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2020 3 18 电动客车车身骨架设计及有限元分析 侧围与顶盖总成 指导教师 崔国华姓名 王朝学院 装备制造学院专业班级 车辆1102学号 110700215 1 2020 3 18 摘要 本论文主要的讲了有关于纯电动客车国内外的目前发展状况 了解目前的发展成果和在这个过程中所遇到的技术和材料上的难题 本次设计是以一辆12米的纯电动的客车车身三维骨架为依据 遵循车身设计规则和标准 设计客车车身骨架 包括前围 后围的骨架 顶盖 左右侧围骨架 地板 电池 我主要负责左侧围的设计和顶盖的设计 包括左围和顶盖总体的布置结构和材料选择 包括对骨架进行了校核 并且完成了cad图 设计完成骨架 主要对左侧围骨架和顶盖的总成进行了有限元的分析和优化 在不太满足强度和刚度的地方进行主要的加强 本设计的有限元分析的软件以hypemash为基础 2 2020 3 18 课题研究背景和意义 汽车的发展引起了地球资源的过大消耗 地球上的能源是有限的 能源紧缺是全人类面临的越来越严重的问题 是一个全球问题 关系到全球的经济与军事安全 我国的能源问题已经成为国民经济发展的战略问题 从国家安全角度出发 石油资源已经和国家安全 经济发展紧密的联系起来 能源的稳定供应是一个国家所关注的重点 也是我国能源安全战略的核心内容 如果继续按照传统的能源动力系统发展下去 将难以持续我国这个泱泱汽车大国的兴起 汽车在给人们带来便利的同时也污染了环境 而纯电动汽车没有污染 可以实现零排放 并且相对汽车来说 它的结构简单 维修起来也非常方便 再者比起汽油车辆 它的能量转换能力高 燃料电池汽车 它们能将使清新的大气中的可燃的氢气体在燃料电池内与空气中的氧气发生化学反应 产生大量电能来发动电动机 然后就可以驱动汽车 总之 发展纯电动汽车和客车对经济的发展和节约能源 保护环境都十分有利 3 2020 3 18 目录 电动汽车的介绍国内外发展现状材料与结构说明左右围骨架设计顶盖骨架的设计前后围骨架设计地板总骨架设计有限元分析介绍有限元分析结论参考文献致谢 4 2020 3 18 电动汽车的介绍 电动汽车的主要的结构组成包括有 电动机的驱动力系统和总的控制系统 驱动力传动系统等机械的系统以及一些为了完成既定任务的工作内容的附属的设备装置等等 电动机驱动力的附属的系统和总的控制机器总成 他们将会组成为电动汽车的重要的部分 目前纯电动公交车因电池技术与充电配套设施等不到位和价格等因素 有待完善和提升 作为战略车型 应该与时俱进 在纯电动产品最为关心的充电问题上 运用高科技新型电芯 采用国标充电口 最高支持250A充电电流 实现快速充电 从电量全部耗尽到完全充满的时间仅为15 20分钟 单次充电续航里程100公里 实际使用中 一次循环后充电只需8 10分钟 最大化满足城市小型公交运营需求 经过技术革新 电池寿命已延长6 8年 整车生命周期内无需更新 电动汽车的特点有 无尾气排放 具有良好的环境保护效果 噪声低 仅为传统汽车噪音的25 热效率高 比传统燃油汽车高出近50 以上 排放的废热少 可有效减轻城市 热岛效应 可回收利用的能量多 可以改善能源结构 解决汽车的能源替代问题 结构简单 使用维护方便等 5 2020 3 18 国内外发展现状 美国汽车产业从很早就开始开展电动汽车领域的研究 近年来 以通用汽车为代表 美国汽车企业在纯电动汽车 燃料电池汽车的科研与市场化方面取得了显著的成绩 其中 沃蓝达品牌已经成为全球知名的电动汽车产品代表 德尔福公司则已经实现电动汽车在4小时内安全充电 