價(jià)。但是最常用的還是前后車橋之間底架軸間相對(duì)扭轉(zhuǎn)角， 車身扭轉(zhuǎn)角的定義 Body torsion angle definition車身扭轉(zhuǎn)角e的計(jì)算公式為： ()式中：：扭轉(zhuǎn)角，單位：度：右側(cè)縱梁測(cè)量點(diǎn)的擾度，單位：mm：.左側(cè)縱梁測(cè)量點(diǎn)的擾度，單位：mmB：左右側(cè)縱梁中心線的距離，單位：mm客車車身扭轉(zhuǎn)剛度有以下兩種計(jì)算方法，其中的量綱與通常的扭轉(zhuǎn)剛度量綱相同，扭轉(zhuǎn)剛度是許多資料在描述車身扭轉(zhuǎn)剛度時(shí)常采用的，他們的計(jì)算公式如下：扭轉(zhuǎn)剛度： ()其中：T——作用在車身上的扭矩，單位：N/mL——前、后軸中心線距離，單位：——車身在與前、后軸中心線對(duì)應(yīng)處的相對(duì)扭轉(zhuǎn)角，單位：度。 客車行駛工況的選擇彎曲工況和滿載扭轉(zhuǎn)工況對(duì)客車車身骨架的強(qiáng)度大小有直接影響，尤其是滿載扭轉(zhuǎn)時(shí)，車身骨架的應(yīng)力將會(huì)大幅度的增加?！镀嚠a(chǎn)品定型可靠性行駛試驗(yàn)規(guī)程》規(guī)定：樣車必須以一定車速，在各種道路上行駛一定里程。其車速較高、車身骨架扭轉(zhuǎn)角不大，主要承受由垂直振動(dòng)所引起的大的彎曲載荷。公交客車在行駛中經(jīng)常遇到緊急制動(dòng)的情況，此時(shí)車身除受垂向載荷作用外，還要受到縱向制動(dòng)慣性力載荷的作用。所謂多點(diǎn)約束，是指一種特殊的單元類型，在幾個(gè)特殊節(jié)點(diǎn)之間定義剛性連接，將一個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)的自由度（稱為非獨(dú)立點(diǎn)自由度）定義為另外一個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)自由度（稱為獨(dú)立點(diǎn)自由度）的函數(shù)。在模型中,MPC表現(xiàn)為一組連接各個(gè)非獨(dú)立節(jié)點(diǎn)和獨(dú)立節(jié)點(diǎn)之間的紅色線段，非獨(dú)立節(jié)點(diǎn)用紅色圓圈表示，以區(qū)別于獨(dú)立節(jié)點(diǎn)。約束處理：將車身骨架與懸掛之間的連接設(shè)置為彈性支撐，并對(duì)橫向位移加以約束，以模擬車身骨架的在水平道路直線行駛情況。載荷處理：同車身靜彎曲工況。約束處理：同彎曲工況。 左轉(zhuǎn)彎工況下的應(yīng)力分布圖 The body stress distribution of left turn 右轉(zhuǎn)彎工況下的應(yīng)力分布圖 The body stress distribution of right turn 計(jì)算結(jié)果如圖顯示，轉(zhuǎn)彎對(duì)后懸橋附近的應(yīng)力比較大?？梢?jiàn)車身骨架的輕量化空間較大。因此有需要對(duì)車身骨架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，減輕車身質(zhì)量。優(yōu)化設(shè)計(jì)有三個(gè)要素，即設(shè)計(jì)變量、目標(biāo)函數(shù)和約束條件。其基本思想是將尋求的結(jié)構(gòu)最優(yōu)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為在給定的設(shè)計(jì)區(qū)域內(nèi)尋求最優(yōu)材料分布問(wèn)題。尺寸優(yōu)化（Size Optimization）優(yōu)化梁的界面尺寸等。其一般步驟如下：(1) 采用有限元法分析相應(yīng)物理問(wèn)題；(2) 收斂判斷；(3) 設(shè)計(jì)靈敏度分析；(4) 利用靈敏度信息得到近似模型，求解近似優(yōu)化問(wèn)題；(5) 返回第一步。退化原理的基本思想就是在優(yōu)化前將結(jié)構(gòu)所有材料都加上，然后構(gòu)造出適當(dāng)?shù)膬?yōu)化模型，通過(guò)一定的優(yōu)化方法逐步刪減那些不必要的結(jié)構(gòu)元素，直到最終得到一個(gè)最優(yōu)化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式。