纯电动城市客车车身轻量化研究毕业论文.doc

纯电动城市客车车身轻量化研究毕业论文第一章 绪 论1.1 本课题研究背景石化能源是不可再生资源，根据预测，到2085年前后世界石油可能枯竭，天然气和煤能供人类开采的年限，也只有65年和162年。汽车对石油的消耗占世界石油总消耗量的50左右，年消耗高达一百多亿桶。而且，石化能源使用导致的环境污染问题也日趋严峻，酸雨、可悬浮颗粒物已成为部分发展中国家面临的最为严峻的环境问题，严重威胁人类健康。为此，世界各国政府和主要汽车公司纷纷开展新型环保节能汽车的研究与开发，例如氢燃料汽车、燃料电池汽车、太阳能汽车、混合动力汽车等。其中纯电动车具有不消耗石油、零排放及电能稳定性高的优点，成为世界各国争相发展交通领域的主要技术路线。然而据统计，运送相同数量的乘客，公交车与小汽车相比，分别节省土地资源1/4，投资5/6，而空气污染却不到小汽车的1/101。所以，现今对电动城市公交客车的研发是控制能源消耗，降低城市污染的一个重要途径。1.2 电动客车发展现状续驶里程较短，动力不足是限制电动客车应用推广的技术难题。目前动力电池是电动汽车的最关键部件之一，也是国家划分与衡量电动汽车技术成熟度的主要依据。装配锂离子电池的电动汽车被划归为起步期产品2，恰恰说明锂离子电池技术对整车的影响程度。目前，虽然国内生产的锂离子电池各项性能均有很大提高，但电池成组后的使用寿命、一致性、高低温充放电性能、安全性、电池成本及能量密度等方面仍然无法完全满足电动汽车实际运行的需求。这些制约因素给纯电动汽车的发展带来了一定的影响3。1.3 电动客车轻量化的意义在电动客车初期设计时，首先要考虑电池总容量的匹配，车辆必须装载足够的电能，才能满足路况负荷、续驶里程、整车性能（最高车速、爬坡度、加速时间等）的使用要求。一般动力电池总容量的设计是以设计任务书中的最大续驶里程指标为目标值，结合电机功率，采用等速法反向推算出来4。以12 m双轴纯电动城市客车为例，目前在实际公交路况下的能耗水平为1.11.3 kWh/km（夏季开空调时能耗为1.31.5 kWh/km）。如果公交线路每天运行总里程按200 km计算，则车辆需装载动力电池的电能为220300 kWh，才能完成一天的公交运行里程。目前锂离子电池组的能量密度基本在80100 kWh/kg 范围内5，需装载动力电池质量达2.23.3 t，致使传统钢结构车身的整车整备质量达到1415 t。依据我国标准GB1589- 2004 的要求6，双轴车最大总质量不得大于18 t，那么，其载客量只能在4065人之间。作为12 m 的城市客车，如此小的运载能力是无法满足高峰期客流运载需求的，也是运营部门不能接受的。采用快速更换电池模式的纯电动客车可以大大提高车辆利用率，克服电池充电对环境温度的依赖性7，是一种很具推广价值的运营模式。在客车制造厂家无法大幅降低整车整备质量的情况下，换电模式的电动客车似乎解决了整备质量与装载电能的矛盾，甚至以为通过换电池可使电动汽车的续驶里程指标变得无足轻重，同时也可降低电池成本（整车成本），其实换电模式的车辆同时带来了新的问题换电模式的电动客车由于可以通过快速更换电池组使车辆继续行驶，解决了电动客车的续驶里程短的问题，所以换电式车辆的电池装载容量都较充电式的少很多，这从而导致在克服相同的道路载荷时，电池组的放电倍率大，其电池的使用寿命短8。目前，动力电池能量密度相对较低，电动汽车只有通过车身骨架轻量化设计、减轻整车自重，才能降低能量消耗、提高续驶里程9-11。对两家电动客车厂家研制的两辆12 m 纯电动城市客车在某滨海城市的一条公交线路上的运行作了对比，其综合比较情况见表1.1。实验证明，若汽车整车质量降低10%，可节约能耗6%8%。因此，电动客车车身骨架的轻量化设计具有重要的实用价值和研究意义。表1.1 两厂纯电动城市客车综合对比表Tab.1.1 the comprehensive comparison table of two pure electric city bus甲厂的电动客车乙厂的电动客车对比结果及分析总质量/kg18 00018 000均为双轴、18 t 级、12 m纯电动城市客车，属同一重量级外部尺寸/mm12 0002 5303 25012 0002 5503 165甲厂车采用铝合金车身，自重轻1.9 t，充分体现了铝合金车身的优势整备质量/kg12 00013 950额定载客人数/9262甲厂车多载客30 人甲厂车多载客30 人8070在实际线路上最大续驶里程/km22095乙厂的车因额定载客量过小，超载运行严重，致使能耗较大电池系统类型磷酸铁锂磷酸铁锂类型相同，其能量密度、寿命等应无太大差别单体单片3.2V/20Ah,10 个单片并联为一个单体：3.2V/200Ah 两个单体并联为一组：3.2V/400Ah单片3.2V/15Ah，15 