并在混合动力汽车方面拥有100多项的专利 日本经济产业省井上悟志在 日本电动汽车发展战略实施及成果 的演讲中表示 电动汽车日本现在每日可以卖出1000辆 日本长崎县产业劳动部政策监铃木高宏介绍说 长崎的电动汽车发展情况不光仅是电池的创新 而且有电网的创新 长崎将用智能电网将日本建立成一个生态岛屿 提供包括充电在内的各类信息 建立循环网络 丰田公司松本真一透露 迄今为止 日本的混合动力汽车已经实现节油100亿升 早在20世纪70年代日本政府就已将电动车的发展列入汽车工业的产业规划 并且为电动车发展制定了诸如建设和改造充电站 研制新技术的蓄电池等计划 目前已有多款车型在全球范围上市 并且一直保持电动车销量头把交椅的依旧是日系电动车 德国 2020年成为电动汽车佼佼者为了推动电动汽车的发展 抢占全球电动汽车市场 德国动员了政界 学术界 与此相关的产业界 工会和社会团体的力量 并形成了一个联邦级的协调平台 这个平台下面有7个技术和政策方面的攻关小组或团队 除此之外还包括培训与资质 换言之 进入这一领域的职工必须经过培训和考试 经过考试获得相关的资质之后 方可进入这一领域工作国内 自 八五 九五 以来 特别是 十五 计划期间 我们的政府开了多次的会议 在这个过程中 人们想出了很多的优秀的想法和措施 那时候 人们还制定了 三纵三横 的时代发展的布置和布局 以混合动力车 纯电动 燃料电池汽车为 三纵 动力控制 驱动电机 蓄电池为 三横 这将为全面的汽车厂商构筑电动汽车的技术平台 为以后的电动汽车的发展奠定了坚实的基础 6 2020 3 18 材料与结构说明 结合客车车身结构的特点 客车的结构大部分都是钢管骨架 经过查询资料和询问技术人员 综合考虑材料的购买成本和轻量化的要求 我们这次设计规定当然是这个骨架的主要的使用的材料选择为Q235A型的钢材 由于本次设计的大型的客车都是车身骨架结构 像我们这种结构来说一般都是材料的用扭转强度很高的封闭形式的断面的矩形的好的钢管焊接成 当然了他的强度和刚度较高 由于整个骨架都是焊接而成 所以焊接的质量必须要得到保证 而且焊接的原料要尽量用没有腐蚀的材料 减少对钢管的腐蚀 7 2020 3 18 结构说明 鉴于本次设计的客车长度和电池的选择 本次设计选用全承载式车身 1 承载优点 1 这样的车身根本没有车架 这将会大大的减少整车的质量 2 结构的特性不会影响到车体内部的空间的大小 同时采用这样的车身地板的高度也会大大的降低 使得乘客以及驾驶员在上下车的时候极其地方便 3 这种结构不仅仅适合轿车 而且各种各样的小车以及城市中奔跑的SUV也使用这种结构 承载车的缺点 1 传动和悬架震动和一些噪音会直接地传入车内 我们必须需采取有效的减震和降低噪声的措施 增加一些机构 这将会极大的增加生产和消费者的成本 2 底盘强度大梁的结构 当他的四个车上的轮子在受到不同的载荷时 车身会进行极大的变形 3 最后也是最重要的的这种结构的制造成本比较高 所以设计的同时我们不得不将成本考虑进去 前围骨架 客车的前围骨架用来安装保险杠 雨刮 电子仪表盘 灯具 前挡风玻璃等等 后围骨架 客车的后围骨架 这部分用来安装后挡风玻璃 后保险杠 后灯等等 顶盖骨架 他起到了连接的作用 而且顶盖上还要安装空调等附属的一些设备 所以他的设计要复杂一些 并且要求要有足够的强度和刚度 左侧围骨架 客车左侧围安装侧窗 侧舱门等 右侧围骨架 右侧围骨架安装有乘客们 窗户等 8 2020 3 18 左右围骨架设计 左侧围没有门 机构比右侧围简单 就总长11980mm来说 设计前围宽度为580mm 后围宽度为400mm 