某电动公交车身结构有限元分析及优化文献综述

文献综述

本课题的现状及发展趋势：

本选题是结合企业现状，对三段式车架的纯电动公交车进行分析优化。虽然属于新能源汽车，但它仍属于客车范畴，因此有必要对国内外客车研究现状进行了解。

国际各大汽车公司一直把客车车身开发作为新车型竞争的主要战场之一。从20世纪70年代开始，出现了大容量计算机，世界各国的客车设计与研究也相继进入了快速发展阶段^[1-4]。随着美国宇航局成功开发出了NASTRAN结构分析程序，汽车结构设计革命在美国几大汽车公司开始^[5]。进入80年代后，随着研究人员不断创新计算方法，有限元模型建立的技术和方法越来越丰富，也日趋完善，模型规模也成数量级的增长，从开始的几十，几百个简单单元发展到了现在数万、数十万个混合单元；分析类型有静态应力分析发展到动态响应、碰撞分析、优化设计^[6]。发展到今天，各类通用程序、专用程序求解功能齐全，前后处理方便，各大汽车公司不仅几乎全采用通用有限元程序进行设计计算，而且基本都根据自身的需要进行了二次开发工作^[7]。

随着计算机软、硬件技术在国内的不断发展，国内对客车的有限元分析研究也逐步深入^[8]。浙江省交通科学研究所在20世纪70年代应用有限元方法在西门子7739计算机上对大客车车身进行了强度计算，这是车身结构有限元法在国内的第一次应用^[9]。国内各客车公司也利用各种有限元手段争相对自己的产品进行有限元的分析优化工作，提高自己产品质量，缩短研发周期，建立自主开发能力^[10]。湖北东风汽车公司桑璟对传统的梯形车架，三段式车架，四段式车架、复合桁架式车架等结构和优缺点做过相关对比^[11]；丹东黄海汽车公司的张丽君对影响客车车架使用寿命的几个重要因素，应力因素、结构因素、材质因素等进行了分析^[12]。国内很多学者也进行了相关研究，上海交通大学梁新华等曾用有限元法与实验法相结合对三段式车架进行结构分析，在不考虑焊点失效的前提下，得出结构设计安全的结论；吉林大学林凯提出“单层龙骨结构”，应用有限元方法分析了该方案车身的强度、刚度、模态、等性能指标，并与原车型比较，在减轻车身自重的同时，提高了整车及车身各总成的弯曲扭转强度，降低了平均应力水平^[13]。合肥工业大学胡方勤在建模过程中，采用不同的单元类型进行连接，针对同一个三段式全承载车型建立了梁体模型、梁板模型、纯梁模型三中不同模型，分析了不同模型在不同工况下的特性，比较有限元计算结果和实验数据，从而修正计算模型，使计算结果和实际接近，寻求最优模型^[14]。

武汉理工大学张毅利用有限元法对客车骨架的碰撞进行了仿真计算^[15]。比较了仿真计算可采用的六种客车骨架有限元计算模型，研究了网格密度分布、单元尺寸、接触与摩擦以及计算时间步长等对模型计算精度、规模的影响，分析了六种截面形式薄壁杆件对变形的抵抗能力和缓冲吸能能力，探索了通过改变壁厚，结构预变形来提高耐撞性能的措施^[16]。

半承载式车身结构是现阶段国内客车企业普遍采用的车身结构，它是将底盘车架中间行李舱段与客车车身侧围骨架焊接在一起，在前后桥部位保留部分车架以方便安装悬架发动机等部件，车身骨架相应承担一部分车辆载荷^[17]。

全承载式车身在国外发达国家大型客车基本上都已采用^[18]。但是由于国内客车制造企业研发技术落后，进入本世纪，国内客车企业才开始逐步引进此种技术^[19]。全承载式车身技术的优点是：车身骨架由很多小型矩形管相互连接焊接而成，与鸟笼的结构类似，能够更加全面的保护乘客安全^[20]。全承载式车身整车骨架由于可以共同负担整车载荷，可以实现均衡受力，车身承载的各个部件相互连接、互为支撑、结构变得更加合理，安全性也更高，同时单个型钢的受力较小，通过采用小截面方钢会更适合客车车身的布置，从而减轻整车重量^[21]。全承载车身的缺点是：结构复杂，对焊接技术要求较高，因此，仅在大型客车上得到采用^[22]。

全承载车身结构的底架是由矩形管构成的格栅式结构，而不是传统的冲压成型铆接饭金车架式结构，全承载车身是由底架与前围、后围、侧围和车顶四部分共同组成^[23]。全承载车身的结构没有大梁、也没有底盘，整个车身实现一体化^[24]。车身没有车架，采用封闭环结构，可以降低了汽车地板和整车高度;全承载车身的整体都参与载荷受力，当车身承受载荷时，可以使整个车体达到稳定平衡状态。全承载整体式车身结构的面世是客车发展一次里程碑式的变革。

汽车安全与节能国家重点试验室的范文杰等基于带权重的折衷规划法，将多工况载荷对应的多目标函数优化问题转为了单目标函数优化问题。依据SMP (solidisotropic material with penalization) 密度函数插值模型，针对三段式客车车架的弯曲,和扭转两种工况，在OptiStruct 软件中建立了以结构体积和一阶频率为约束，以多工况下柔度最小化为目标函数的数学模型，实现了多刚度拓扑优化设计^[25]。