【《新能源大客车车架的有限元实证分析》21000字（论文）】

STYLEREF"标题1"第1章绪论新能源大客车车架的有限元实证分析摘要随着目前新能源大客车的逐渐普及，就以城市客车为例，电动客车的优点在于零排放，行驶噪音小，节省车身空间，电动客车逐渐成为当前政府以及租车公司应用的首选。就电动大客车车架结构而言，由于动力源的不同，相较于传统大客车车架结构，电动大客车的车架结构需要大范围调整，但目前市面上常见的电动客车车架结构还处于在原有传统客车车架结构上加以改进所获得，所以对于电动客车车架结构的可靠性以及结构轻量化方面有必要进行进一步研究。本优化根据现有图纸，为了减少计算机运算负担进而加快运算时间，本优化通过ANSYS中的梁单元进行有限元模型的建立，对某种电动大客车车架进行模型建立，。再通过ANSYS有限元力学分析模块对电动客车车架结构进行四种工况下的分析，其中包括静止满载工况、一轮悬空工况、急转弯工况和急制动工况的静力学分析以及车架的动态特性分析。查看车架的变形状况和应力云图进而提出合理的车架优化方案，对车架进行轻量化以及结构优化。通过对比优化前后车架各方面参数的变化来选择更为适合的优化方案。利用有限元分析软件进行实际的工况模拟，有利于缩小实际模拟的成本，降低测试周期，达到客车轻量化和合理结构布局的目的。关键词：新能源客车车架；APDL命令流；有限元分析；模态分析；轻量化目录摘要ABSTRACT第1章绪论 11.1研究背景及意义 11.2国内外研究现状 21.2.1国外研究现状 21.2.2国内研究现状 21.3主要研究内容 3第2章新能源大客车车骨架有限元模型建立 52.1有限元法理论概述 52.1.1有限元法简介 52.1.2有限元分析计算的基本思想 62.2新能源大客车车架有限元模型的建立 72.2.1新能源大客车三维模型的简化 82.2.2新能源大客车三维模型的建立 82.2.3建立新能源大客车有限元模型 112.3本章小结 13第3章新能源大客车车骨架静力学分析 153.1静力学分析评判标准 153.2满载工况分析 153.2.1载荷和约束的施加 153.2.2满载工况分析结果 173.2.3满载工况结果分析 183.3一轮悬空工况分析 183.3.1载荷和约束的施加 183.3.2一轮悬空工况分析结果 193.3.3一轮悬空工况结果分析 203.4急制动工况分析 203.4.1载荷和约束的施加 203.4.2急制动工况分析结果 213.4.3急制动工况结果分析 223.5急转弯工况分析 223.5.1载荷和约束的施加 223.5.2急转弯工况分析结果 233.5.3急转弯工况结果分析 253.6四种工况结果对比 253.7本章小结 25第4章新能源客车车骨架的模态分析 274.1模态分析理论 274.2客车车骨架模态分析 284.2.1客车车骨架模态分析结果 284.2.2客车车骨架模态结果分析 304.3本章小结加数据 30第5章新能源大客车车架拓扑优化 335.1拓扑优化简介 335.1.1变密度拓扑优化法理论基础 335.1.2ANSYS拓扑优化基本流程 345.2新能源大客车车架拓扑优化 355.2.1根据有限元分析结果确定优化区域 355.2.2客车底架中段底部区域拓扑优化 355.2.3客车底架中段顶部区域拓扑优化 375.2.4客车底架后段电池支撑架区域拓扑优化 385.2.5客车顶棚区域拓扑优化 395.3新大客车车架有限元分析 405.3.1优化后客车车架静力学分析 415.3.1优化后客车车架模态分析 435.4车架拓扑优化前后性能对比 455.4.1客车车架力学性能变化 455.4.2客车车架动态性能变化 455.4.3客车车架质量变化 455.5本章小结 46第6章总结与展望 476.1总结 476.2展望 47参考文献 49第1章绪论1.1研究背景及意义汽车产业作为我国经济的重要产业，随着在全球范围内汽车保有量不断增加，我国汽车行业近几年来也持续稳步发展。根据公安部数据统计：截至2020年底，我国机动车保有量达3.72亿辆，同2019年相比增加6.9%。排除摩托车和三轮车等机动车，其中汽车保有量达2.81亿辆。随着近年来全球范围内各类汽车保有量的不断增加，就以传统汽油车而言，已经造成石油天然气等不可再生燃料大量消耗，并且燃烧燃油所排放的有害气体以及颗粒物又使得环境问题不断加剧。为解决传统汽油车所带来的能源消耗以及为其排放等问题，推动汽车产业良性发展，我国政府先后将发展新能源汽车写进国民经济发展的五年计划，目的是为了用新能源汽车来逐步代替传统汽油车汽车来解决以上问题。而电动车因其构造简单、零排放以及造价低等优势，被认为是未来城市主流交通工具的潜在发展方向[1]。我国近年来新能源汽车保有量也呈持续高速增长趋势，就以纯电动车保有量为例，根据公安部统计，截至2020年我国纯电动车保有量达到400万辆，比2019年多90万辆增长29.03%，可以看出电动汽车在逐渐成为目前消费者、租车公司以及政府的首选。电动小轿车的车身结构为了满足用户需求，各大汽车厂商均已做过充分优化与设计。而在电动大客车车身结构方面，主要是基于燃油客车车身结构的改进与微调，将动力源由传统的燃油发动机改为电池和电机组合，在沿用传统客车车身结构的基础上稍微调整总体布局，但是，由于动力源的改变，电池与电机组合相较于传统的燃油发动机，质量大大增加，造成更多的能源消耗，这对续航里程本就吃紧的电动客车是又一弊端。此外电动客车沿用传统客车结构布置方式，会使纯电动客车原有的设计优势和布置优势难以得到充分发挥，不能以最优的结构布局发挥其最好的性能。相关研究表明当车身质量每降低100kg时，车辆的百公里油耗就会减少0.4~1L左右，在降低油耗的同时尾气释放也显著减少[2],类比传统客车在能源消耗方面，电动客车也是如此。综上所述，对电动客车进行轻量化设计以及结构优化，降低整车质量优化合理布局是提高电动客车续航里程，就目前来说是最为便捷以及有效的方法。所以相比于传统燃油客车，对电动客车进行轻量化优化设计的意义更为重大，所以轻量化设计以及结构优化对于电动客车来说就显得尤为重要。1.2国内外研究现状1.2.1国外研究现状目前客车轻量化领域当中，国外起步较早，目前积累的技术也相对成熟，并且随着有限元理论的成熟和计算机技术的不断发展，应用有限元法来进行计算机模拟代替实际测试，不但可以降低实际测试成本，而且可以缩短研发周期。因此有限元法已成为各大客车企业研发新车型的一个重要工具[3]。从上世纪60年代国外就已经开始将有限元法运用到汽车实际工作当中[4]。上世纪80年代，在欧美、韩国和日本等汽车工业较发达的国家和地区，有限元分析已成为一种比较成熟的分析手段[5]。