某混合动力客车车身结构动力响应特性分析

顾力强 周 莉

（上海交通大学 机械与动力工程学院，上海200240）

前言

混合动力客车在行驶过程中，车身的载荷工况复杂而恶劣。由于其动力电池包常布置于车顶，因此感受到车身传递的振动和冲击等因素影响比较强烈。车身振动激励来自于外界使用环境，如地面凹凸不平、起伏扭曲；也包括车辆本体，如发动机颤动、车辆加速、制动、转弯所产生的某种激励。振动激励通过悬架系统、传动系统、车身等传递到动力电池包。张立军等［1］概述了电动汽车动力电池包的结构特性和振动环境，总结了目前各个国家及地区设计动力电池振动与冲击的标准法规。陶银鹏等［2］利用CAE分析软件以某款纯电动汽车的两个分电池为原型，从模态分析、静态分析和动态分析等方面对电池包结构进行分析，并根据分析结果对电池包结构设计存在的问题进行了改进。

目前有限元法已成为汽车设计与研究中的一个不可或缺的重要手段。国外各大汽车公司利用有限元软件进行车身结构分析的技术已非常成熟，其工作重心已转向瞬态响应分析、噪声分析、碰撞分析等领域。特别是随机激励响应分析备受青睐，可用来进行车辆的强度、刚度、振动舒适性和噪声等方面的分析。鉴于目前针对整车随机振动分析及瞬态响应分析的研究较少，而且对动力电池包的机械力学性能，包括抗振性和冲击性能尚未给予足够的重视。因此，在车身结构设计中进行动态响应特性研究具有重要的现实意义。

1 有限元模型的建立

为了缩短建立模型的时间，降低模型的难度和减少计算量，有限元模型的建立往往需要对实物进行适当的简化处理，而为了保证计算的准确性，必须对实物的结构、力学特性进行研究分析，在尽可能如实反映客车车身结构主要力学特性的前提下，尽量简化车身骨架结构的几何模型。

1.1 单元的选择

客车车身可视为一种复杂的空间薄壁杆件结构。其中的绝大多数杆件是闭口薄壁方管，在车身结构中起到空间梁的作用，可以利用梁单元来建立骨架的有限元模型。

客车车架为载荷的主要承担者，整体结构较为复杂，其承受的载荷大，应力状况复杂，包括拉压、弯曲和扭转等多种形式，是应力集中最为严重的部件，为了尽量准确的模拟实际结构的应力变形情况，采用壳单元建立车架模型。

1.2 空气悬架系统的模拟

本课题研究的车型采用的是空气悬架系统。对空气悬架采用等效计算模型，将前悬架模拟成两个竖放的弹簧和一根刚度很大的梁，将后悬模拟为四个竖放的弹簧支撑在由一根大刚度梁和两根扁梁组成的结构上。大刚度梁单元主要实现两侧弹簧的连接，它承载时变形极小，不致影响弹簧单元的计算。空气弹簧悬架系统中，由于四连杆导向机构的作用，可忽略其侧向和纵向的柔性，只考虑垂直刚度。并且，实际作用的弹簧只有轴向自由度，所以选择Combin14模拟轴向弹簧－阻尼器。由于轮胎刚度相对较大，因此忽略它对结构分析的影响。

1.3 动力电池组结构模型

混合动力客车采用磷酸铁锂功率型动力电池，每30个电池单体组成一个模块，每个电池包的梁结构框架内固定有5个电池组模块。共有5个相同的电池包分别采用螺栓连接的方式固定在车顶的相应位置。因此，有限元模型采用梁单元建立电池包框架结构，直接将电池包模型建立在车顶之上与客车车顶模型合为一体。在每个电池模块质心处添加集中质量并与电池包框架刚性连接，电池包与车顶纵梁的连接则采用节点耦合的方式模拟。

图1 车载动力电池包Fig.1 Power battery packs on the bus

1.4 材料属性的确定

材料属性的定义包括材料特性、密度等基本参数。本论文研究的客车车身骨架主要使用的是各向同性材Q235和16Mn钢（用于车架），其材料参数如下表所示。

表2.1 材料参数

1.5 载荷处理

客车车身承受载荷的模拟，直接关系到计算结果的真实性。将满载时的载荷包括车身骨架和底架的自重、客车上各总成和设备的重力、乘客的重力等作用于车身结构；电池箱、电机、变速箱、空调等总成的质量，根据其质心的位置以及与车身骨架之间的连接部位平均分配到相应的支撑节点上，成为这些节点上的集中质量载荷。

1.6 有限元模型

计算模型进行了适当的简化和处理，主要包括由壳单元模拟的车架和梁单元车身骨架。有限元模型如图2所示。

图2 混合动力电动客车有限元模型Fig.2 FEM model for the HEV bus

2 道路行驶随机振动响应分析

随机振动分析也称功率谱密度分析（Power Spectrum Density，简称PSD），是谱分析的一种。谱是指谱值与频率的关系，它表征时间历程载荷的强度和频率特征。对该客车进行随机振动分析可得到车身在给定的载荷谱下，发生强迫振动的位移和加速度响应。

