STYLEREF"標(biāo)題1"第1章緒論新能源大客車車架的有限元實(shí)證分析摘要隨著目前新能源大客車的逐漸普及，就以城市客車為例，電動客車的優(yōu)點(diǎn)在于零排放，行駛噪音小，節(jié)省車身空間，電動客車逐漸成為當(dāng)前政府以及租車公司應(yīng)用的首選。就電動大客車車架結(jié)構(gòu)而言，由于動力源的不同，相較于傳統(tǒng)大客車車架結(jié)構(gòu)，電動大客車的車架結(jié)構(gòu)需要大范圍調(diào)整，但目前市面上常見的電動客車車架結(jié)構(gòu)還處于在原有傳統(tǒng)客車車架結(jié)構(gòu)上加以改進(jìn)所獲得，所以對于電動客車車架結(jié)構(gòu)的可靠性以及結(jié)構(gòu)輕量化方面有必要進(jìn)行進(jìn)一步研究。本優(yōu)化根據(jù)現(xiàn)有圖紙，為了減少計(jì)算機(jī)運(yùn)算負(fù)擔(dān)進(jìn)而加快運(yùn)算時間，本優(yōu)化通過ANSYS中的梁單元進(jìn)行有限元模型的建立，對某種電動大客車車架進(jìn)行模型建立，。再通過ANSYS有限元力學(xué)分析模塊對電動客車車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行四種工況下的分析，其中包括靜止?jié)M載工況、一輪懸空工況、急轉(zhuǎn)彎工況和急制動工況的靜力學(xué)分析以及車架的動態(tài)特性分析。查看車架的變形狀況和應(yīng)力云圖進(jìn)而提出合理的車架優(yōu)化方案，對車架進(jìn)行輕量化以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化。通過對比優(yōu)化前后車架各方面參數(shù)的變化來選擇更為適合的優(yōu)化方案。利用有限元分析軟件進(jìn)行實(shí)際的工況模擬，有利于縮小實(shí)際模擬的成本，降低測試周期，達(dá)到客車輕量化和合理結(jié)構(gòu)布局的目的。關(guān)鍵詞：新能源客車車架；APDL命令流；有限元分析；模態(tài)分析；輕量化目錄摘要ABSTRACT第1章緒論 11.1研究背景及意義 11.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 21.2.1國外研究現(xiàn)狀 21.2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀 21.3主要研究內(nèi)容 3第2章新能源大客車車骨架有限元模型建立 52.1有限元法理論概述 52.1.1有限元法簡介 52.1.2有限元分析計(jì)算的基本思想 62.2新能源大客車車架有限元模型的建立 72.2.1新能源大客車三維模型的簡化 82.2.2新能源大客車三維模型的建立 82.2.3建立新能源大客車有限元模型 112.3本章小結(jié) 13第3章新能源大客車車骨架靜力學(xué)分析 153.1靜力學(xué)分析評判標(biāo)準(zhǔn) 153.2滿載工況分析 153.2.1載荷和約束的施加 153.2.2滿載工況分析結(jié)果 173.2.3滿載工況結(jié)果分析 183.3一輪懸空工況分析 183.3.1載荷和約束的施加 183.3.2一輪懸空工況分析結(jié)果 193.3.3一輪懸空工況結(jié)果分析 203.4急制動工況分析 203.4.1載荷和約束的施加 203.4.2急制動工況分析結(jié)果 213.4.3急制動工況結(jié)果分析 223.5急轉(zhuǎn)彎工況分析 223.5.1載荷和約束的施加 223.5.2急轉(zhuǎn)彎工況分析結(jié)果 233.5.3急轉(zhuǎn)彎工況結(jié)果分析 253.6四種工況結(jié)果對比 253.7本章小結(jié) 25第4章新能源客車車骨架的模態(tài)分析 274.1模態(tài)分析理論 274.2客車車骨架模態(tài)分析 284.2.1客車車骨架模態(tài)分析結(jié)果 284.2.2客車車骨架模態(tài)結(jié)果分析 304.3本章小結(jié)加數(shù)據(jù) 30第5章新能源大客車車架拓?fù)鋬?yōu)化 335.1拓?fù)鋬?yōu)化簡介 335.1.1變密度拓?fù)鋬?yōu)化法理論基礎(chǔ) 335.1.2ANSYS拓?fù)鋬?yōu)化基本流程 345.2新能源大客車車架拓?fù)鋬?yōu)化 355.2.1根據(jù)有限元分析結(jié)果確定優(yōu)化區(qū)域 355.2.2客車底架中段底部區(qū)域拓?fù)鋬?yōu)化 