0表示“空”，1表示“實(shí)”，中間值表示假想的材料密度值。單元的大小同樣對(duì)分析結(jié)果有著不小的影響。 OptiStruct中的尺寸優(yōu)化尺寸優(yōu)化是OptiStruct中提供的另一種優(yōu)化方法，與拓?fù)鋬?yōu)化相比，它是一種細(xì)節(jié)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。本課題尺寸優(yōu)化的目標(biāo)是通過(guò)改變殼單元的厚度來(lái)改變車身骨架的重量，以達(dá)到輕量化的目的。使用三維塊單元對(duì)幾何模型進(jìn)行劃分，共得到了692920個(gè)塊單元。（3）優(yōu)化計(jì)算使用OptiStruct進(jìn)行計(jì)算求解。用于尺寸優(yōu)化的目標(biāo)或約束函數(shù)的響應(yīng)可以是質(zhì)量、體積、重心、靜態(tài)應(yīng)力、應(yīng)變以及固有頻率等等。（2）建立拓?fù)鋬?yōu)化建立了有限元模型后，現(xiàn)在需要對(duì)模型進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化。在OptiStruct中進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化主要包括以下4個(gè)步驟：（1）建立有限元模型同靜力分析一樣，在進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化之前需要建立有限元模型。目前在OptiStruct中用于拓?fù)鋬?yōu)化的退化法有均勻化方法和密度法，用這兩種方法來(lái)定義材料的流動(dòng)性。設(shè)計(jì)變量的最大變化一般發(fā)生在最初的迭代步中。形狀優(yōu)化（Shape Optimization）優(yōu)化產(chǎn)品的位置和幾何形狀。但是，它一般只能用于結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)階段，可以為設(shè)計(jì)人員提供全新的設(shè)計(jì)和最優(yōu)的材料分布方案[37]，不能涉及具體的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)。優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型可以表述為：最小化： （）約束條件： （）式（）和（）中，是設(shè)計(jì)變量，是目標(biāo)函數(shù)；是不等式約束函數(shù)，是等式約束函數(shù)；上角標(biāo)L是下限，上角標(biāo)U是上限。而客車車身設(shè)計(jì)的優(yōu)化分析方法是車身結(jié)構(gòu)分析指導(dǎo)車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一種方法，其內(nèi)容可以是車身結(jié)構(gòu)的任意性能參數(shù)，如一階扭轉(zhuǎn)頻率、總質(zhì)量，或任意設(shè)計(jì)參數(shù)，如板厚、梁的截面屬性等[23]。第四章 城市客車車身骨架輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)有研究表明，對(duì)于在傳統(tǒng)車身上改裝的電動(dòng)車，電子設(shè)備的增加會(huì)使整車質(zhì)量比同類燃油汽車重10%20%。故而車身骨架尾部產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力普遍較前段大。 緊急轉(zhuǎn)彎工況急轉(zhuǎn)彎工況計(jì)算主要考慮當(dāng)客車以最大轉(zhuǎn)向加速度a =，慣性力對(duì)車身的影響。一輪懸空，另三輪受懸架約束，是城市公交客車行駛中遇到的最為嚴(yán)重的工況之一，此時(shí)車身后段扭曲變形嚴(yán)重，且向懸空一側(cè)扭轉(zhuǎn)，故應(yīng)力較大值出現(xiàn)在固定約束一側(cè)。 