个单片并联为一个单体3.2V/255Ah电池组180 个单体组串联而成总电压/容量：576V/400Ah170 个单体串联而成总电压/ 容量：544V/255Ah总能量/（kWh）230139甲厂车多运载电能91 kWh电池组质量/t2.31.6电池价格估算/ 万元（人民币）6036电池价格按行业2 6002 700 元/ kWh计算，甲厂车单车电池费用要多出约24万元1.4 汽车轻量化国内外研究现状1.4.1 国外汽车轻量化研究现状自上世纪70年代以来，随着材料技术和制造技术的进步，汽车自身重量在逐年减少，以美国为例，上世纪80年代初，中型轿车的平均质量为1520KG；90年代初下降至1475KG；90年代末下降至1230KG；19851995年期间，轿车质量平均每年减少0.9%。20世纪末和本世纪初世界各国先后出现过百公里油耗3L的汽车，这类汽车的质量基本处在750850KG之间，比现今同类车轻50%。1998年德国大众推出路波3L TDIA2,汽车自身质量只有895990KG。商用车的自身质量也在减少，以意大利依柯维，汽车自身质量只有800KG。奥迪公司开发全铝型轿车AuDi 商用车为例，2004年其驾驶室的质量已降为960KG，减少40%。美国总统奥巴马2009年5月公布了一项汽车节能减排计划，目标是到2016年，美国国内生产的客车和轻型卡车百公里耗油不超过6.62L，CO2排放量也比现有车辆减少1/3。这项计划2012年开始实施，将使美国在20122016年减少使用原油18亿桶，温室气体排放量将减少9亿吨。欧洲和日本不仅在降耗减排方面推行了相关政策，而且对废旧车辆回收也作出了严格规定。如日本2001年规划由抛弃型进入循环型的社会发展模式，推行全回收或零废弃的观念。其实，2001年以前，日本已有相关法令推行绿色设计及绿色采购。国际钢铁协会首先开展了超轻钢汽车车身UISAB项目，参加该项目的有来自5大洲18个国家的35家钢铁企业。该项目于1994年启动，1998年结束，主要目标是减小车身质量、提高结构强度、提高安全性、简化制造工艺及降低生产成本。与UISAB相关的项目还有UISAC和UISAS两项目，前者是将高强度钢应用在汽车车身覆盖件上，后者是采用高强度和超高强度材料以及一些先进的制造技术来生产轻量、廉价和性能良好的悬架系统，目标是通过采用新的钢材及设计，将悬架质量减小20%。 国际钢协1998年3月开始在全球实施UISAB-AVC计划，该项目是从整体上研究开发新一代钢铁材料汽车结构（车身、覆盖件、悬架系统、发动机支架及所有与结构、安全相关的部件）。 世界各大铝业公司也结成了汽车铝材联盟，如美国汽车材料合作伙伴（USAMP）。1.4.2 国内客车轻量化研究现状近年来 ,我国在汽车轻量化技术方面取得了不少成果。“九五”和“十五”期间,一批汽车新材料项目被列为国家“863”、“973”高新技术项目和国家科技攻关重大项目。促进了汽车轻量化技术的进步。“九五”期间,我国进行了铝合金材料和铸件生产成套工艺技术的开发研究,开发出了多种铸造合金和高性能轴瓦材料：耐热铝合金、高强高韧铝合金、铝基复合材料等新材料的研究取得了较大进展。半固态成型、快速凝固等先进成型技术研究与应用也取得了突破。一汽等几大汽车生产厂家都有自己的铝合金铸造生产线；湖南大学也正在进行汽车大型铝合金结构件整体铸造成形技术和关键设备的研究；重庆汽车研究所、西南铝、东北大学和一汽都进行了铝合金板材的成形性研究。“十五”期间，我国将镁合金应用与开发列为材料领域重点项目,一汽、东风、长安等汽车企业建立了压铸镁合金生产线 重庆汽车研究所在镁合金零件的性能测试、疲劳试验、计算机模拟等方面做了大量的工作： 上海交大、湖南大学、重庆大学等高校就镁合金的强韧化、耐蚀性、阻燃性和抗高温蠕变性等开展了较深入的研究。目前 ,国内汽车轻量化材料正在加速发展 ,车用高性能钢板、镁合金已在汽车上有所应用。如上海大众桑塔纳轿车变速器壳体采用镁合金。上世纪 80年代,重庆汽车研究所就开展了双相钢研究；一汽轿车、奇瑞汽车公司也在轿车车身上进行了高强度钢板的初步应用试验。在汽车结构优化设计方面 ,国内已从主要依靠经验设计逐渐发展到应用有限元等现代设计方法进行静强度计算和分析阶段。目前出现了一批拥有自主知识产权的汽车车身模具开发技术， 如湖南大学与上汽通用五菱在薄板冲压工艺与模具设计理论方面开展了较深入的研究； 北京航空航天大学开发了CAD系统CAXA。 并已经开展了客车轻量化技术的研究，利用有限元法和优化设计方法进行结构分析和结构优化设计。以减少车身骨架、发动机和车身蒙皮的重量等。目前，我国汽车轻量化技术无论在理论研究方面还是在实际应用方面与国外均有较大差距。没有明确定位、合理分工。基础研究和技术开发研究的有机衔接不够。企业规模小而分散。轻量化技术开发能力薄弱，研发人才短缺，工艺水平落后等问题都是我们不足的地方，需要我们一一去解决。