那么侧围长度为11000mm 其中设计有7个窗户 长度分别为1499mm 1585mm 1555mm 1650mm 1621mm 1575mm 1515mm 由于规定最小的离地间隙为200mm 在本次设计中 我设计的离地间隙为260mm 车身高度为有空调的3260mm 所以上纵梁和下纵梁之间的距离为3000mm 中间有一根腰梁 设计上纵梁距腰梁1400mm 下纵梁距离腰梁1100mm 其中轴距为6000mm 在腰梁和下纵梁之间为了加强强度 设计有几组斜支撑 实践证明 拥有斜撑的结构可以使得梁受到的弯矩减少85 94 那么根据实践得出的一些重要的结论 我们的在纵向的轴上的受力将会加大126 202 窗户的树立的梁杆件的受力下降40 极大的加强了我们的窗户的梁的承受载荷的能力 斜撑的断面尺寸选择40 30 1 75mm 由于上下纵梁受到的应力加大 所以选用截面面积较大的型钢 采用50 50 2mm型号钢材 脆性材料的弯曲梁截面一般上下不对称当然相对来说 窗立柱的受力也比较大并且窗户立柱之间的距离也较大 所以采用70 50 2mm型号钢材 腰梁是左侧围骨架的主要承载单元选用50 60 2mm型材 轮拱的尺寸与右侧围保持一致 轮拱立柱开度为1080mm 轮拱的上横梁距侧围最底端900mm 轮拱立柱选用尺寸为50 50 2mm型号钢材因为轮拱立柱间距较大 在其间加角度为45度尺寸为40 40 2mm的斜撑与右侧围结构对应 侧舱门长度为2320mm 如图6左侧围骨架设计 左侧围二维图 9 2020 3 18 右侧围 右侧围骨架比较复杂的部分 设计有七个窗户 前后两个车门 由于右侧围比较复杂 左右侧围都有斜撑 根据经验 有斜撑的骨架 这样的结构将会大大的减少布置的结构在各个方向上的一些突出的变形 因为这将构成一些三角形的结构 三角形的结构特别稳定 这一点在我们日常生活中已得到证实 实验证明 有斜撑的结构使得梁受到的弯曲应力减少85 94 轴力增加126 202 窗立柱应力下降40 这将会大大的改善了窗立柱的强度 根据布置的要求 右侧围设立两个门 为中门和前门 右侧围相对左侧围来说多了两个乘客们因此结构也显得较为复杂 考虑到门立柱会受到比较大的应力 所以门我们要用断面尺寸较大的方形钢来作为立柱 前门后立柱与后门两个立柱均采用规格60 50 2mm的方形钢 根据总布置要求前门宽度为1380mm 后门1380mm 就总长11980mm来说 设计前围宽度为580mm 后围宽度为400mm 那么侧围长度为11000mm 其中设计有7个窗户 侧窗宽度分别是1499mm 1585mm 1555mm 1650mm 1621mm 1575mm 1515mm 高度前三个为1110mm 中间两个为770mm 最后一个为500mm 侧窗立柱主要起支撑作用所以钢材选用50 50 2mm 因此它们的断面尺寸需要选择较大的50 50 2mm型号钢材 在腰梁与地板横梁之间设立立柱 并设立斜撑 斜撑选用40 40 2mm型号钢材 考虑车轮的尺寸 确定轮拱立柱开度为1260mm 轮拱的上横梁距侧围最底端960mm 10 2020 3 18 顶盖骨架设计 本次设计中 顶盖横梁设计数目为13根 最大的横梁间距不可超过2000mm 所以我设计的距离分别为以下数 1668mm 3mm 800mm 750mm 650mm 1200mm 700mm 700mm 600mm 1000mm 1300mm驾驶室长度为1232mm 由于顶盖连接着侧围骨架 它支撑空调 行李架等附属部件 顶盖还要填充消音防爆防燃的材料 所以顶盖横梁的厚度势必要加大一些 根据选材的规定 本次采用50 