除了通过改变车身结构达到轻量化的目的，随着材料技术的不断发展，越来越多的高性能材料逐渐被用于工业、车辆以及航天领域，在车辆轻量化问题中新材料的替换也得以运用。Fukushima等人[6]运用均匀化法来解决拓扑优化中的多载荷问题，完成了对于车架地板的结构优化，达到了车架轻量化以及整体结构优化的效果，并且验证了方案的可行性。Gauchia等[7]通过有限元法研究了客车在受到扭转工况下的应力状态，在运用遗传学算法对客车车身结构进行优化设计，达到了提高车身扭转强度的目的。J.K.Shin等[8]等通过ULSAB方法对车辆前门内板的结构进行了优化，运用了尺寸、形状以及拓扑优化三种优化手段，达到了车身结构轻量化的目的，较优化前车身质量下降了8.72%。S.Nandhakumar等[9]通过改变车架材料的方法，运用铝合金6061-T6和铝合金7075-T6来代替原本的结构钢，比较后达到车底架结构的优化以及减轻车架重量的目的，分别实现了减重65.61%和64.33%。Botkin等[10]通过同时运用结构以及材料优化两种手段对汽车车身进行了设计研究，通过较为新型的碳纤维复合材料代替传统材料，采用结构优化的方法进行对比研究，最终达到整体车身质量下降62%的成果。HaibinNing等[11]通过改变车身材料和加工工艺来实现轻量化目的，采用热成形工艺加工热塑性复合材料，不但改善了车身强度性能，而且还使得车身质量下降了39%。1.2.2国内研究现状与国外相比，虽然我国对电动客车轻量化的研究起步晚，但经过多年的努力，也取得了许多阶段性的成果。从2000年以来，以宇通为首的各大客车企业先后成立了客车轻量化相关部门，并不断引进先进的机械制造技术，已经研发了许多轻量化以后的客车成果。周伟[12]通过拓扑优化以及灵敏度分析改变车身杆件的厚度来实现车身的轻量化，在满足车身强度要求的前提下，使车身质量下降了14.6%。王怀[13]采用正交试验法对客车骨架进行结构优化，使得车身骨架减轻5.08%。金龙客车联合Ansys公司[14]对某系列客车车身结构进行轻量化设计，最终使得车架质量减轻250kg。徐梓雯[15]通过拓扑优化的方法，对车身骨架中两个局部结构做了轻量化以及结构优化，使车身减重24.6%。唐唯伟[16]利用有限元法对客车车架进行有限元分析，得出应力云图，并通过迭代法最终确定合适的截面尺寸，最终完成车身的轻量化并且改善了结构性能，减重6.7%。毛爱华[17]依次对车身结构分别做出了拓扑优化以及多目标尺寸优化，在保持原有强度的前提下，实现了车身结构减轻11.07%的成果。澎湖[18]通过对比方法，将全某新型铝车身与传统结构钢车身结构进行对比，发现全铝车身相较与结构钢车身，机械性能更加优秀，质量更加轻便，达到了车身质量减轻41.95%的效果。崔新涛[19]通过价值函数理论的优化选材方法，对比单材料车身与多材料车身的优劣，表明多材料车身更为轻便。综上所述，车身轻量化研究对于车辆续航里程的提高具有十分重大的意义，并且车身轻量化也一直是汽车优化行业内十分重要的研究方向。1.3主要研究内容 目前电动客车正在逐渐普及，就以城市公交车为例，电动公交车的优点在于零排放，行驶噪音小，节省车身空间增加载客量，内部布局更为合理。传统公交车将逐步被电动公交车所代替。电动客车目前还处于逐渐普及阶段，许多技术还处于实验探索阶段，还没有一套满整的电动客车设计体系，就比如在电动车车身结构方面，由于动力源的不同，导致传统的燃油发动机相比于电池在质量，布局等方面要求完全不同，但是目前电动客车车身还存在一些在原有燃油客车车身结构上稍加改进所得，在电动客车车身上进行套用，结构是否足够轻便，布局究竟是否合理，结构是否最优还需要不断地探索与改进。所以本次设计目的在于，通过观察比较电动客车车身的有限元模型和在四种基础工况下的静力学分析以及模态分析，对比结果应力以及模态云图，在满足这四种基础工况下的刚度、强度要求的前提下，基于新电动客车本身的结构优势进行结构轻量化设计和结构布局优化。目的是设计一种既能满足基础工况下刚度、强度要求，又能在原有车架基础上实现轻量化的车架结构，进而提升新能源客车的总体性能，设计出一个更为适合的电动客车车身结构。研究路径流程图如图1.1所示。图1.1设计流程图 第2章新能源大客车车骨架有限元模型建立不同于小轿车车骨架，大客车车骨架大多由杆类零件所构成，所以为了简化模型，减少计算机运算负担，降低运算时长，本优化车架建模时均将采用杆状支架进行建模。观察车架图纸，此款车架基本呈对称排列，并且杆件的位置也有规律可循，所以将采用APDL语言直接在ANSYS软件内部进行建模，大大缩短了建模周期，使得后期有限元分析工作更加便捷。对建好的三维模型再通过有限元软件进行网格划分，即完成新能源大客车车骨架有限元模型的建立。2.1有限元法理论2.1.1有限元法基本思想有限元法最初是随着电子计算机的发展而发展起来的一种计算方法，50年代首先应用在航空航天领域来分析飞机结构静力学特性与动态特性，历经半个世纪的发展，有限元分析技术随后又很快的应用到各个领域之中，并且衍生出许多其他门类的分析模块用于解决各类连续性问题例如：求解热传导、电磁场、流体力学等，所以说有限元法是将计算机科学作为工具，以数学和力学作为理论基础，把连续得物体进行离散化，从而对其进行近似数值计算的一种分析方法[20]。随着有限元分析技术的发展，如今利用有限元分析来模拟实际试验情况的误差已十分小。目前在汽车领域有限元分析法已得以广泛应。在汽车领域，利用有限元分析法贯穿于从客车车身结构概念设计到最终的产品成型，应用有限元分析法进行模拟分析不仅可以缩短车辆的研发周期，而且还可以降低车辆的研发成本。有限元基本思想就是把一个连续物体分割成有限数目的小单元，这些小单元之间通过节点建立相互之间的关系，通过研究这些一个个小单元组成的集合来代替原本的连续体，再通过各种施加在结点上的等效力来代替实际作用在单元体上的力，选择一个简单的函数来近似表示各节点位移分量的分布规律，从而建立各节点与位移之间的关系，用近似值来代替传统计算方法得精确值。有限元法相较于传统计算方法不同之处如图2.1。图2.1有限元法与经典解析法对比图有限元思想的实质，就是把自由度为无限的连续体，理想化为有限自由度的单元集合体，使问题简化成适合数值解法的类型。2.1.2有限元分析计算实质有限元分析的基本思想包括物体离散化，单元特性分析，构成单元组集以及求解未知节点位移，具体步骤如下：(1)物体离散化：概括来说就是将一个连续体通过网格的划分，划分成一个个通过各自节点相互联系的微小单元体。