355.2.3客車底架中段頂部區(qū)域拓?fù)鋬?yōu)化 375.2.4客車底架后段電池支撐架區(qū)域拓?fù)鋬?yōu)化 385.2.5客車頂棚區(qū)域拓?fù)鋬?yōu)化 395.3新大客車車架有限元分析 405.3.1優(yōu)化后客車車架靜力學(xué)分析 415.3.1優(yōu)化后客車車架模態(tài)分析 435.4車架拓?fù)鋬?yōu)化前后性能對比 455.4.1客車車架力學(xué)性能變化 455.4.2客車車架動態(tài)性能變化 455.4.3客車車架質(zhì)量變化 455.5本章小結(jié) 46第6章總結(jié)與展望 476.1總結(jié) 476.2展望 47參考文獻(xiàn) 49第1章緒論1.1研究背景及意義汽車產(chǎn)業(yè)作為我國經(jīng)濟(jì)的重要產(chǎn)業(yè)，隨著在全球范圍內(nèi)汽車保有量不斷增加，我國汽車行業(yè)近幾年來也持續(xù)穩(wěn)步發(fā)展。根據(jù)公安部數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)：截至2020年底，我國機(jī)動車保有量達(dá)3.72億輛，同2019年相比增加6.9%。排除摩托車和三輪車等機(jī)動車，其中汽車保有量達(dá)2.81億輛。隨著近年來全球范圍內(nèi)各類汽車保有量的不斷增加，就以傳統(tǒng)汽油車而言，已經(jīng)造成石油天然氣等不可再生燃料大量消耗，并且燃燒燃油所排放的有害氣體以及顆粒物又使得環(huán)境問題不斷加劇。為解決傳統(tǒng)汽油車所帶來的能源消耗以及為其排放等問題，推動汽車產(chǎn)業(yè)良性發(fā)展，我國政府先后將發(fā)展新能源汽車寫進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的五年計(jì)劃，目的是為了用新能源汽車來逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)汽油車汽車來解決以上問題。而電動車因其構(gòu)造簡單、零排放以及造價(jià)低等優(yōu)勢，被認(rèn)為是未來城市主流交通工具的潛在發(fā)展方向[1]。我國近年來新能源汽車保有量也呈持續(xù)高速增長趨勢，就以純電動車保有量為例，根據(jù)公安部統(tǒng)計(jì)，截至2020年我國純電動車保有量達(dá)到400萬輛，比2019年多90萬輛增長29.03%，可以看出電動汽車在逐漸成為目前消費(fèi)者、租車公司以及政府的首選。電動小轎車的車身結(jié)構(gòu)為了滿足用戶需求，各大汽車廠商均已做過充分優(yōu)化與設(shè)計(jì)。而在電動大客車車身結(jié)構(gòu)方面，主要是基于燃油客車車身結(jié)構(gòu)的改進(jìn)與微調(diào)，將動力源由傳統(tǒng)的燃油發(fā)動機(jī)改為電池和電機(jī)組合，在沿用傳統(tǒng)客車車身結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上稍微調(diào)整總體布局，但是，由于動力源的改變，電池與電機(jī)組合相較于傳統(tǒng)的燃油發(fā)動機(jī)，質(zhì)量大大增加，造成更多的能源消耗，這對續(xù)航里程本就吃緊的電動客車是又一弊端。此外電動客車沿用傳統(tǒng)客車結(jié)構(gòu)布置方式，會使純電動客車原有的設(shè)計(jì)優(yōu)勢和布置優(yōu)勢難以得到充分發(fā)揮，不能以最優(yōu)的結(jié)構(gòu)布局發(fā)揮其最好的性能。相關(guān)研究表明當(dāng)車身質(zhì)量每降低100kg時，車輛的百公里油耗就會減少0.4~1L左右，在降低油耗的同時尾氣釋放也顯著減少[2],類比傳統(tǒng)客車在能源消耗方面，電動客車也是如此。綜上所述，對電動客車進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化，降低整車質(zhì)量優(yōu)化合理布局是提高電動客車?yán)m(xù)航里程，就目前來說是最為便捷以及有效的方法。所以相比于傳統(tǒng)燃油客車，對電動客車進(jìn)行輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)的意義更為重大，所以輕量化設(shè)計(jì)以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化對于電動客車來說就顯得尤為重要。