纯电动城市客车车身轻量化研究毕业论文 - 图文

纯电动城市客车车身轻量化研究毕业论文

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纯电动城市客车车身轻量化研究

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1/10[1]。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1.1～1.3

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kW·h/km（夏季开空调时能耗为1.3～1.5 kW·h/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220～300 kW·h，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80～100 kW·h/kg 范围内[5]，需装载动力电池质量达2.2～3.3 t，致使传统钢结构车身的整车整备质量达到14～15 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40～65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

总质量/kg 外部尺寸/mm 整备质量/kg 额定载客人数/ 甲厂车多载客30 人 在实际线路上最大续驶里程/km

对比结果及分析 均为双轴、18 t 级、12 18 000 18 000 m纯电动城市客车，属同一重量级 甲厂车采用铝合金车12 000×2 530×3 250 12 000×2 550×3 165 身，自重轻1.9 t，充分体现了铝合金车身的优12 000 13 950 势 92 80 220 62 70 95 甲厂车多载客30 人 乙厂的车因额定载客量过小，超载运行严重，致使能耗较大 3

甲厂的电动客车 乙厂的电动客车 纯电动城市客车车身轻量化研究

类型相同，其能量密度、寿命等应无太大差别 类型 磷酸铁锂 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 180 个单体组串联而成总电压/ 容量：576V/400Ah 230 2.3 磷酸铁锂 单体 单片3.2V/15Ah，15 个单片并联为一个单体3.2V/255Ah 170 个单体串联而成总电压/ 容量：544V/255Ah 139 1.6 电池 系统 电池组 总能量/（kW·h） 电池组质量/t 电池价格估算/ 万元（人民币） 甲厂车多运载电能91 kW·h 电池价格按行业2 600~2 700 元/ kW·h计算，甲厂车单车电池费用要多出约24万元 60 36

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；1985~1995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750~850KG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895~990KG。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2012～2016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

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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

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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。

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(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。

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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

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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：

{ f} = [N]{δ}e （2.1）

式中{ f} 为单元内任一点的位移列阵；{δ}e为单元的节点位移列阵； [N]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：

? ?? ? ?B????e （2.2）

式中{ ε}是单元内任一点的应变列阵，?B?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：

{ σ} = [D][B]{δ}e （2.3）

式中{ ζ} 是单元内任一点的应力列阵； [D]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：

式中 [K]称为单元刚度矩阵，可以导得：

? R? e? ?K??δ?e （2.4）

T?k????B?4．等效节点力的计算

??D???B?dxdydz （2.5）

上式的积分应遍及整个单元的体积。

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 {δ}表示的整个结构的平衡方程为：

?K??????R? （2.6）

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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.Patran

MSC.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

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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：

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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.Patran

2.3 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]：

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