本文分析客车以70km／h的速度行驶在混凝土路（B级）和以40km／h的速度行驶在碎石路（D级）两种行驶工况的路面响应。根据GB7031—86得到谱密度值如表1所示。在输入路面不平度响应时，近似地在四个车轮输入相同的路面谱。

表1 空间频率功率谱密度表

在车辆的应用中，需要先将空间频率功率谱密度换算为时间频率功率谱密度。根据经验值，路面功率谱经过悬架只有约30%传递到车架支撑点［3］，因此可折算出等效的时间功率谱密度，从而可在随机振动分析过程中忽略空气弹簧悬架，简化计算。

对客车以70km／h在沥青路面（B级路面）上的行驶工况进行随机响应特性分析，对车架弹簧支撑点输入时间频率功率谱密度，进行随机振动分析计算，得到车身骨架的1σ位移和加速度分布如图3～6所示。

图4 车身骨架随机振动加速度分布Fig.4 Acceleration of the body frame random vibration

由上图分析结果可知，在B级路线行驶时车顶在空调安装处和前风窗框处振幅最大。电池包底架结构的位移和加速分布如下：

图5 电池包随机振动位移分布Fig.5 Deformation of the battery packs under random vibration

图6 电池包随机振动加速度分布Fig.6 Acceleration of the battery packs under random vibration

选取电池包前部中央的79998号节点作为特征节点进行位移及加速度响应谱分析：

计算表明，特征节点79998在Z向的响应谱密度明显高于另两个方向，在f＝9.456Hz时位移响应谱密度值达到最大46.2095mm2s，故仅对其Z向加速度响应谱进行分析。根据位移响应谱，由公式：

图7 特征节点的垂向位移响应谱密度Fig.7 Vertical displacement response spectrum density for featuring node

图8 特征节点的纵向位移响应谱密度Fig.8 Longitudinal displacement response spectrum density for featuring node

加速度响应谱密度：Gq¨（f）＝（2πf）4Gq（f）

计算得其垂向速度、加速度响应谱密度如下：

图9 特征节点的垂向速度响应谱密度Fig.9 Vertical speed response spectrum density for featuring node

图10 特征节点的垂向加速度响应谱密度Fig.10 Vertical acceleration response spectrum density for featuring node

特征节点79998在f＝9.4629Hz时垂向速度速度响应谱密度达到最大0.16328m2／s，在f＝9.4661Hz时加速度响应谱密度值达到最大值577.38m2／s3，说明电池包在9.46Hz附近会发生共振。由于车轮不平衡引起的激振频率一般在11 Hz以下，人体在垂直方向最敏感频率为4～12 Hz［4］，电池组的共振峰值发生频率正好处于车轮不平衡引起的激励频率和乘员振动敏感频率范围之内。这种频率上的接近可能产生两种不利的影响［5］：一方面电池组受车轮激励，易发生较大幅值的振动，导致变形和应力过大，可能使电池组之间连接或接线脱落等问题，甚至引发事故；另一方面是电池组受激励发生剧烈振动引发车顶变形加大，导致车顶骨架应力明显增大并产生噪声，恶化乘坐舒适性。

如果客车以40km／h在碎石路面（D级路面）上行驶，根据随机响应计算可知，节点79998在f＝9.5774Hz时垂向位移响应谱值达到最大398.811 mm2s，在f＝9.5813Hz时垂向速度响应谱值达到最大值1.4446m2／s，加速度响应谱在f＝9.58461 Hz达到最大值5237.0959m2／s3，说明电池包在9.58Hz附近会发生共振，与B级路面随机振动分析情况相类似，但客车在D级路面上行驶时节点79998的位移响应谱、速度响应谱和加速度响应谱的最大值比B级路面大得多，很可能使电池包振动幅值过大，导致电池包连接结构破坏、导线连接脱落等问题的发生。并且一旦发生共振时，电池包所在第一和第二个电池箱框架梁中间部分应力较大，将有可能首先遭到破坏。

根据文献［5］可知，由于螺栓连接具有较大刚度和较小阻尼，对应的位移传递函数具有较大的放大倍数，使电池组振动特性恶化，因此，在对电池包进行安装时，应该选用具有较大阻尼的连接方式，或提高电池包附近车顶梁和电池包框架的刚度，使电池包局部振动发生频率在12Hz以上。

3 路面凹凸影响分析

3.1 分析方法

汽车以某一速度驶过凸出路面或凹坑过程中，受到冲击载荷作用，这种动态激励是随时间变化的位移激励，经过轮胎、悬架和车架等部件传给车身。运用瞬态动力分析（也称时间－历程分析）方法可确定结构受随时间变化载荷作用时的动力响应，包括结构的位移、速度、加速度变化。