1.4 汽车轻量化的主要途径车辆轻量化主要有以下四种途径。1、 运用先进的CAE软件对结构进行优化设计，在保证承载能力和舒适性的前提下减轻质量。这种方法也是本文所采用的研究方法。2、采用先进的加工成形技术，如液压成型技术，激光拼燥板技术，辊压成形技术等。通过节约材料，减少垾点，以减少成形零部件的质量。3、轻金属材料的应用。铝、镁、钛合金材料是所有现用金属材料中密度较低的轻金属材料(镁合金约1.74g/cm3, 铝合金约2.7g/cm3，钛合金约4.51g/cm3。而钢的密度约7.8g/cm3），因而成为汽车减轻自重，提高节能性和环保性的首选材料。4、提高高强度钢应用比例。通过提高钢材的强度，从而减小钢板的厚度，材料成本也较轻金属低。1.6 课题研究内容本课题主要以一款12米长的全承载电动城市公交客车车身骨架为例进行轻量化设计。主要研究内容是：(1)分析车身骨架结构特点，并对其进行合理的简化与处理。运用UG建立三维几何模型，并导入MSC.PATRAN软件建立有限元模型。(2)根据车身骨架的有限元模型，运用MSC. NASTRAN软件，计算在四种典型工况下车身骨架强度分布情况。(3)结合拓扑优化方法和尺寸优化方法对车身骨架进行优化 ，对优化后的车身骨架做静力分析，并且与优化前进行比较。1.7 本章小结本章首先从本课题的研究背景、国内外研究现状以及客车轻量化途径等方面进行了全面的阐述，说明了电动城市客车车身轻量化设计的实践价值和重要意义。在此基础上，提出了本课题研究内容。第二章 电动客车车身结构有限元建模2.1 有限元理论介绍有限元法（Finite Element Method，简称FEA法）通过网格划分先将连续体离散化为若干个有限大小的单元体的集合，再运用结合计算机技术的数值方法对该连续体的力学问题进行求解，适合于求解所有连续介质和场的问题12。其基本原理是在连续的求解域离散为一组单元的组合体的基础上，对每一单元假设一个简单的位移函数来近似的模拟其位移分别规律，通过虚位移原理求得每个单元的平衡方程，即建立单元节点力和节点位移之间的关系。最后把所有单元的这种特性关系集合起来，就可以建立整个物体的平衡方程组。考虑边界条件后解此方程组求得节点位移，并计算出各单元应力13。有限单元法最早可上溯到20世纪40年代。美籍德国数学家Courant在1943年的工作中，第一次应用定义在三角区域上的分片连续函数和最小位能原理来求解圣维南（St.Venant)扭转问题14。但由于当时没有计算机这一工具，没能用来分析工程实际问题，因而未得到重视和发展。现代有限单元法的第一个成功的尝试是在1956年，美国波音公司工程师Turner. Clough等人在分析飞机结构时，将钢架位移法推广应用于弹性力学平面问题，给出了用三角形单元求得平面应力问题的正确答案15。1960年，克拉夫（Clough)进一步处理了平面弹性问题，并第一次提出了“有限单元法”这一概念16，使人们认识到它的功效。有限元法从研究有限大小的单元力学特性着手，最后得到一组以节点位移为未知量的代数方程组。有限元法的分析过程，概括起来可以分为以下六个步骤17。1结构的离散化离散化的过程简单地说就是将分析的结构物划分成有限个单元体，使力学模型变成离散模型，以代替原来的结构。为了有效地逼近实际的连续体和保证计算精度，就需要考虑选择单元的形状、确定单元的数目和确定划分方案等问题。结构离散化后求解的问题就转变为求有限个自由度的节点位移。2位移模式的选择在结构的离散化完成后，就可以对典型单元进行特性分析。为了能用节点位移表示单元体的位移、应变和应力，就必须对单元中位移的分布作出一定的假设，也就是假定位移是坐标的某种简单的函数，这种函数称为位移模式或位移函数。根据所选定的位移模式，就可以导出用节点位移表示单元内任一点位移的关系式，其矩阵形式是： （2.1）式中为单元内任一点的位移列阵；为单元的节点位移列阵；称为形函数矩阵，它的元素是位置坐标的函数。3单元力学特性的分析位移模式选定以后，就可以进行单元力学特性的分析。它包括下面三部分内容。(1) 利用几何方程，由位移表达式（2.1）导出用节点位移表示单元应变的关系式： （2.2）式中是单元内任一点的应变列阵，称为单元应变矩阵。(2) 利用物理方程，由应变表达式（2.2）导出用节点位移表示单元应力的关系式： （2.3）式中是单元内任一点的应力列阵；是与单元材料有关的弹性矩阵。(3) 利用虚功原理建立作用于单元上的节点力和节点位移之间的关系式，即单元的刚度方程： （2.4）式中称为单元刚度矩阵，可以导得： （2.5）上式的积分应遍及整个单元的体积。4等效节点力的计算弹性体经过离散化后，假定力是通过节点从一个单元传递到另一个单元，但是作为实际的连续体，力是通过公共边界传递。