50 2mm型钢 在顶盖骨架中设计有4跟长50 40 2mm型钢纵梁 分别支撑整体的骨架 驾驶室有三根长1232mm的纵梁 两段长575mm的横梁 前部还有两根50mm长的顶盖与前围连接梁 为了加强结构 特增加了两根长575mm的斜撑梁 由于驾驶室承载较少 所以材料选择40 30 1 5mm型钢 从左到右 再者就是第一个通风口 长1668mm 分别有4根纵梁和4根凹形纵梁 两根连接梁 再往后就是空调安装处 空调安装需要保证刚度和强度的要求 选择材料为50 50 2mm 其结构较为复杂 见图3 后面的结构较为简单 而且承载也不大 所以选用40 30 1 5mm型钢 由于车体长度为11980mm 所以根据下表 本次设计有2个安全通风口 由于它并不承载 所以选择材料为40 30 1 5mm型钢 通风口的大小为1200 500mm 1100 500mm 11 2020 3 18 前围骨架设计 前后围骨架要满足客车造型要求 曲面比较丰富 前围梁的设计较复杂 相对前围来说 承载的载荷较小 主要承载部件有前挡风玻璃 蒙皮 保险杠 内顶装饰 雨刷器等 为了减少挡风玻璃的破坏几率 须保证构件有足够的强度和刚度 它的上下梁是主要承载件 选择50 x40 x2mm钢材 前围是连接侧围骨架 底盘和顶盖的结构件 风窗上沿梁在俯视图上的曲线和玻璃曲线一致 根据总布置的前视图和侧视图 得出弧度 前围立柱和侧围的焊接 选用50 30 2mm钢 根据前布置图确定大灯的位置 以及确定在大灯固定大灯所需要的辅助梁 辅助立柱以及安装板 由于其载荷较小 所以选择尺寸为40 x40 x2mm的矩形钢材 前围由于要受到很大的风阻 又因为前风窗玻璃比较重 所以 必须保证前风窗的上下两个安装边使用足够强度的材料来抵抗风阻带来的变形 前围安装有风挡玻璃 空间结构大 扭转变形会使得风挡玻璃爆裂 一般是加强这块玻璃旁边的强度来加强 前围立柱一般与左右侧围第一立柱相连 这样更加的牢固了 于是我们设计采用薄壁材料 采用50 25 1 5mm 下横梁为重点受力部位 用50 50 2mm较大规格厚壁型材 大灯横梁的尺寸根据保证保险杠和前大灯的安装位置的原则来确定选择40 40 2mm的矩形钢 斜撑和竖撑加强增加稳定性 前风挡玻璃洞口周边两零件连接且方向有突变处需加加强板加强 前围骨架 12 2020 3 18 后围骨架设计 后围骨架的设计根据布置尾部图来设计 主要有后发动机舱门 后窗玻璃 车灯等 后围左右立柱要与左右侧围尾立柱相焊接 所以断面尺寸选择为50 40 2mm 后窗上横梁断面尺寸选择为40 40 2mm 后窗下沿梁断面尺寸50 50 2mm 后围骨架 13 2020 3 18 地板骨架设计 在设计地板骨架时 一般要根据整车总布置的参数 而地板骨架作为整车车身骨架结构的主要承载部件 相对受到的载荷比较大 因此要有足够的刚度和强度 其主要有驾驶室地板骨架总成 前地板总成 中地板总成 前后轮毂包总成 动力电池仓总成和电器控制仓总成等 根据本课题该纯电动客车设计的参数 可以确定出地板骨架总长为11 98m 且最小离地高度为0 2m 前后轮毂包间隔为6 0m 进而可分配出前地板骨架长2 42m 后部地板骨架长3 26m 确定布置位置后 依据地板骨架受力及强度计算 确定各梁的截面尺寸 前地板骨架 根据给定参数 地板离地高度选为200mm 考虑到客车接近角及地板纵梁下面的离地高度 前桥前纵梁选择50 25 1 5mm矩形钢管 并在前端作切斜口处理 前地板横梁选择断面尺寸为50 50 1 5mm 前桥左前纵梁搭装驾驶室地板骨架 并在驾驶室地板骨架上焊接转向器等零部件 