网格划分的越密，网格质量越好，划分出的结点越多，计算规模越大，分析得出的结论也就越精确，但是限于目前计算机算力水平，选择合适的网格密度也十分重要，一般情况下单元尺寸不得小于物体最小尺寸的五分之一。(2)单元特性分析：物体离散化后，通过单元内节点的位移通过插值来获得单元内各点的位移，通常建立如下函数关系：fe式中：fe——δe——N——将(2.1)式代入几何方程可推导出用单元节点位移表示的单元应变表达式：ε=式中：ε——单元内任一点应变列阵；B——单元应变矩阵；由弹性理论假设可知，单元的应力与应变成正比，得到物理方程：σ=式中：σ——单元内任一点应力列阵；D——单元的弹性矩阵；再将(2.2)式代入物理方程(2.3)中，可导出用单元结点位移列阵表示的单元应力表达式：σ=最后利用弹性体的虚功方程建立单元节点力阵与节点位移列阵之间的关系，即形成单元的刚度方程式：Re式中：ke(3)整体分析：通过单元特性分析来集合成总体，通过单元刚度矩阵得到整体刚度矩阵，用直接刚度法将单刚组集成总纲。Kδ式中：K——总体刚度矩阵；δ——总体结点位移；R——总体载荷列阵；(4)求解数值：考虑整体结构的约束情况，将已知条件代入上述方程，解此方程组即可求出单元节点应力以及单元节点位移。2.2新能源大客车车架有限元模型的建立根据现有图纸，首先建立大客车车架的三维模型，由于大客车车架模型较为复杂，若完整建模并直接导入有限元分析软件当中进行分析，会严重增加计算机运行负担，增加有限元分析周期。为提高计算机运行效率，需要首先对大客车三维模型进行简化，再进行网格的划分以及有限元分析。2.2.1新能源大客车三维模型的简化（1）车骨架整体结构的简化在大客车车骨架的建模当中会出现一些和之后的车骨架强度分析影响不大的零部件，例如车内扶手，乘客以及驾驶员座椅，前后车门，前后以及侧边挡风玻璃和一些装饰性零部件等，考虑到计算机的运算工作量，这些与实际车骨架强度分析影响不大的零部件在建模当中可以省略，并且需要使用相应位置的载荷进行零件的替换，实现对车骨架三维模型的初步简化。（2）车骨架内部细节的简化车骨架建模中的一些细节也会影响计算机运算工作量，例如在实际模型当中，一些杆件会进行打孔达到减少车身重量的作用，但是这些小孔在有限元模型的建立当中会增加一定的工作量，并且会影响网格划分的质量，进而影响最终有限元分析的精度。鉴于这些小孔一般会打在受力较小的杆件当中，只起到减轻车身重量的作用，对实际的车骨架强度几乎没有影响，所以在车骨架建模当中需要忽略此类小孔的建模。（3）有限元单元类型的简化在有限元分析前，首先需要定义单元类型，常见的有梁单元，壳单元和三维实体单元，而若是不同单元类型之间相互组合和连接可能会出现不同自由度的单元类型相连接，比如梁单元有六个自由度而三维实体单元则只有三个自由度，这两个单元在相互连接时需要进行特殊的MPC处理，这样则大大增加了计算机计算工作量，降低了运行效率。此类情况会发生在客车悬架与车身骨架连接的部分，和客车蒙皮与车身骨架的连接部分，所以在进行客车骨架的建模中，将采取统一的梁单元进行建模，省略对整体分析影响不大的蒙皮结构，并用相应的约束以及载荷来代替客车悬架的效果。2.2.2新能源大客车三维模型的建立本大客车模型的建立将基于ANSYS软件的建模模块，在ANSYS软件当中模型的建立大体上说有两种模式，第一种是GUI操作通过软件的模型绘制模块直接进行模型的建立，另一种则是通过软件内部的APDL编程语言对模型进行建立，两种建模方式各有特点，各有适合的场合，通过观察图纸，本客车骨架的三维模型的建立将通过后者来实现。APDL编程语言简介APDL全称ANSYSParametricDesignLanguage，是一种在ANSYSMechanicalAPDL环境下的参数化设计语言，实质为一种脚本语言。通过APDL编程编程语言编写的命令流可以对模型进行建模以及分析。（2）APDL编程语言的优势相比于传统的直接通过软件自带的建模模块进行建模的方式，本此大客车有限元分析通过APDL编程语言进行建模有以下优势：①可以对模型进行参数化设计，为之后改变模型约束条件，施加载荷，重新定义截面形状，改变材料参数等设计内容提供便利。②对于较为规则的结构而言，使用APDL编程更为方便快捷，缩短建模周期。③在修改模型方面，相较于GUI操作会出现的牵一发而动全身情况，使用APDL编程不但更快的找出问题之处，还可以更加方便的修改模型，为的模型优化提供了便利。（3）利用APDL编程语言建立三维模型①在编程之前首先需要定义大客车总长、总宽和总高等基础参数，可以方便只有的找点工作。参数设置大致如图2.2。图2.2参数设置图②由于该模型大致为左右对称结构，所以在建模过程中先对模型的一边进行建立，再通过映射完成另一半的模型，最后进行细节部分的补充与删减。所以先通过建立模型一边的关键点，在进行连线，命令流设置示意如图2.3图2.3框架建立示意图③根据现有图纸，使用APDL语言，最终通过三百余行命令流，逐步完成了客车车骨架一侧的建模工作，因为限于篇幅限制，在这只截取部分命令流内容，对于一些有规律的网状结构可采用循环语句对其进行建模如图2.4；对于一些细节处理，如圆角操作可使用相应的命令流进行编辑如图2.5；一侧车架建立结果如图2.6。图2.4网状结构命令流图2.5倒圆角命令流图2.6一侧车架结果图④通过对称命令流和合并重叠节点命令流如图2.7建立客车模型的另一侧。最后再进行两边的修改与补充，最终客车车骨架模型如图2.8。图2.7映射与合并节点命令流图2.8客车车骨架三维模型图2.2.3建立新能源大客车有限元模型（1）选择单元类型通过之前模型的简化，简化后的模型均为矩形管件，所以在单元类型的选择上面，以尽可能简化计算量为目的，本模型在单元类型的选择方面，选择Beam188单元。（2）选择材料经了解本车架全部采用的材料为Q345结构钢，其结构钢的材料参数如表2.1。表2.1结构钢材料参数结构钢牌号弹性模量（Gpa）泊松比密度（Kg/m3）屈服极限（Mpa）Q3452100.37850345对模型的材料通过APDL编程语言进行定义如图2.9。图2.9定义材料参数（3）选择截面形状通过之前模型的简化，简化后的模型均为矩形管件，其主要截面尺寸为：50×50×2mm、60×50×2mm、40×40×2mm。首先对不同截面进行定义如图2.10，再选取不同区域的直线进行截面的定义如图2.11。图2.10矩形钢管截面定义图2.11赋值截面参数（4）划分网格网格划分尺寸以不低于最小尺寸的五分之一为标准进行网格尺寸的选定，考虑到精度，最后选择以间距为25mm来划分网格，划分结果如图2.12。图2.12大客车车骨架有限元模型（4）合并节点为保证后续分析不出现问题，提高分析精度，所以需要对有限元模型进行同一位置节点合并操作，通过两段管件相交部分共用同一节点的处理来代替焊点。