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1國外研究現(xiàn)狀目前客車輕量化領(lǐng)域當(dāng)中，國外起步較早，目前積累的技術(shù)也相對成熟，并且隨著有限元理論的成熟和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，應(yīng)用有限元法來進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬代替實(shí)際測試，不但可以降低實(shí)際測試成本，而且可以縮短研發(fā)周期。因此有限元法已成為各大客車企業(yè)研發(fā)新車型的一個重要工具[3]。從上世紀(jì)60年代國外就已經(jīng)開始將有限元法運(yùn)用到汽車實(shí)際工作當(dāng)中[4]。上世紀(jì)80年代，在歐美、韓國和日本等汽車工業(yè)較發(fā)達(dá)的國家和地區(qū)，有限元分析已成為一種比較成熟的分析手段[5]。除了通過改變車身結(jié)構(gòu)達(dá)到輕量化的目的，隨著材料技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的高性能材料逐漸被用于工業(yè)、車輛以及航天領(lǐng)域，在車輛輕量化問題中新材料的替換也得以運(yùn)用。Fukushima等人[6]運(yùn)用均勻化法來解決拓?fù)鋬?yōu)化中的多載荷問題，完成了對于車架地板的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，達(dá)到了車架輕量化以及整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化的效果，并且驗(yàn)證了方案的可行性。Gauchia等[7]通過有限元法研究了客車在受到扭轉(zhuǎn)工況下的應(yīng)力狀態(tài)，在運(yùn)用遺傳學(xué)算法對客車車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到了提高車身扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度的目的。J.K.Shin等[8]等通過ULSAB方法對車輛前門內(nèi)板的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，運(yùn)用了尺寸、形狀以及拓?fù)鋬?yōu)化三種優(yōu)化手段，達(dá)到了車身結(jié)構(gòu)輕量化的目的，較優(yōu)化前車身質(zhì)量下降了8.72%。S.Nandhakumar等[9]通過改變車架材料的方法，運(yùn)用鋁合金6061-T6和鋁合金7075-T6來代替原本的結(jié)構(gòu)鋼，比較后達(dá)到車底架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化以及減輕車架重量的目的，分別實(shí)現(xiàn)了減重65.61%和64.33%。Botkin等[10]通過同時運(yùn)用結(jié)構(gòu)以及材料優(yōu)化兩種手段對汽車車身進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究，通過較為新型的碳纖維復(fù)合材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)材料，采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法進(jìn)行對比研究，最終達(dá)到整體車身質(zhì)量下降62%的成果。HaibinNing等[11]通過改變車身材料和加工工藝來實(shí)現(xiàn)輕量化目的，采用熱成形工藝加工熱塑性復(fù)合材料，不但改善了車身強(qiáng)度性能，而且還使得車身質(zhì)量下降了39%。1.2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀與國外相比，雖然我國對電動客車輕量化的研究起步晚，但經(jīng)過多年的努力，也取得了許多階段性的成果。從2000年以來，以宇通為首的各大客車企業(yè)先后成立了客車輕量化相關(guān)部門，并不斷引進(jìn)先進(jìn)的機(jī)械制造技術(shù)，已經(jīng)研發(fā)了許多輕量化以后的客車成果。周偉[12]通過拓?fù)鋬?yōu)化以及靈敏度分析改變車身?xiàng)U件的厚度來實(shí)現(xiàn)車身的輕量化，在滿足車身強(qiáng)度要求的前提下，使車身質(zhì)量下降了14.6%。