因此这种作用在单元边界上的表面力和作用在单元上的体积力、集中力等都需要等效移置到节点上去，也就是用等效的节点力来替代所有作用在单元上的力。移置的方法是按照作用在单元上的力与等效节点力，在任何虚位移上的虚功都相等的原则进行的。5单元叠加建立整个结构的平衡方程集合的过程包括有两方面的内容。一是由各个单元的刚度矩阵集合成整个物体的整体刚度矩阵；二是将作用于各单元的等效节点力列阵集合成总的载荷列阵。由此可得到以整体刚度矩阵K、载荷列阵R以及整个物体的节点位移列阵表示的整个结构的平衡方程为： （2.6）这些方程还应在考虑了几何边界条件作适当的修改之后，才能够解出所有的未知节点位移。6节点位移的求解和单元应力的计算由结构的平衡方程组（2.6）解出节点位移。然后，就可利用公式（2.3）和已求出的节点位移来计算各单元的应力，并加以整理得出所要求的结果。2.2 MSC.PATRAN的简介及分析流程MSC.Patran是一个集成的并行框架式有限元前后处理及分析仿真系统。使用MSC.Patran，可以帮助产品开用户实现从设计到制造全过程的产品性能仿真。MSC.Patran拥有良好的用户界面，既容易使用又方便记忆。即使你以前没有使用过MSC.Patran，只要你拥有一定的CAE软件使用经验，那么你很快可以成为该软件的熟练使用者，这可以使使用者将更多的精力用于自己的工作本身而不是软件。如图2.1所示，即为MSC.Patran的用户界面18。 图2.1 MSC.Patran的用户界面Fig.2.1 The user interface of MSC.PatranMSC.Patran作为一个优秀的前后之处理器，具有高度的集成能力和良好的适用性： 模型处理智能化：众多的公司为了节约宝贵的时间,减少重复建模，消除由此带来的不必要的错误, MSC.Patran应用直接几何访问技术（DGA），能够使用户直接从一些世界先导的CAD/CAM系统中获取几何模型,甚至参数和特征。此外, MSC.Patran还提供了完善的独立几何建模和编辑工具, 以使用户更灵活的完成模型准备。 MSC.Patran允许用户直接在几何模型上设定载荷、边界条件、材料和单元特性, 并将这些信息自动地转换成相关的有限元信息, 以最大限度地减少设计过程的时间消耗。所有的分析结果均可以可视化。 自动有限元建模: MSC.Patran的新产品中不断增加了很多更灵活更方便的智能化工具, 同时提供了自动网格及工业界最先进的映射网格划分功能, 使用户快速完成他们想做的工作。同时也提供手动和其它有限元建模方法，一满足不同的需求。分析的集成：MSC.Patran提供了众多的软件接口，将世界上大部分著名的不同类型分析软件和技术集于一体，为用户提供一个公共的环境。这样可以使用户不必担心不同软件之间的兼容问题，在其它软件中建立的模型，在MSC.Patran中仍然可以正常使用，非常灵活。用户也能够根据多种类型的仿真结果对产品的整体设计给出正确的判断, 进行相应的改进，这就大大的提高了工作效率。用户可自主开发新的功能：用户可将MSC.Patran作为自己的前后置处理器, 并利用其强大的PCL（Patran Command Language ）语言和编程函数库把自行开发的应用程序和功能及针对特殊要求开发的内容直接嵌入MSC.Patran的框架系统, 或单独使用或与其它系统联合使用。这样，MSC.Patran又成为用户二次开发的一个良好平台，可以为用户提供更强大和更专业的功能。分析结果的可视化处理：MSC.Patran丰富的结果后处理功能可使用户直观的显示所有的分析结果,从而找出问题之所在，快速修改，为产品的开发赢得时间，提高市场的竞争力。MSC.Patran能够提供图、表、文本、动态模拟等多种结果形式，形象逼真、准确可靠。本文将采用MSC.PATRAN软件进行有限元建模及分析。MSC.PATRAN的一般使用流程，归结起来如图2.2所示： 建几何模型 选分析程序 建分析模型 递交分析 评价分析结果图2.2 MSC.Patran的使用流程Fig.2.2 The use process of MSC.Patran2.3 几何模型的建立2.3.1电动客车车身结构特点由于动力电池的安装布置，需采用二级踏步结构，易于在车厢底部安装动力电池。又由于动力电池载荷的整车分布，前中段垂直载荷增加，为安全考虑，一般选用强度更高的全承载车架。和普通燃油公交所采用的半承载车身结构不同，全承载车身的底架不是冲压成型的铆接车架式结构，而是由矩形管构成的格栅式结构。全承载式车身的特点是汽车没有车架，车身就作为驱动系统和底盘各总成的安装平台。车上各种载荷全部由汽车车身承受，这种设计使整个车身都可参与载荷。因为上下部结构形成了一个整体，在承受载荷时，能够迅速将力分散到车身各处，整个车身壳体达到稳定平衡状态。另外一方面，由于采用全承载结构车身的客车比普通燃油公交车所采用半承载结构车身强度大，车身稳定性更好，受力均匀，所以轻量化设计的空间比较大，相比半承载车身结构，全承载客车重量可减少500-700斤。