中地板骨架 纵梁选择断面尺寸为50 50 2 0mm 纵梁与横梁采用纵梁分段而横梁贯通的方式连接 如图所示 从而增加地板骨架的整体强度 同时所有横梁均与车身侧围立柱及顶盖横梁相对应 根据承载情况 中地板横梁断面尺寸选为70 50 2 0mm 后地板骨架 中地板与后地板骨架的过度区域通常采用搭接式大梁结构 不产生突变而造成应力集中 在搭接梁前 后纵梁形状方面作一些处理 并且将二级踏步总成加强 在实现地板通道截面过渡平缓 从而最大程度的保证整车骨架的整体强度 踏步总成横梁断面尺寸选为25 25 1 5mm 纵梁选择25 20 1 5mm 且后地板要安装座椅 根据乘客重量 计算座椅受载情况 则后排座椅安装纵梁选择断面尺寸为25 25 1 5mm 横梁选为25 25 1 5mm 14 2020 3 18 地板骨架设计 动力电池仓及电器控制仓 根据选取的电池箱 控制器 水箱等附件的大小 来确定后部电池仓及电器控制仓的合理位置布置 15 2020 3 18 有限元分析介绍 理论和实践表明 对于那些全承载式的车身来说 车身骨架受到了很大的扭转力 特别是在车门处的位置 窗立柱的位置 还有一些连接梁的位置 由于这种梁短 截面面积小 在整个的车身的骨架中 最容易发生破坏的部分是 1 横梁和立柱的连接出的位置 2 骨架和纵梁的交叉点的地方 3 纵梁和横梁的开孔的位置 4 窗框 门窗 挡风窗口的四角处 有限元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 是一种高效常用的计算方法 适合于求解所有连续介质和场的问题 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 即是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 由于连续体离散化的程度不一 故而求解得到的是实际问题的近似解 16 2020 3 18 有限元分析介绍 1 空载工况这种工况不是侧围骨架总成与顶盖骨架总成破坏的主要原因 分析这个工况的目的是为了与其它工况做比较 这个工况要计算侧围骨架总成与顶盖骨架总成弯曲 弯曲情况就是整车空载静止 2 满载工况客车在满载静止或行驶时侧围骨架总成与顶盖骨架总成要承受很大的静压力 扭转力矩或动载荷的作用 受力状态最为恶劣 针对这种情况 把满载工况分为如下进行分析 满载工况中的扭转情况又分四种情况 分别为左前轮被抬高50mm 右前轮被抬高50mm 左前轮被抬高50mm 而其对角的右后轮被抬起50mm 第四种情况是右前轮被抬起50mm 左后轮被抬起50mm 根据有限元分析结果 结合加工工艺与控制成本提出合理的结构改进意见 主要内容 1 根据现有车身设计方案 用hypermesh进行前处理进行网格划分 进行有限元分析 2 运用客车骨架有限元模型 对客车车身骨架进行静态分析 分析最大位移与最大应力值并找出极限工况 3 在有限元静动态分析的基础上 选择合理的极限工况 根据客车的结构特点主要以车身刚度和强度为多目标优化目标 降低整车质量 17 2020 3 18 结构部件 有限元分析 本次选取的此结构进行了一些部分的简化 比如说如忽略了一些小的安装板 部分加强板 外蒙皮等 这样算出的结果将更加的保守 为了分析车身后部电池承载骨架在强度方面是否合格 主要在静载情况下进行分析 为正向设计提供参考 18 2020 3 18 有限元分析 部件属性主要是采用Q235A钢 机械性能 折叠弹性模量 E Gpa 200 210泊松比 0 25 0 33抗拉强度 b MPa 375 500伸长率 