合并节点命令流如图2.13。图2.13合并节点命令流2.3本章小结本章进行了有限元概念的讨论，建模方法的选择和有限元模型的建立，具体成果如下：（1）大客车车架的简化，为提高有限元分析效率，降低计算机工作任务量，在建模初期简化了如车把手、挡风玻璃、孔洞和悬挂等结构，为后续有限元模型的分析提供了便利。（2）建模方式的选择，解释了APDL语言相比常规GUI操作的优胜之处，选用APDL语言进行编程，缩短了建模周期，为之后客车骨架的约束、加载、材料的选用和截面的定义打下基础。（3）客车骨架三维模型的建立，通过映射加修改的方法，极大的缩短了建模周期。（4）客车骨架有限元模型的建立，通过单元类型、材料以及截面的选定，网格的划分，在客车骨架三维模型的基础上完成了有限元模型的建立，最后对节点进行了处理，为以后的有限元分析打下基础。第3章新能源大客车车骨架静力学分析通过前一章节新能源大客车车骨架有限元模型的建立，在此基础上，本章将会讨论此有限元模型在四种常见工况下的应力情况，有满载工况、一轮悬空工况、急制动工况以及急转弯工况。通过相关的安全评判标准来判断模型是否满足强度要求，并初步给出客车骨架优化建议。3.1静力学分析评判标准在工程设计当中，通常以材料的许用应力来作为结构设计的标准。材料的许用应力通常可以由式（3.1）进行求解。作为评判结构强度是否满足的标准。[σ]=σs式中：n——材料的安全系数；σs——[σ]——查阅相关资料本次设计的安全系数为n=1.5，通过Q345钢的屈服极限σs=345Mpa由式（3.1）可得该车骨架的许用应力3.2满载工况分析客车在满载工况下是指车辆直线行驶状态或车身结构纵向弯曲工况，也是比较基础和常见的工况。3.2.1载荷和约束的施加（1）载荷情况客车车骨架在满载工况平稳直线行驶受到的主要载荷如表3.1，其中乘客、座椅以及车门以均布力的方式施加在车架上；发动机电池以均布力的方式施加在电池架上，车窗以局部力施加在对应部分横梁上；车顶空调以局部力施加在车顶棚骨架上。客车骨架满载主要载荷表3.1名称数量总重（kg）名称数量总重（kg）乘客804800电池101500座椅31465发动机1228侧窗玻璃6210车门2246车顶空调1280前围玻璃175（2）约束情况约束前车轮左右悬挂支撑点上y、z方向的线位移，后轮约束情况考虑到该车架后轮车桥与车架是由四气囊空气悬架相连接，为了更好的模拟实际空气悬架对车架的支撑，所以后轮约束采用刚性梁代替悬架作用如图3.1，首先约束两后轮悬挂底端中点x、y、z方向上的线位移，再约束底端两侧y方向上的线位移。图3.1模拟空气悬架刚性杆（3）加载约束效果图满载情况下加载约束效果图如图3.2图3.2满载情况下加载约束效果图3.2.2满载工况分析结果（1）满载工况下的变形云图如图3.3所示，通过观察位移云图，最大位移发生在大客车车架尾部最大位移为8.20mm，客车中段由于车顶空调以及车架的均布载荷会有向下的凹陷但是位移不够明显。图3.3客车车骨架满载工况位移云图（2）满载工况下的应力云图如图3.4所示，通过观察应力云图，最大应力集中在车底架后车轮悬挂接触点前端区域，最大应力为98.59Mpa，小于该工况下的许用应力230Mpa，所以该车身结构满足强度需求。此外前轮悬挂支撑点以及左右围靠近后轮部分均有较大的应力分布。后电池支撑架以及客车中段应力分布较小。图3.4客车车骨架满载工况应力云图3.2.3满载工况结果分析通过观察客车车骨架在满载工况下的位移以及应力分布云图，可以得出初步优化假设：观察客车车骨架应力云图发现应力较大部分主要集中在后轮区域，但都未达到材料的许用应力，后续优化可能会改变该区域管件截面以增强刚度。另外客车后电池支撑架以及客车中段应力分布较小，并有比较大的阈值，说明该部分区域有比较大的优化空间。3.3一轮悬空工况分析一轮悬空工况也可称为客车的扭转工况分析，实际上是指客车在不平整路面行驶过程中有时会出现一轮架空的情况，这种工况下由于减少了一个地面支撑点，车辆受力向一边偏移，发生车架结构的扭转，所以加深了客车车架的结构负担，所以对结构的强度提出了更高的要求。本次分析选择车辆的右后轮被架空为代表工况进行分析。3.3.1载荷和约束的施加（1）载荷情况由于讨论的还是车辆在满载状态下发生的情况，所以在载荷施加方面沿用客车满载状态下的载荷状况。（2）约束情况由于此工况是右后轮悬空状况，所以约束前车轮左右悬挂支撑点上y、z方向的线位移，并且约束左后轮悬挂底端中点支撑点上x、y、z方向上的线位移，约束左后轮悬挂底端两侧支撑点上y方向上的线位移，客车右后轮不进行任何约束来模拟一轮悬空时的工况。（3）加载约束效果图一轮悬空加载约束效果图如图3.5。图3.5一轮悬空加载约束效果图3.3.2一轮悬空工况分析结果（1）一轮悬空工况下的变形云图如图3.6所示，通过观察该工况下客车车架的位移云图，整体上观察，车身明显绕x轴发生了一定程度的扭转，导致车辆的最大位移点由正常满载工况下的车骨架正后部向车骨架右端进行偏移，最大位移量也有明显增加为44.41mm。(a)一轮悬空变形轴测图(b)一轮悬空变形俯视图图3.6一轮悬空工况下的变形云图（2）一轮悬空工况下的应力云图如图3.7所示，通过观察该工况下的应力云图，应力主要分布于车底架靠近左后轮悬挂支撑点的区域，最大应力为199.39Mpa较满载情况下应力有所增加，但仍小于该工况下的许用应力230Mpa，所以在一轮悬空工况下车身结构满足强度需求，此外后电池支撑架以及客车中段应力分布较小。图3.7一轮悬空工况下的应力云图3.3.3一轮悬空工况结果分析通过观察在一轮悬空工况下的应力云图，相较于满载工况下的应力云图，最大应力有所增加，并出现在车底架靠近左后轮悬挂支撑点的区域，在优化过程中可能会需要加强此区域的强度，另外车架后电池支撑架以及车底架中段和前段阈值较大，均有比较大的优化空间。3.4急制动工况分析急制动工况是指客车在正常行驶途中，遇到突发情况时而采取紧急制动的情况，此时客车除了受到和满载工况下相同的载荷外，还受到纵向的惯性力作用，由于受力状况改变，所以需要对该工况下进行静力学分析。3.4.1载荷和约束的施加（1）载荷情况在同满载工况下的加载状况的基础上，再在车骨架纵向施加一个大小为0.7g，以车头朝向为正向，方向向后的惯性力。如图3.8。图3.8纵向惯性力（2）约束情况约束前车轮左右悬挂支撑点上x、y、z方向的线位移，并且约束两后轮悬挂底部中点支撑点上y、z方向上的线位移，约束两后轮悬挂底部两侧y方向上线位移。（3）加载约束效果图急制动加载约束效果图如图3.9。