2.3.2车身结构几何模型简化原则为分清主次，抓住重点，模型几何简化应遵循下列原则19：1总体坐标系的建立应尽可能与车身结构设计坐标系一致，以方便建模。2忽略车身上用于装配其它部件的螺钉、螺母、零件中面与面之间较小的倒圆以及对力学结构影响较小的一些冲压筋、孔和一些工艺结构，忽略车身中非重要结构小零件，对总要零件进行简化时，尽量保持和原始CAD设计的结构一致，在结构上简化较少，以便真实反映零件的结构特征。3将承载件如矩形钢管大梁蒙皮等离散化后，有些结构仅为满足结构或使用要求而设置，并非根据强度要求而设置的非承载件，如软内饰等忽略不单元化，将它们的质量分散到承载件上以保证客车模拟的质量和核定质量一致。4原则上所有的承载件都要在模型中建立起来，建模时可以取板的中面（较准确）或者取侧面（建模方便，连接性比较好），钢板重叠时，如果连接的螺栓或铆钉较多，可以简单地将板厚叠加，用一块板表示，这样处理模型偏刚。如较少，可以将板分别建模，用MPC单元在相应的点连接起来，这样处理模型偏软。总之，板之间接触面的模拟比较麻烦，很难处理好。5木地板也应模拟，因为它也部分参与承载，同时整车的质量分布也更准确，网格可以取得较大一些，用少量的节点和骨架相连接。蒙皮的网格可大一些，在点焊的位置和车身骨架上的节点相连接。6在建立车身的几何模型时，需要点焊的地方，加上硬点，点焊焊点采用两种方法处理：几何上完全协调，消除了料缝的地方，使两个零件相同位置硬点处的两个节点同节点化，使之连为一体；部分有料缝的地方，采用MPC连接两个硬点处的节点，CO2保护焊缝用MPC连接相应位置处的节点来模拟CO2焊缝。 7各类密封板等件，主要起密封作用，参与承载的能力很小，如项目紧时间仓促可忽略之，如时间和人手宽裕建议加入到模型中，一般用胶粘的密封板可以不模型化，而用点焊连接密封板要做模型化。8一般情况下，车身骨架的相互交叉点/集中载荷作用点、支承点及构件的拐点等都应作为模型的节点。2.3.3车身骨架三维几何模型的建立本文采用UG三维制图软件建立6126电动客车车身骨架三维几何模型，并导入MSC.PATRAN中，如图2.3所示。 图2.3 客车车身骨架几何模型Fig 2.3 The geometry of bus boy frame该电动客车车身骨架底架、左右侧围和前后围，都由16Mn合金钢材质的矩形钢管构成，只有顶盖和左、右侧围的一些加固梁采用Q235钢。2.4 分析程序选择MSN.PATRAN的配套分析软件包括：NASTRAN、DYTRAN、MARC、FATIGUE等，本文采用NASTRAN作为模型的分析软件。2.4.1 NASTRAN的简介MSC.Nastran是由MSC.Software公司推出的一个大型结构有限元分析软件，其第一个版本是于1969年推出的NASTRAN Level 12，经过几十年的不断发展和完善，目前最新版本是V2001。MSC公司自1963年开始从事计算机辅助工程领域CAE产品的开发和研究, 1966年美国国家航空航天局（NASA）为了满足当时航空航天工业对结构分析的迫切需求，主持开发大型应用有限元程序的招标，MSC中标并参与了整个NASTRAN的开发过程。1969年NASA推出了其第一个NASTRAN版本NASTRAN Level 12。 1973年NASTRAN Level 15.5发布，MSC公司被指定为NASTRAN的特邀维护商。1971年, MSC公司对原始的NASTRAN做了大量改进, 采用了新的单元库、增强了程序的功能、改进了用户界面、提高了运算精度和效率。特别对矩阵运算方法做重大改进, 即而推出了自己的专利版本： MSC.NASTRAN。1989年MSC公司发布了经革命性改良的MSC.NASTRAN 66版本。该版本包含了新的执行系统、高效的数据库管理、自动重启动及更易理解的DMAP开发手段等新特点，同溶入许多当今世界上FEM领域最杰出的研究成果,使MSC.NASTRAN变得更加通用、更加易于使用。之后，MSC公司对NASTRAN不断进行改进和升级，先后推出了MSC.NASTRAN V67.5、MSC.NASTRAN V68、MSC.NASTRAN V68.2、MSC.NATRAN V69、 MSC.NASTRAN V70、MSC.NASTRAN V70.5、MSC.NASTRAN V70.7等， 其性能和适用性都有了质的飞跃。2001年，MSC公司推出了其最新版本MSC.NASTRAN V2001。到今天，NASTRAN已成为各个工业领域一直认可和推崇的世界CAE工业最全面、应用最广泛的大型通用结构有限元分析软件，也是国际合作和国际招标中工业工程分析和校验的有限元分析标准。NASTRAN的分析功能覆盖了绝大多数工程应用领域，并为用户提供了方便的模块化功能选项，它的主要分析功能如下所述：1. 