由圖可看出，多數(shù)應(yīng)力集中點(diǎn)都在此部位。整車有限元模型中，各集中質(zhì)量及乘員質(zhì)量均通過(guò)MPC均布到各自的承載點(diǎn)。等號(hào)左邊為非獨(dú)立項(xiàng)，右邊為獨(dú)立項(xiàng)。制動(dòng)時(shí)，客車的最大減速度為： ()其中為路面附著系數(shù)[28]。整車滿載水平放置，前兩輪固定，約束后輪一側(cè)，而另一側(cè)懸空。因此基于6126EV公交客車良好的城市行駛路況，在計(jì)算分析時(shí)，主要分析該客車車身骨架在以上四種典型工況下，車身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度是否滿足要求，并分析總結(jié)其應(yīng)力應(yīng)變的分布特點(diǎn)，以便進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的確定。為全面掌握6126EV客車的強(qiáng)度和剛度情況，除針對(duì)滿載彎曲和扭轉(zhuǎn)工況進(jìn)行分析外，還應(yīng)對(duì)緊急制動(dòng)和緊急轉(zhuǎn)彎工況進(jìn)行靜態(tài)分析。 安全系數(shù)的選擇安全系數(shù)和許用應(yīng)力的選擇：不同等級(jí)的客車對(duì)安全系數(shù)的要求不同。將真實(shí)車身底架的最大垂直撓度值代入該式便得到車身結(jié)構(gòu)的整體彎曲剛度EI的值。即通過(guò)有限元軟件計(jì)算出各點(diǎn)的等效應(yīng)力，這一理論認(rèn)為形狀改變比能是引起材料屈服破壞的主要因素，無(wú)論什么應(yīng)力狀態(tài)，只要構(gòu)件內(nèi)一點(diǎn)處的形狀改變比能達(dá)到單向應(yīng)力狀態(tài)下的極限值，材料就要發(fā)生屈服破壞。第三章 有限元模型的計(jì)算與分析 車身骨架的技術(shù)指標(biāo)及安全系數(shù)的選擇 車身骨架強(qiáng)度指標(biāo)客車車身和車架是一個(gè)復(fù)雜的承載結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，它承受著來(lái)自道路及裝載的各種載荷的作用，客車車身和車架所承受的隨機(jī)載荷作用一段時(shí)間后會(huì)導(dǎo)致汽車結(jié)構(gòu)產(chǎn)生疲勞損壞。空氣懸架具有非線性的力學(xué)特性，其結(jié)構(gòu)形式及工作特性與鋼板彈簧不同，因此不能簡(jiǎn)單采用鋼板彈簧模擬懸架的方法，本文根據(jù)空氣懸架的工作特性，對(duì)懸架結(jié)構(gòu)做出合適的簡(jiǎn)化[23]。(2) 動(dòng)載荷：所謂動(dòng)載荷即其大小、方向或者作用點(diǎn)任意一個(gè)隨時(shí)間變化而變化的載荷稱為動(dòng)載荷，其中僅是作用點(diǎn)隨時(shí)間而變化的載荷又可以稱為移動(dòng)載荷。 車身有限元模型建立，通過(guò)網(wǎng)格的劃分，此模型共形成296603個(gè)殼單元，9325個(gè)MPC單元，1357個(gè)梁?jiǎn)卧?，共?96334個(gè)節(jié)點(diǎn)，有1778004個(gè)自由度。（3）從建模效率和計(jì)算速度看，梁?jiǎn)卧Ｐ蛢?yōu)于殼單元模型。建立整車有限元模型后，在用有限元軟件進(jìn)行整車強(qiáng)度和剛度分析時(shí)，通過(guò)輸入各梁截面的面積、彎曲特性、扭轉(zhuǎn)特性以及材料特性，程序自動(dòng)生成單元?jiǎng)偠染仃?，?jì)算出各節(jié)點(diǎn)處的位移和應(yīng)力。Fig Displacement incongruous meshing7．網(wǎng)格布局當(dāng)結(jié)構(gòu)形狀對(duì)稱時(shí)，其網(wǎng)格也應(yīng)劃分對(duì)稱網(wǎng)格，以使模型表現(xiàn)出相應(yīng)的對(duì)稱特性（如集中質(zhì)矩陣對(duì)稱）。即應(yīng)使網(wǎng)格形式滿足邊界條件特點(diǎn)，而不應(yīng)讓邊界條件來(lái)適應(yīng)網(wǎng)格。網(wǎng)格質(zhì)量可用細(xì)長(zhǎng)比、錐度比、內(nèi)角、翹曲量、