5 26 a 16mm 25 a 16 40mm 24 a 40 60mm 23 a 60 100mm 22 a 100 150mm 21 a 150mm 其中a为钢材厚度或直径 了 单元选择单元类型选用梁单元 19 2020 3 18 有限元分析 网格划分本次设计中网格划分和分析的软件为hypemash 首先进行左侧围骨架的网格划分 首先对材料的赋予属性值 hypemash左侧围网格 20 2020 3 18 有限元分析 顶盖网格 21 2020 3 18 有限元分析 左侧围有限元模型顶盖有限元模型 22 2020 3 18 有限元分析 纯弯曲工况纯弯曲工况是考虑车架静载情况下抵抗弯曲的能力 它是检验车架刚度的主要工况 约束在左侧围和顶盖与其他的总成连接的地方 载荷 顶盖的载荷为空调的重量以及行李架 行李的重量等等 他一般是垂直的载荷 在车架中间横梁位置分别施加2000N 方向竖直向下的力 然而众所周知斜对称载荷是非常危险的 之所以危险是因为由薄壁杆件 特别是开口截面 构成的超静定空间 结构受扭时其个别杆件急剧变形所致 使正应力增大 车身结构要有足够的强度和刚度来满足使用的要求和使用寿命的时间 合理的特性以达到控制车身震动噪声 我们只是选取了一个部件的总成来施加一定的载荷和约束 选用OPSTISTRUCT软件来求解 得到的车受力的图形理论分析和使用实践都表明窗立柱和门立柱受到站立乘客用手支撑在立柱或窗上横向的压力 23 2020 3 18 有限元分析 顶盖位移云图与应力图结果分析 由车架的变形云图可知 最大变形量达2 96mm 由车架的应力云图知 车架最大应力值为130MPa 远小于材料的屈服极限 24 2020 3 18 有限元分析 左侧围位移图与应力图结果分析 由车架的变形云图可知 最大变形量达1 73mm 由车架的应力云图知 车架的最大应力集中横梁附近 最大应力值为233MPa 小于材料的屈服极限 25 2020 3 18 有限元分析 这与第二章中利用理论力学和材料力学的设计出的骨架总成得出的结果在受力上虽然有些差异 由公式得出的结果并不是结论性的 因为在用这些公式时 我们已经作了很多假设 所以需要考虑这些假设的潜在影响 但是总体上是可以接受的 在误差允许的范围内 所以本次设计的有限元分析的结果是正确的 用公式计算和进行试验可以为有限元分析结果设定一个可接受的边界 只有经过检验为正确的有限元模型 其得到的相关分析结果才是真正对工程应用有意义的 加强一些板件各在主要危险部位 可以得出应力值下降明显 增加板的厚度以及增加加强钢板的作用明显 且部位准确 对车架质量的增加较小 优化改进合理 如图的结构 26 2020 3 18 结论 本论文设计了车身左侧围和顶盖骨架承载骨架的应力云图 可以得出结论 由于部分部位受到的载荷比较的较大 并且考虑到各种情况下 我们做出相应的改造 有那么几处引起产生了应力集中 并得到了相应的应力薄弱点 找到了相应的应力集中处及相应的危险杆件 并提供了修改意见 为结构设计人员提供参考 由于此有限元分析中没有考虑外蒙皮及相关的薄壁板 因此计算结果相对保守 设计人员可以参考结果进行合理结构改进 本次设计就到此了 这次设计得出的骨架以及得出的应力图 还存在着许多的不足的地方 但本次设计我学到了很多的知识 对我今后的工作和生活有了极大的帮助改进的方法为其他车型车架的优化提供了有力支持 27 2020 3 18 参考文献 1 黄天泽 黄金陵 汽车车身结构与设计 M 北京 机械工业出版社 1997 2 刘开春 客车车身设计 M 北京 机械工业出版社 2013 3 周方寿 客车车身覆盖件的设计与