静力分析，包括具有惯性释放的静力分析和非线性静力分析。2. 屈曲分析，包括线性屈曲分析和非线性屈曲分析。3. 动力学分析，包括几何非线性分析、复特征值分析、瞬态响应分析（时间历程分析）、随机振动分析、相应谱分析、频率响应分析。4. 非线性分析，包括几何非线性分析、材料非线性分析及边界条件非线性分析（接触问题）。5. 热传导分析，包括线性/非线性稳态热传导分析、线性/非线性瞬态热传导分析、相变分析和热控分析。6. 空气动力弹性及颤振分析，包括静动气弹性响应分析、启动颤振分析和气弹性优化分析。7. 流体固体耦合分析，包括流固耦合法、水弹性流体单元法和虚质量法三种求解方法。8. 高级对称分析，包括对称分析、轴对称分析和高级循环对称分析。9. 多极超单元分析，主要是把整体结构分化成许多小的子部件来进行分析。10. 设计灵敏度及优化分析。11. 复合材料分析。12. P单元及H、P、HP自适应。2.5 有限元建模2.5.1网络划分划分网格是建立有限元模型的一个重要环节，它要求考虑的问题较多，需要的工作量较大，所划分的网格形式对计算规模将产生直接影响。为建立正确、合理的有限元模型，划分网格时应遵循下列基本原则20：1网格数量网格数量的多少将影响计算结果的精度和计算规模的大小。一般来讲，网格数量增加，计算精度会有所提高，但同时计算规模也会增加，所以在确定网格数量时应权衡两个因数综合考虑。图2.4中的曲线1表示结构中的位移随网格数量收敛的一般曲线，曲线2代表计算时间随网格数量的变化。可以看出，网格较少时增加网格数量可以使计算精度明显提高，而计算时间不会有大的增加。当网格数量增加到一定程度后，再继续增加网格时精度提高甚微，而计算时间却有大幅度增加。所以应注意增加网格的经济性。实际应用时可以比较两种网格划分的计算结果，如果两次计算结果相差较大，可以继续增加网格，相反则停止计算。 图2.4位移精度和计算时间随网格数量的 Fig 2.4 Displacement accuracy and computation time varies with the number of grid变化 在决定网格数量时应考虑分析数据的类型。在静力分析时，如果仅仅是计算结构的变形，网格数量可以少一些。如果需要计算应力，则在精度要求相同的情况下应取相对较多的网格。同样在响应计算中，计算应力响应所取的网格数应比计算位移响应多。在计算结构固有动力特性时，若仅仅是计算少数低阶模态，可以选择较少的网格，如果计算的模态阶次较高，则应选择较多的网格。2网格疏密网格疏密是指在结构不同部位采用大小不同的网格，这是为了适应计算数据的分布特点。在计算数据变化梯度较大的部位（如应力集中处），为了较好地反映数据变化规律，需要采用比较密集的网格。而在计算数据变化梯度较小的部位，为减小模型规模，则应划分相对稀疏的网格。这样，整个结构便表现出疏密不同的划分形式。如矩形管的端部应力较大，须细化，中间部分可加大网格尺寸，保证整车模型的单元数目在合理的范围之内。图2.5是中心带圆孔方板的四分之一模型，其网格反映了疏密不同的划分原则。小圆孔附近存在应力集中，采用了比较密的网格。板的四周应力梯度较小，网格分得较稀。其中图b中网格疏密相差更大，它比图a中的网格少48个，但计算出的孔缘最大应力相差1，而计算时间却减少了36。由此可见，采用疏密不同的网格划分，既可以保持相当的计算精度，又可使网格数量减小。因此，网格数量应增加结构的关键部位，在次要部位增加网格是不必要的，也是不经济的。图2.5带孔方板的四分之一模型Fig 2.5 Fourth model perforated side panels划分疏密不同的网格主要用于应力分析（包括静应力和动应力），而计算固有特性时则趋于采用均匀的钢格形式。这是因为固有频率和振型主要取决于结构质量分布和刚度分布，不存在类似应力集中的现象，采用均匀网格可使结构刚度矩阵和质量矩阵的元素不致相差太大，可减小数值计算误差。3单元阶次许多单元都具有线性、二次和三次等形式，其中二次和三次形式的单元称为高阶单元。选用高阶单元可提高计算精度，因为高阶单元的曲线或曲面边界能够更好地逼近结构的曲线和曲面边界，且高次插值函数可更高精度地逼近复杂场函数，所以当结构形状不规则、应力分布或变形很复杂时可以选用高阶单元。但高阶单元的节点数较多，在网格数量相同的情况下由高阶单元组成的模型规模要大得多，因此在使用时应权衡考虑计算精度和时间。图2.6是一悬臂梁分别用线性和二次三角形单元离散时，其顶端位移随网格数量的收敛情况。可以看出，但网格数量较少时，两种单元的计算精度相差很大，这时采用低阶单元是不合适的。当网格数量较多时，两种单元的精度相差并不很大，这时采用高阶单元并不经济。例如在离散细节时，由于细节尺寸限制，要求细节附近的网格划分很密，这时采用线性单元更合适。