图3.9急制动加载约束效果图3.4.2急制动工况分析结果（1）急制动工况下的变形云图如图3.10所示，位移最大处出现在车架后端，最大位移量为5.38mm。图3.10急制动工况下的变形云图（2）急制动工况下的应力云图如图3.11所示，应力最大处出现在车底架后轮悬挂前支撑点附近，最大应力为97.28Mpa，小于该工况下的许用应力230Mpa，另外车底架中段也有部分应力分布。后端电池支架以及顶棚所受应力较小。图3.11急制动工况下的应力云图3.4.3急制动工况结果分析通过施加纵向惯性力的方法来模拟实际客车急制动工况，从分析结果可以看出，车身骨架有整体向前倾的趋势，并且最大应力处也随工况的不同而出现在不同位置，最大应力满足强度要求。虽然应力最大处出现在车底架后轮悬挂前支撑点附近，但其最大应力满足结构的强度需求，车架顶棚以及后端电池支撑架分布应力较小，有较大的优化空间。3.5急转弯工况分析急转弯工况是指在客车在较高速度行驶过程中进行转弯的情况，本此分析以客车左急转弯为例，在载荷分布方面，相比于满载工况，还需施加一个横向的惯性力，用来模拟客车在实际工况中所受到的向心加速度。3.5.1载荷和约束的施加（1）载荷情况在同满载工况下的加载状况的基础上，再在车骨架横向施加一个大小为0.4g的惯性力如图3.12所示。图3.12横向惯性力（2）约束情况约束前车轮左悬挂支撑点上x、z方向的线位移，约束前车轮右悬挂支撑点上x、y、z方向的线位移；并且约束左后轮悬挂底端中点上z方向上的线位移，约束右后轮悬挂底端中点上y、z方向上的线位移，约束右后轮悬挂底端两侧上y方向上的线位移。（3）加载约束效果图急转弯加载约束效果图如图3.13。图3.13急转弯加载约束效果图3.5.2急转弯工况分析结果（1）急转弯工况下的变形云图如图3.14所示，各部分位移状况符合实际情况。最大位移出现在车顶棚右后端，最大位移为10.12mm，车架整体有向右倾趋势。（a）急转弯工况下的变形轴测图(b)急转弯工况下的变形俯视图图3.14急转弯工况下的变形云图（2）急转弯工况下的应力云图如图3.8所示，最大应力发生在车架右后轮悬架支撑点附近，通过观察应力云图其最大应力为155.25Mpa，小于许用应力230Mpa，说明该工况下的最大应力满足结构强度要求，并且左右围下端也有应力分布。根据应力分布图可知车底架中、后段应力较小。图3.8急转弯工况下的应力云图3.5.3急转弯工况结果分析通过观察应力分布云图，不难发现最大应力仍出现在车架后轮悬架支撑点附近，但均满足车架结构的强度需求。在该工况下车底架中段以及后段的应力较小，有较大的优化空间，以达到轻量化的目的。3.6四种工况结果对比根据以上四种工况下的静力学分析结果，归纳以上数据如下表3.2。表3.2四种工况下各种参数对比表参数工况最大位移（mm）最大应力（Mpa）安全系数满载8.2098.593.50一轮悬空44．41199.391.73急制动5.3897.283.55急转弯10.12155.252.22通过上表对比观察，在四种工况下的安全系数均大于1.5，说明该结构满足了结构的强度要求。其中对比最大应力一轮悬空工况时应力最大，且最大应力出现在后轮悬挂支撑点附近，同样其他三种工况最大应力点均出现在后轮悬挂支撑点附近，所以在进行优化时，需对此处区域进行保留或者加固处理以保证车身安全性能。3.7本章小结本章主要讨论了客车车骨架是否安全的评判标准，并且通过有限元分析软件ANSYS，分析了该新能源客车车架在四种常见工况下的位移分布以及应力分布情况，通过比较四种工况下的最大位移以及最大应力情况得出以下结论：（1）原车架结构以及材料的选用完全满足车身的强度要求最大应力为199.39Mpa,小于结构的许用应力230Mpa。（2）在满载、急制动以及急转弯工况下的安全系数远大于额定安全系数。（3）通过观察四种工况下的应力分布云图，找出了各自工况下应力较小以及较大的部分，为后续的优化工作指明道路。第4章新能源客车车骨架的模态分析车辆在实际路面行驶过程中，不仅会受到多种形式的静力载荷，还会受到来自实际路况不平整路面的激励，从而产生震动，进而影响车身结构的稳定性，降低车身结构寿命，影响乘客乘坐体验。模态分析作为一种动力学分析，主要用于研究结构的震动特性，即构建的固有频率及振型[20]。所以在车辆的研发以及后期优化方面，都需要对车身结构进行静力学以及模态两方面的分析，如此才能够设计出更加安全可靠的车身结构，既提高了乘客的乘坐体验，同时也保证了乘客的安全。因此对新能源客车车架进行模态分析也是车身优化的重要一环。4.1模态分析理论模态分析理论以震动理论为基础[21]，其动力学问题的微分平衡方程表示为公式（4.1）：Mxt+式中：M——物体的质量矩阵；C——阻尼矩阵；K——刚度矩阵；xt——系统位移相应向量f(t)——外部激励向量。研究无阻尼时的自由模态振动情况，令式（4.1）中的f(t)=0，从而得到式（4.2Mxt+对于线性系统来说，结构的自由振动为简谐振动，其位移是正弦函数如下式（4.3）：xt=A式中：A——节点的振幅向量；t——时间变量；ω——结构的固有频率；φ——相位角。将式（4.3）代入式（4.2）中可得式（4.4）：K−ω2求解式（4.4）令前一项为零，得到式（4.5）：K−ω2式（4.5）称为结构系统的频率方程，进一步求解式（4.5）便可得到方程的n个特征值ωi2i=1，2，……n0<ω12所求得的根ωi就是系统的i阶固有圆频率，即结构自振，再通过公式（4.7）即可求出结构的固有频率ffi=ω继续代入求解得式（4.8）KAi=式中：Ai——系统整体的振幅向量综上，与ωi对应的特征向量Ai就是我们要求解得结构系统的第i阶固有模态振型[4.2客车车骨架模态分析本次模态分析使用ANSYS内部的模态分析模块，通常低阶频率和振型对结构振动特性得影响起主导作用，在模态分析计算时多数情况下提取低阶频率和振型来对车身骨架振动特性进行分析[23]。所以本次分析内容选取此客车骨架的前8阶模态进行讨论4.2.1客车车骨架模态分析结果此次模态分析的加载和约束条件参照最普遍的满载工况进行施加，结果如图4.1至4.8。