王懷[13]采用正交試驗(yàn)法對客車骨架進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使得車身骨架減輕5.08%。金龍客車聯(lián)合Ansys公司[14]對某系列客車車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，最終使得車架質(zhì)量減輕250kg。徐梓雯[15]通過拓?fù)鋬?yōu)化的方法，對車身骨架中兩個局部結(jié)構(gòu)做了輕量化以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使車身減重24.6%。唐唯偉[16]利用有限元法對客車車架進(jìn)行有限元分析，得出應(yīng)力云圖，并通過迭代法最終確定合適的截面尺寸，最終完成車身的輕量化并且改善了結(jié)構(gòu)性能，減重6.7%。毛愛華[17]依次對車身結(jié)構(gòu)分別做出了拓?fù)鋬?yōu)化以及多目標(biāo)尺寸優(yōu)化，在保持原有強(qiáng)度的前提下，實(shí)現(xiàn)了車身結(jié)構(gòu)減輕11.07%的成果。澎湖[18]通過對比方法，將全某新型鋁車身與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)鋼車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)全鋁車身相較與結(jié)構(gòu)鋼車身，機(jī)械性能更加優(yōu)秀，質(zhì)量更加輕便，達(dá)到了車身質(zhì)量減輕41.95%的效果。崔新濤[19]通過價(jià)值函數(shù)理論的優(yōu)化選材方法，對比單材料車身與多材料車身的優(yōu)劣，表明多材料車身更為輕便。綜上所述，車身輕量化研究對于車輛續(xù)航里程的提高具有十分重大的意義，并且車身輕量化也一直是汽車優(yōu)化行業(yè)內(nèi)十分重要的研究方向。1.3主要研究內(nèi)容 目前電動客車正在逐漸普及，就以城市公交車為例，電動公交車的優(yōu)點(diǎn)在于零排放，行駛噪音小，節(jié)省車身空間增加載客量，內(nèi)部布局更為合理。傳統(tǒng)公交車將逐步被電動公交車所代替。電動客車目前還處于逐漸普及階段，許多技術(shù)還處于實(shí)驗(yàn)探索階段，還沒有一套滿整的電動客車設(shè)計(jì)體系，就比如在電動車車身結(jié)構(gòu)方面，由于動力源的不同，導(dǎo)致傳統(tǒng)的燃油發(fā)動機(jī)相比于電池在質(zhì)量，布局等方面要求完全不同，但是目前電動客車車身還存在一些在原有燃油客車車身結(jié)構(gòu)上稍加改進(jìn)所得，在電動客車車身上進(jìn)行套用，結(jié)構(gòu)是否足夠輕便，布局究竟是否合理，結(jié)構(gòu)是否最優(yōu)還需要不斷地探索與改進(jìn)。所以本次設(shè)計(jì)目的在于，通過觀察比較電動客車車身的有限元模型和在四種基礎(chǔ)工況下的靜力學(xué)分析以及模態(tài)分析，對比結(jié)果應(yīng)力以及模態(tài)云圖，在滿足這四種基礎(chǔ)工況下的剛度、強(qiáng)度要求的前提下，基于新電動客車本身的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢進(jìn)行結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)布局優(yōu)化。目的是設(shè)計(jì)一種既能滿足基礎(chǔ)工況下剛度、強(qiáng)度要求，又能在原有車架基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)輕量化的車架結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提升新能源客車的總體性能，設(shè)計(jì)出一個更為適合的電動客車車身結(jié)構(gòu)。研究路徑流程圖如圖1.1所示。圖1.1設(shè)計(jì)流程圖 第2章新能源大客車車骨架有限元模型建立不同于小轎車車骨架，大客車車骨架大多由桿類零件所構(gòu)成，所以為了簡化模型，減少計(jì)算機(jī)運(yùn)算負(fù)擔(dān)，降低運(yùn)算時長，本優(yōu)化車架建模時均將采用桿狀支架進(jìn)行建模。觀察車架圖紙，此款車架基本呈對稱排列，并且桿件的位置也有規(guī)律可循，所以將采用APDL語言直接在ANSYS軟件內(nèi)部進(jìn)行建模，大大縮短了建模周期，使得后期有限元分析工作更加便捷。