瞬态分析必须要考虑随时间变化载荷以及阻尼和惯性的影响。对于任意一个时刻T，瞬态动力学的方程是包含惯性力和阻尼力的静力学平衡方程：

ANSYS采用时间积分方法在离散的时间和空间网格上求解上述动力学方程。

本文采用完全法计算车身某一个时刻受到冲击载荷的瞬态响应。计算工况假设为客车以20 km／h的速度在路面上匀速行驶，突然右前轮驶过一宽度为380mm，高度80mm的梯形截面的凸出路面，驶过该障碍的时间为0.0684s，这种瞬时的路面激励作用于轮胎，通过悬架和车架传递给车身。

此种工况下，在右前轮悬架支撑点施加随时间变化的位移（如图11所示），车身主要承受的是右前轮在垂直方向上的位移变化而引起的垂向动载及由此产生的扭转载荷。

图11 右前轮垂向位移变化时间历程Fig.11 Time history of Right front wheel vertical displacement

3.2 分析结果

提取计算结果中前悬架右侧弹簧上端点和后悬架左侧前面的弹簧上端点的位移响应曲线和加速度响应曲线，如下图12、图13所示。从右前轮弹簧上端的位移－时间历程曲线可以看出，对于假设突然受到一冲击位移载荷（从10.0s时刻开始），骨架位移和加速度会在短时间内突然增加，但很快减弱，慢慢趋于平稳。

通过对车身的扭转分析，找到电池包应力集中的特征节点，故瞬态分析中提取该特征节点的垂直方向的位移（mm）和加速度（mm／s2）历程曲线如图14、15所示。

图12 右前轮弹簧上端点位移－时间历程Fig.12 displacement versus time history the spring top end on the right front wheel

图13 右前轮弹簧上端点加速度－时间历程Fig.13 acceleration versus time history of the spring top end on the right front wheel

图14 电池包特征节点垂向位移－时间历程曲线Fig.14 Featuring node vertical displacement time history

在客车突然受到冲击载荷后，车身位移和应力都急剧变化，电池包的最大应力出现在T＝10.07 s，最大应力为141.879MPa（图16），在材料许用值之内。由于冲击作用时间很短，且经过悬架和车身传递到电池包的过程中消耗了大部分能量，说明在极短时间内右前轮驶过凸出路面受到的冲击作用对电池包影响已被有效缓解。

4 结论

研究分析混合动力电动客车的结构特点，采用三维梁单元建立车身骨架模型；采用壳单元建立车架模型，并使用线性弹簧和大刚度梁近似模拟空气弹簧悬架；将电池包结构与车顶梁连接点进行位移耦合并采用质量单元模拟电池组，完成了车身结构模型。

图15 电池包特征节点垂向加速度－时间历程曲线Fig.15 Featuring node vertical acceleration time history

图16 Time＝10.07s时的电池包特征节点应力分布Fig.16 Stress of the featuring node at Time＝10.07s

对客车模型进行模态分析，在9.484Hz和10.412Hz时电池包附近局部振动幅度较大，可能引起电池组振幅较大，导致变形和应力过大。应该对电池包连接部位的车顶承载梁结构适当加强，使其固有频率在12Hz以上，且应考虑采用阻尼较大的连接方式以降低车身传递给电池包的激励。

对客车驶过一凸起路障的境况进行了瞬态冲击分析。分析结果表明，由于瞬态激励持续时间短，且经过悬架、底架及车身传递给电池包的激励可被有效缓解，在此工况下电池包结构强度在许用范围之内。

对模型进行B级路面和D级路面两种路面随机振动进行分析，选取电池包结构上的特征节点位移、速度和加速度响应谱密度曲线进行分析。两种工况下电池包结构发生共振的频率均在9.5Hz左右，B级路面响应谱值较小，但D级路面时振动较为强烈，可引起电池包结构较大振幅，从而导致发生破损和漏液等情况，且恶化乘坐舒适性，因此应避免长时间在该种路面行驶。

［1］张立军，陈华杰，刁 坤，等.电动汽车动力电池振动与冲击问题研究综述［J］.电源技术，2013，37（1）.

［2］陶银鹏，余 强，朱德祥.CAE技术在电动汽车电池包设计中的应用［R］.海马轿车有限公司电动汽车事业部.

［3］曹群豪.军用客车车身骨架结构随机振动特性与疲劳强度分析［D］.上海交通大学硕士学位论文，2007年2月.

［4］余志生.汽车理论［M］.机械工程出版社，2011第5版.

［5］赵庆敏，付艳恕.车载动力电池振动特性分析［N］.南昌大学学报（理科版），2012（8）第36卷第4期：405－408.

［6］栗艳丽，葛如海，王若平，等.客车车身结构的动应力频谱分析［N］.江苏大学学报，2003.