图4.1一阶振型图图4.2二阶振型图图4.3三阶振型图图4.4四阶振型图图4.5五阶振型图图4.6六阶振型图图4.7七阶振型图图4.8八阶振型图该新能源客车车身骨架的各阶频率和振型特点如表4.1表4.1前八阶振型频率以及振型特征表阶数频率（Hz）最大变形量（mm）振型特征14.7201.754车身骨架绕x轴扭转24.8371.695车身骨架绕y轴扭转36.2542.025车身骨架绕x轴与z轴扭转411.3941.721绕z轴弯折轴处于骨架中段511.4621.516车身向后摆动613.1732.239绕z轴弯折轴处于骨架中段713.2641.953车身骨架绕x轴与z轴扭转814.9612.962车身骨架主要绕x轴扭转4.2.2客车车骨架模态结果分析根据客车车架前8阶模态分析，最后得出结论发现该客车车架的固有频率在4.674Hz~16.772Hz之间，而判断一辆客车正常行驶在路面上是否会出现共振造成巨大损失，通常是由路面对车身结构的激励f0所决定的，f0通过式（4f0=v式中：v——客车行驶速度km/h；λ——路面不平整度波长m；通过查阅相关资料，高速公路和铺设良好的城市道路，其路面不平整度波长在6至8米之间[24]，此客车最高时速60km/h，所以通过式（4.9）可以推算出路面激励频率为2.78Hz，通过比较客车固有频率以及路面激励频率，可以判断出该客车骨架结构在正常行驶工况下不会产生共振现象。因此该设计符合客车设计要求。4.3本章小结本章在新能源客车静力学分析的基础上，介绍了模态分析的重要性，并且对该客车车骨架进行了在满载工况下的模态分析，通过ANSYS中的模态分析模块得出了该车骨架的前八阶模态，本章主要成果如下。（1）介绍了模态分析理论以及模态分析对于车辆设计和优化的重要性。（2）通过ANSYS内部的模态分析模块，分析了该车骨架有限元模型在满载工况下的前八阶模态振型云图，简述了每一阶的固有频率、最大位移量以及振型特征。（3）通过客车以及路面的各项参数计算得出了路面激励频率为2.78Hz，并将其与客车车骨架的固有频率进行对比后，发现该客车在正常路面行驶情况下不会发生共振现象，满足车辆设计要求。第5章新能源大客车车架拓扑优化5.1拓扑优化简介拓扑优化是在给性的设计空间区域内通过最优化算法，来找到最优的材料分布，以实现最优力学性能和最省材料分布的结构优化设计[25]，设计人员可以通过参考拓扑优化结果图，在已知最优方案的前提下对结构进行设计，这样大大提高了设计人员的设计效率，并且提高了设计质量。拓扑优化可以在产品设计初期，没有太多设计经验的情况下，为研发人员提供参考。所以拓扑优化被广泛应用于产品的正向设计当中。5.1.1变密度拓扑优化法理论基础目前运用到拓扑优化设计中的常见方法有：均匀化法、变厚度法和变密度法等，其中变密度法是由均匀化法衍变来，变密度法相比于其他拓扑优化方法具有设计变量少、计算量小、计算效率高等优点[26]，因而应用较为广泛。变密度法通过引入可变密度材料，并且假定材料的单元密度在0-1之间进行取值，通过软件的拓扑优化求解以后，观察拓扑优化结果单位密度变化云图，其数学模型如式（5.1）Findx=x1,式中：Xi——为变量，在0和1之间取值n——设计变量个数；K——总刚度矩阵；U——结构位移向量；F——结构受到外力向量；V——结构的总体积；V∗——优化结构体积上限值由于拓扑优化设计变量较多，因此改进公式（5.1）得到式（5.2）Findρ=ρ1,式中：ρi——离散单元的相对密度N——设计变量个数；v——结构体积；v0——优化后结构体积上限值其中若单元密度为0，则表示该部分区域对整体结构性能没有影响，所以在之后的设计当中可考虑对该部分材料进行去除；若区域内单元密度为1，则表示该部分区域对整体结构性能有很大影响，所以在设计优化当中需要保留该区域内的材料。本次车架的拓扑优化使用的是ANSYS经典的拓扑优化模块，该软件的拓扑优化方法采用的即是变密度方法。5.1.2ANSYS拓扑优化基本流程对于ANSYS软件而言，在进行拓扑优化前首先需要明确一下步骤：（1）定义需要求解的结构：建立所需要进行优化的模型，其次定义该模型的物理特性，比如材料参数等。（2）选择单元类型：ANSYS中可以用作拓扑优化的单元类型有5种，包括平面的PLANE82单元、PLANE183单元；实体的SOLID92单元、SOLID95单元；还有壳的SHELL93单元。在拓扑优化分析前，需要根据模型的性质选择合适的单元类型。（3）指定优化区域：在ANSYS中拓扑优化中，只对单元类型编号为1的单元进行优化分析，所以在划分优化区域与非优化区域时，需要将优化区域的单元类型首先定义。（4）定义载荷步：在优化分析前需要定义所需要应用的工况类型，也就是载荷步，通过载荷步来模拟每种工况的结构受力情况，进而对优化内容进行约束。使优化结果是满足各个工况下的最优结构。（5）定义和控制优化过程可分为一下4个步骤。eq\o\ac(○,1)定义优化函数；eq\o\ac(○,2)定义优化目标或者约束条件；eq\o\ac(○,3)初始化优化过程；eq\o\ac(○,4)执行计算。其拓扑优化基本流程图如图5.1。图5.1ANSYS拓扑优化基本流程图5.2新能源大客车车架拓扑优化本次优化设计的目标是通过ANSYS拓扑优化模块对客车车架进行轻量化设计，并以其为主要任务，以优化结构力学性能为辅。在满足客车车架结构强度的前提下，尽可能地减轻车架重量，从而提高车辆续航里程，实现节能减排，变相提高载客量。考虑到计算机能力受限，本次优化将参考第3章车架静力学分析结果，选择合适的拓扑优化区域进行分段拓扑优化。最后根据各区域的拓扑优化变密度云图来对车架原始结构进行合理改变，再通过对新车架的静力学以及模态分析来与原始数据进行比较，判断是否达到合理优化目的，若达到则完成优化；若达不到，则继续对车架结构进行改进，知道达到优化目的为止。5.2.1根据有限元分析结果确定优化区域根据第3章有限元静力学分析结果，通过该大客车车架在四种常见工况下的应力分布云图，比较以及总结得到以下结论：（1）车架应力最大处会出现在车后轮空气悬架两侧与车架的支撑点处，以及前轮空气悬架支撑点附近，但在四种工况下这些区域的最大应力均小于材料的屈服极限，并且其安全系数均满足设计要求，所以在优化过程中可以对这些部分的结构进行保留。（2）车架应力主要集中在客车车轮前后轮悬架支撑点附近，以及在一轮悬空和急转弯工况下左右围部分。所以车架的底架中段底部、底架中段顶部、后端电池支撑架和车顶棚支架均有较大的优化空间。为了在保证车身性能的前提下，尽可能实现车架轻量化的要求，本次优化将会对上述结论中有较大优化空间的区域进行分区拓扑优化设计，减少一些不必要钢材的用量，来满足轻量化设计要求。5.2.2客车底架中段底部区域拓扑优化本次优化设计是通过ANSYS拓扑优化模块进行的，在进行拓扑求解之前首先需要修改原大客车车架模型结构使之成为适合于拓扑优化的结构。（1）填充客车底架中段结构为了方便大客车车架进行拓扑优化，首先要对需要进行优化的区域的除主要横梁结构进行删减，再通过面对挖空的区域进行填充，在有限元模型建立之前使用PLANE82单元类型对此区域的填充面进行单元定义，使之成为优化区域，方便之后拓扑优化求解。删减与填充后的车架有限元模型如图5.2。