图2.6不同阶次单元的收敛情况Fig 2.6 Convergence of different order units增加网格数量和单元阶次都可以提高计算精度。因此在精度一定的情况下，用高阶单元离散结构时应选择适当的网格数量，太多的网格并不能明显提高计算精度，反而会使计算时间大大增加。为了兼顾计算精度和计算量，同一结构可以采用不同阶次的单元，即精度要求高的重要部位用高阶单元，精度要求低的次要部位使用低阶单元。不同阶次单元之间或采用特殊的过渡单元连接，或采用多点约束等式连接。4网格质量网格质量是指网格几何形状的合理化。质量好坏将影响计算精度。质量太差的网格甚至会中止计算。直观上看，网格各边或各个内角相差不大、网格面不过分扭曲、边节点位于边界等份点附近的网格质量较好。网格质量可用细长比、锥度比、内角、翘曲量、拉伸值、边界点位置偏差等指标度量。划分网格时一般要求网格质量能达到某些指标要求。在重点研究的结构关键部位，应保证划分高质量网格，即使是个别质量很差的网格也会引起很大的局部误差。而在结构次要部位，网格质量可适当降低。当模型中存在质量很差的网格（称为畸形网格）时，计算过程将无法进行。图2.7是三种常见的畸形网格，其中a单元的节点交叉编号，b单元的内角大于180，c单元的两对节点重合，网格面积为零。图2.7几种常见的畸形网格Fig 2.7 Several common deformity grid5网格分界面和分界点结构中的一些特殊截面和特殊点应分为网格边界或节点以便定义材料特性、物理特性、载荷和位移约束条件。即应使网格形式满足边界条件特点，而不应让边界条件来适应网格。常见的特殊界面和特殊点有材料分界面、几何尺寸突变面、分布载荷分界线（点）、集中载荷作用点和位移约束作用点等。6位移协调性位移协调是指单元上的力和力矩能够通过节点传递相邻单元。为保证位移协调，一个单元的节点必须同时也是相邻单元的节点，而不应是内点或边界点。相邻单元的共有节点具有相同的自由度性质。否则，单元之间需用多点约束等式或约束单元进行约束处理。图2.8是两种位移不协调的网格划分，图a中的节点1仅属于一个单元，变形后会产生材料裂缝或重叠。图b中的平面单元和梁单元节点的自由度性质不同，梁单元的力矩无法传递到平面单元。图2.8位移不协调的网格划分Fig 2.8 Displacement incongruous meshing7网格布局当结构形状对称时，其网格也应划分对称网格，以使模型表现出相应的对称特性（如集中质矩阵对称）。不对称布局会引起一定误差，如在图2.9中，悬臂梁截面相对y轴对称，在对称载荷作用下，自由端两对称节点1、2的挠度值本应相等，但若分图b所示的不对称网格，计算出的y1=0.0346,y2=0.0350。若改用图c所示的网格，则y1和y2完全相同。图2.9网格布局对计算结果的影响Fig.2.9 Calculation influence of the grid layout 8节点和单元编号节点和单元的编号影响结构总刚矩阵的带宽和波前数，因而影响计算时间和存储容量的大小，因此合理的编号有利于提高计算速度。但对复杂模型和自动分网而言，人为确定合理的编号很困难，目前许多有限元分析软件自带有优化器，网格划分后可进行带宽和波前优化，从而减轻人的劳动强度。车身骨架的交叉点，集中载荷的作用点及构件的拐点等均应作为节点，节点编号要连续，并尽量减少相邻节点的编号差，以减小带状矩阵的带宽，缩短运算时间，一般是从顶盖骨架中部开始，以螺旋展开的方式编号，但在内存足够时，为方便模拟的校核，应尽量使车身骨架各总成节点编号连续，以相邻节点为单元进行编号，单元编号也应连续，尽量使各总成的单元号连续，以同一截面性质的杆件单元编号连续为重。2.5.2 典型单元的简介与选择（1） 梁单元空间梁单元是有限元中的常用单元，如图2.10所示，单元每个节点存在6个自由度：三个线位移分量和三个截面转角分量。可将任一节点i的线位移分量用i表示，三个角位移分量用i来表示，由于每个梁单元都含有两个节点，则单元i，j的节点位移列阵为21图2.10 空间梁单元Fig.2.10 The beam element （2.7）其对应的节点力向量为 （2.8）单元刚度方程为 （2.9）其中单元刚度矩阵见式（2-12）式中 （2.10） （2.11）= （2.12）y、z 对y和z轴方向的剪切影响系数；G 、E 剪切和拉伸弹性模量；Ay 、Az 截面在和方向的有效抗剪面积；Iy 、Iz 截面对和轴的惯性矩；Jk 截面对轴的扭转惯性矩；l 单元长度；A 梁单元截面积；若记为整体坐标系下的单元刚度矩阵，则整体坐标系下单元的节点力向量与位移向量之间的关系为：= （2.13）= （2.14）式中 （2.15）而T为单元坐标变换矩阵。建立整车有限元模型后，在用有限元软件进行整车强度和刚度分析时，通过输入各梁截面的面积、弯曲特性、扭转特性以及材料特性，程序自动生成单元刚度矩阵，计算出各节点处的位移和应力。 （2）壳单元壳单元每个节点（如第i点）的位移矢量为：i=uivi wixiyiziT (2.16)应力分量为 =xyzxyyzzxT (2.17)应变分量为 =xyzxyyzzxT (2.18)节点上的节点力矢量为：Fi=FxiFyi FziMxiMyiMziT (2.19)单元的类型有3节点三角点单元，4节点四边形单元如图2.11所示，常用的还有8节点四边形单元。每个单元节点有6个自由度，因此三节点三角形单元有18个自由度，四节点四边形单元有24个自由度，八节点四边形单元有48个自由度。 图2.11 板壳问题的三角形单元和四边形Fig.2.11 Triangular elements and quadrilateral三节点三角形单元的位移矢量为：e=123 T (2.20)四节点四边形单元的位移矢量为：e=123 4T (2.21)八节点四边形单元的位移矢量为：e=123 4 567 8T (2.22)板壳问题的载荷可包括分布载荷、集中载荷（力和弯矩），约束可包括固支、简支、铰支及已知位移边界条件。根据问题的计算过程和前面描述的梁单元的计算过程相同，在此不再熬述。清华大学汽车节能与安全国家重点实验室分别对某款全承载大客车车身骨架建立梁单元和壳单元两种有限元模型进行分析计算22。（1）对比模态，扭转静刚度和静强度分析结果看，两种模型吻合较好，且与实验结果的相对误差小。（2）从反映整车局部性能的静强度分析结果看，两种模型计算结果存在差异，壳单元模型计算结果与实验结果较吻合，梁单元模型计算得到的应力普遍低于实验结果。（3）从建模效率和计算速度看，梁单元模型优于壳单元模型。本课题本着计算精确的目标，采用板壳单元来研究。而且，和梁单元相比，对于查看计算结果应力壳单元也更为直接和方便，特别是在车身结构中的纵横梁交接处，若用梁单元来处理，只被抽象成一个节点，无法确切计算接头区域的应力分布，而壳单元则可以非常清楚的显示出来。壳单元的不足之处在于要占用更多的硬件容量、计算时间和数据准备工作量。本模型在模拟悬架钢板弹簧时使用了少量梁单元。目前计算机硬软件水平发展进步很快，本公司的计算机硬软件水平能够支持全板壳结构客车车身骨架模型计算的进行，在计算时间方面，也有充足的时间完成全板壳客车车身骨架模型的计算。所以对大客车车身整体骨架采用全板壳单元进行有限元分析。根据这些要求及电动客车轻量化的探求，选择计算精度更高的全板壳单元进行建模。2.5.3 车身有限元模型建立整个车身部分的离散模型如图2.12，通过网格的划分，此模型共形成296603个壳单元，9325个MPC单元，1357个梁单元，共有296334个节点，有1778004个自由度。图2.12 有限元网格模型Fig.2.12 The finite element mesh model2.5.4 车身骨架载荷的处理本车型为城市公交电动客车，行驶路况良好。在电动客车满载状态下，分析四轮接地时地面对车身骨架的强度和刚度影响情况，即模拟电动客车在良好路面下匀速直线行驶时的应力分布和变形情况。考虑到客车在行驶过程中遇到小障碍时引起的客车激烈震动情况，在分析时车身骨架质量和载荷需要乘于一个动载系数加以修正（本文动载系数取2.5),方向竖直向下。车身骨架承受的载荷主要有乘客质量（每位乘客的质量按65kg计，作用车架纵梁横梁上）、电池质量，电机质量、变速器、DC-DC转换器等集中质量，分体式空调质量（作用在顶盖上），制动系统（本文考虑制动系统中的制动气瓶）作用在车架上。车身结构上的集中质量根据其质心位置以及与车身骨架之间的连接部位分别加载在相应的节点上，成为这些节点上的集中载荷。1)载荷的分类根据载荷大小是否随时间变化的情况，可以分为：(1)静止载荷：所谓静止载荷就是其大小、作用方向以及作用点并不随时间变化而变化的载荷称之为静载荷（也可以称为固定载）。客车各总成的支架，结构件以及车身骨架的有效载荷就是典型的静止载荷。(2)动载荷：所谓动载荷即其大小、方向或者作用点任意一个随时间变化而变化的载荷称为动载荷，其中仅是作用点随时间而变化的载荷又可以称为移动载荷。客车转弯时的离心力，制动时的制动惯性力是非常典型的动载荷。根据载荷在结构上的分布情况，可以分为：(1)集中载荷：当载荷的作用位置在结构上的区域面积很小时，例如一个作用点，可以认为这种载荷就是集中载荷，如电动客车上的动力电池、驱动电机、变速器等的重量都是以集中载荷的形式作用在车架纵梁或者横梁上。(2)分布载荷：不同集中载荷，当某载荷的作用位置是在一个面积或长度上连续变化吋，则称其为分布载荷。其中当分布载荷的集度是均勾的，则称为均布载荷。 在本文中乘客的重量以分布载荷的形式作用在车架的纵梁与横梁上。车身骨架要附件质量见表2.1。6I26EV车骨架加载情况见图2.13。表2.1车身