图5.2客车底架中段底部填充后有限元模型（2）定义载荷步本次拓扑优化设计载荷步设置考虑到在实际工况中以满载工况，一轮悬空工况以及急制动工况最为常见，其次考虑到提高拓扑优化效率，所以将载荷步设置为以上三种工况下进行模拟，其中一轮悬空工况是指车架在扭转过程中的情况，所以分别以左后轮悬空和右后轮悬空作为代表。通过以上分析总结出本次所有拓扑优化分析的载荷步均是在满载工况载荷与约束、左后轮悬空时载荷与约束、右后轮悬空时载荷与约束和急制动时四种载荷步之下进行的，三种工况下的载荷与约束沿用第3章静力学分析时的命令流，每个工况下载荷与约束定义完成后需要通过LSWRITE命令来记录一次载荷步后进行清空其命令流如图5.3。图5.3记录载荷步1与清空命令流示意图（3）定义优化过程对于拓扑有化而言，其总是在给定的约束和目标下进行的。首先需要定义目标函数，本次优化是在静力学分析的基础上进行的，所以需要使用TOCOMP命令对其进行目标函数定义，定义内容为在4个载荷步下的结构优化类型。其次需要定义优化目标和约束条件，本次拓扑优化目的是为了减少结构重量，实现轻量化的目的，所以需要使用体积优化TOVAR命令定义优化目标。考虑到此客车车架均有杆件焊接而成，所以以70%的体积减少百分数来作为拓扑优化约束条件。最后以TOTYPE命令来进行拓扑优化前的初始化，要求仅仅以体积作为约束条件。使用TODEF命令来进行收敛精度的调整，使用默认值即可。定义优化过程命令流如图5.4。图5.4定义优化过程命令流（4）确定迭代次数一般拓扑优化迭代次数以10~15次为宜，迭代次数过少与迭代次数过多均会导致拓扑优化结果的混乱。所以通过优化面积大小、单元网格划分密度和计算机运算能力等各方面因素综合考虑，大客车车底架中段电池支架区域采用12次迭代次数进行拓扑优化（5）拓扑优化结果根据以上拓扑优化前的操作，进行必要的参数设定后，对大客车车底架中段电池支架区域进行拓扑优化，优化后变密度拓扑优化云图如图5.5。根据变密度云图结果来对结构进行改进，其中红色部分为密度为1的材料区域，在改进过程中需要对该部分材料进行保留；蓝色区域为材料密度为0的区域，在改进过程中需要对该部分材料进行去除，深蓝色条状部分为保留的横梁部分。改进使用40×40×2mm的方钢进行填充，改进后结构图如图5.6。图5.5客车底架中段底部变密度拓扑优化云图图5.6客车底架中段底部区域改进后的结构图5.2.3客车底架中段顶部区域拓扑优化客车底架中段顶部区域拓扑优化步骤同上，首先对除主要横梁以外的梁进行去除，再对空白区域通过面进行填充，其填充后有限元模型如图5.7。图5.7客车底架中段顶部区域填充图其载荷步同样也是在满载工况载荷与约束、左后轮悬空时载荷与约束、右后轮悬空时载荷与约束和急制动时四种载荷步之下进行的，优化过程定义也接着沿用之前的拓扑优化命令。迭代次数考虑到此区域优化面积较小，为提高优化效率，所以选择10次进行迭代。其迭代后变密度拓扑优化云图如图5.8，根据变密度云图同样采用40×40×2mm的方钢进行填充，其改进后的客车底架中段顶部区域结构图如图5.9。图5.8客车底架中段顶部变密度拓扑优化云图图5.9客车底架中段顶部区域改进后的结构图5.2.4客车底架后段电池支撑架区域拓扑优化由于车架后端电池支撑架部分分为三层，所以需要对每一层进行面填充以及拓扑优化，不难猜想每层拓扑优化结果都不相同，为了方便后期车架加工，在进行结构修改时需参照每层的拓扑优化结构来进行折中，设计一个较为折中的统一结构，这样有利于后期车架的加工，简化了工作量。车架后端电池支撑架拓扑优化步骤同上，首先对除主要横梁以外的梁进行去除，再对空白区域通过面进行填充，其填充后有限元模型如图5.10。图5.10车架后端电池支撑架区域填充图其载荷步同样也是前面分析的四种载荷步，优化过程定义也接着沿用之前的拓扑优化命令。迭代次数考虑到此区域优化面积小，但优化区域数量多，为提高优化精度，所以选择15次进行迭代。其迭代后变密度拓扑优化云图如图5.11，根据变密度云图对原结构进行删减，其改进后的结构图如图5.12。(a)最上层支撑架(b)中间层支撑架(c)最下层支撑架图5.11车架后端电池支撑架变密度拓扑优化云图图5.12车架后端电池支撑架改进后的结构图5.2.5客车顶棚区域拓扑优化客车顶棚区域在进行填充过程中需要对车顶的天窗部分进行预留，车架顶棚的拓扑优化步骤同上，首先对除主要横梁以外的梁进行去除，再对空白区域通过面进行填充，其填充后有限元模型如图5.13图5.13客车顶棚填充图其载荷步为前面分析的四种载荷步，优化过程定义也接着沿用之前的拓扑优化命令。迭代次数考虑到此区域优化面积大，为提高优化精度，所以选择15次进行迭代。其迭代后变密度拓扑优化云图如图5.14，根据变密度云图对原结构进行删减，其改进后的结构图如图5.15。图5.14车顶变密度拓扑优化云图图5.15车顶改进后的结构图5.3新大客车车架有限元分析根据各部分优化结果，优化后的车架整体三维模型图如图5.16，对优化后的车架进行在与原车架分析相同的四种工况下的静力学分析以及模态分析，其分析所用的命令流沿用原车架分析时的命令流。图5.16拓扑优化后大客车三维模型图5.3.1优化后客车车架静力学分析由于新车架相较于原车架，分析步骤没有发生变化，所以对新客车车架进行静力学分析时可沿用原车架静力学分析时所用到的命令流。其中分析过程基本重复，本次静力学分析不再做介绍，以下是新客车车架在四种工况下的位移以及应力分布云图。满载工况时如图5.17，一轮悬空工况时如图5.18，急制动工况时如图5.19，急转弯工况时如图5.20。(a)满载工况新车架位移云图(b)满载工况新车架应力云图图5.17满载工况下新客车车架位移以及应力分布云图(a)一轮悬空工况新车架位移云图(b)一轮悬空工况新车架应力云图图5.18一轮悬空工况下新客车车架位移以及应力分布云图(a)急制动工况新车架位移云图(b)急制动工况新车架应力云图图5.19急制动工况下新客车车架位移以及应力分布云图(a)急转弯工况新车架位移云图(b)急转弯工况新车架应力云图图5.20急转弯工况下新客车车架位移以及应力分布云图观察以上四种工况下的位移云图以及应力云图可以发现：（1）新车架在满载工况下，其最大位移发生在车架后端，最大位移为7.16mm；最大应力为89.82Mpa，最大应力小于该结构的许用应力230Mpa，满足设计要求。最大应力发生在左后轮悬挂支撑点处。（2）在一轮悬空工况下，其最大位移发生在车架右后端最大位移为36.00mm；结构发生扭转，最大应力为176.96Mpa，同样出现在左后轮悬挂支撑点处，仍小于该结构的许用应力230Mpa。（3）在急制动工况下，其最大位移发生在车架后端最大位移为4.70mm；最大应力为87.36Mpa，发生在右后轮悬挂支撑点处，小于该结构的许用应力230Mpa，满足结构强度需求。（4）在急转弯工况下，其最大位移发生在车架右后端最大位移为9.57mm；最大应力为147.55Mpa，仍小于该结构的许用应力230Mpa，最大应力发生在右后轮悬挂支撑点处。通过以上四种工况下新客车车架的静力学分析，统计其最大位移以及最大应力，发现四种工况下的最大应力均满足设计要求，说明改进后的车架结构强度满足设计要求，总结于表5.1。表5.1新车架四种工况下各种参数对比表参数工况最大位移（mm）最大应力（Mpa）安全系数满载7.1689.823.84一轮悬空36.00176.961.95急制动4.7087.363.95急转弯9.57147.552.345.3.1优化后客车车架模态分析新客车车架的模态分析仍然是在满载工况下进行的，其加载方法沿用分析原车架时的命令流，对新客车车架也进行八阶的模态分析，查看新车架的固有频率，分析结果如图5.21至图5.28。图5.21新车架一阶振型图图5.22新车架二阶振型图图5.23新车架三阶振型图图5.24新车架四阶振型图图5.25新车架五阶振型图图5.26新车架六阶振型图图5.27新车架七阶振型图图5.28新车架八阶振型图根据新车架前八阶振型图其各阶固有频率和振型特点如表5.2。表5.2新车架前八阶振型频率以及振型特征表阶数频率（Hz）最大变形量（mm）振型特征14.4191.706车身骨架绕x轴扭转24.9951.749车身骨架绕y轴扭转36.3712.148车身骨架绕x轴与z轴扭转410.9051.719绕z轴弯折轴处于骨架中段512.7941.627车身向后摆动613.2042.460绕z轴弯折轴处于骨架中段713.7022.287车身骨架绕x轴与z轴扭转815.2503.058车身骨架主要绕x轴扭转通过第4章得到的路面激励频率结果2.78Hz，可以判断出新客车车架正常行驶不会发生共振现象，满足客车的设计要求。5.4车架拓扑优化前后性能对比通过对比车架优化前与优化后的力学性能，可以更直观的判断改进后的客车车架是否达到了优化目的。5.4.1客车车架力学性能变化重构前后客车车架的最大变形、最大应力和安全系数变化情况如表5.3。表5.3新能源客车车架重构前后静力学性能变化情况工况最大变形（mm）最大应力(Mpa)安全系数重构前重构后重构前重构后重构前重构后满载8.207.1698.5989.823.503.84一轮悬空44.4136.00199.39176.961.731.95急制动5.384.7097.2887.363.553.95急刹车10.129.57155.25147.552.222.34根据表5.3可以看出，在客车车架进行拓扑优化后其在各个工况下的最大应力都有所减少，其中在一轮悬空工况下下降比率最大，最大下降了11.25%。而且对比最大变形量，优化后的最大变形量也均有所减少。通过最大变形于最大应力之间的对比，可以发现优化后的客车车架相较于原车架，其静力学性能均得到了优化，达到了优化结构性能的目的。5.4.2客车车架动态性能变化通过表4.1与表5.2，总结出新车架与原车架频率对比图如图5.29图5.29新车架与原车架频率对比图

由图5.29可以判断出优化前后车架的频率变化不大，都具有良好的动态性能。5.4.3客车车架质量变化观察ANSYS后台处理文件，得到优化前后客车车架质量如表5.3，其中优化前车架总质量换算成国际单位制为1543.7kg；而优化后车架总质量为1482.5kg，质量相较于优化前减少了61.2kg，减重率达到了3.96%。说明本次优化不但较少了客车车架质量，而且还改善了其力学性能，达到了优化目的。表5.3优化前后客车车架总质量项目总质量（kg）优化前1543.7优化后1482.55.5本章小结本章通过ANSYS软件的拓扑优化模块，分别对客车的车底架中段底部、车底架中段顶部、后端电池支撑架和车顶棚支架这四部分区域进行了四种载荷步下的以减少体积70%为目标的拓扑优化，成果如下。（1）优化后的客车车架在四种工况下的静力学性能均有所提升，如结构的最大应力均有所减少，最大下降了11.25%；并且最大位移量也均有减少，安全系数得到了提高，在满足车架强度要求的前提下，使得车架静力学性能得到了优化，达到了优化目的。（2）优化后的客车车架同样具有良好的动力学性能，正常行驶状态下不会发生共振现象。（3）优化后的客车车架质量由原来的1543.7kg下降为1482.5kg，质量减少了61.2kg，减重率达到了3.96%，达到了车身轻量化的目的。通过本次拓扑优化对客车车架进行结构优化，最终不但达到了轻量化设计目标，并且同时改善了车架的力学性能，以实际数据验证了优化的可行性。第6章总结与展望6.1总结本文通过ANSYS有限元软件对某电动客车车架进行了静力学分析以及模态分析，在原有客车车架模型的基础上，通过有限元分析结果，找到合适的优化区域，运用ANSYS软件内部拓扑优化模块对该部分区域进行了拓扑优化，并根据拓扑优化结果在原车架整体模型的基础上加以优化，最后实现了轻量化的同时改善结构力学性能的目的。研究成果如下：（1）在简化模型的基础上，利用ANSYS软件通过APDL命令流对客车车架进行了三维建模、定义材料、定义截面、定义单元、划分网格等操作，逐步完成了客车车架有限元模型的建立，为之后的力学分析打下基础。（2）在客车车架有限元模型的基础上通过APDL命令流对有限元模型进行载荷与约束的加载，对客车车架进行在常见的四种工况下包括满载工况、一轮悬空工况、急制动工况以及急刹车工况的静力学分析，通过观察分析结构位移与应力云图来判断该客车车架满足了结构强度要求，找出了适合进行拓扑优化的区域，为之后的拓扑优化提供了分析依据。（3）在客车车架限元模型的基础上，进行了在满载工况下的模态分析，得到了该车架的前8阶的频率，通过观察频率表以及计算处路面激励频率，判断出该车架具有较为良好的动态性能，正常行驶过程中不会发生共振现象。（4）利用ANSYS拓扑优化模块在现有结论的基础上进行了拓扑优化，通过APDL命令流操作对车架底架中段底部、车底架中段顶部、后端电池支撑架和车顶棚支架这四部分区域在4种载荷步下进行了拓扑优化，并根据拓扑优化变密度云图设计了合理的车架布局。（5）再次对改进后的车架进行了力学分析，通过分析结果与原车架结果对比后，新车架在轻量化的同时力学性能也得到了提升，均满足设计要求，验证了本次优化的可行性，最终客车车架质量由原来的1543.7kg下降为1482.5kg，质量减少了61.2kg，减重率达到了3.96%。6.2展望虽然本次优化设计最终达到了优化目标，但在本次优化过程当中也发