對建好的三維模型再通過有限元軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，即完成新能源大客車車骨架有限元模型的建立。2.1有限元法理論2.1.1有限元法基本思想有限元法最初是隨著電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展而發(fā)展起來的一種計(jì)算方法，50年代首先應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域來分析飛機(jī)結(jié)構(gòu)靜力學(xué)特性與動態(tài)特性，歷經(jīng)半個世紀(jì)的發(fā)展，有限元分析技術(shù)隨后又很快的應(yīng)用到各個領(lǐng)域之中，并且衍生出許多其他門類的分析模塊用于解決各類連續(xù)性問題例如：求解熱傳導(dǎo)、電磁場、流體力學(xué)等，所以說有限元法是將計(jì)算機(jī)科學(xué)作為工具，以數(shù)學(xué)和力學(xué)作為理論基礎(chǔ)，把連續(xù)得物體進(jìn)行離散化，從而對其進(jìn)行近似數(shù)值計(jì)算的一種分析方法[20]。隨著有限元分析技術(shù)的發(fā)展，如今利用有限元分析來模擬實(shí)際試驗(yàn)情況的誤差已十分小。目前在汽車領(lǐng)域有限元分析法已得以廣泛應(yīng)。在汽車領(lǐng)域，利用有限元分析法貫穿于從客車車身結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)到最終的產(chǎn)品成型，應(yīng)用有限元分析法進(jìn)行模擬分析不僅可以縮短車輛的研發(fā)周期，而且還可以降低車輛的研發(fā)成本。有限元基本思想就是把一個連續(xù)物體分割成有限數(shù)目的小單元，這些小單元之間通過節(jié)點(diǎn)建立相互之間的關(guān)系，通過研究這些一個個小單元組成的集合來代替原本的連續(xù)體，再通過各種施加在結(jié)點(diǎn)上的等效力來代替實(shí)際作用在單元體上的力，選擇一個簡單的函數(shù)來近似表示各節(jié)點(diǎn)位移分量的分布規(guī)律，從而建立各節(jié)點(diǎn)與位移之間的關(guān)系，用近似值來代替?zhèn)鹘y(tǒng)計(jì)算方法得精確值。有限元法相較于傳統(tǒng)計(jì)算方法不同之處如圖2.1。圖2.1有限元法與經(jīng)典解析法對比圖有限元思想的實(shí)質(zhì)，就是把自由度為無限的連續(xù)體，理想化為有限自由度的單元集合體，使問題簡化成適合數(shù)值解法的類型。2.1.2有限元分析計(jì)算實(shí)質(zhì)有限元分析的基本思想包括物體離散化，單元特性分析，構(gòu)成單元組集以及求解未知節(jié)點(diǎn)位移，具體步驟如下：(1)物體離散化：概括來說就是將一個連續(xù)體通過網(wǎng)格的劃分，劃分成一個個通過各自節(jié)點(diǎn)相互聯(lián)系的微小單元體。網(wǎng)格劃分的越密，網(wǎng)格質(zhì)量越好，劃分出的結(jié)點(diǎn)越多，計(jì)算規(guī)模越大，分析得出的結(jié)論也就越精確，但是限于目前計(jì)算機(jī)算力水平，選擇合適的網(wǎng)格密度也十分重要，一般情況下單元尺寸不得小于物體最小尺寸的五分之一。(2)單元特性分析：物體離散化后，通過單元內(nèi)節(jié)點(diǎn)的位移通過插值來獲得單元內(nèi)各點(diǎn)的位移，通常建立如下函數(shù)關(guān)系：fe式中：fe——δe——N——將(2.1)式代入幾何方程可推導(dǎo)出用單元節(jié)點(diǎn)位移表示的單元應(yīng)變表達(dá)式：ε=式中：ε——單元內(nèi)任一點(diǎn)應(yīng)變列陣；B——單元應(yīng)變矩陣；由彈性理論假設(shè)可知，單元的應(yīng)力與應(yīng)變成正比，得到物理方程：σ=式中：σ——單元內(nèi)任一點(diǎn)應(yīng)力列陣；D——單元的彈性矩陣；再將(2.2)式代入物理方程(2.3)中，可導(dǎo)出用單元結(jié)點(diǎn)位移列陣表示的單元應(yīng)力表達(dá)式：σ=最后利用彈性體的虛功方程建立單元節(jié)點(diǎn)力陣與節(jié)點(diǎn)位移列陣之間的關(guān)系，即形成單元的剛度方程式：Re式中：ke(3)整體分析：通過單元特性分析來集合成總體，通過單元剛度矩陣得到整體剛度矩陣，用直接剛度法將單剛組集成總綱。Kδ式中：K——總體剛度矩陣；δ——總體結(jié)點(diǎn)位移；R——總體載荷列陣；(4)求解數(shù)值：考慮整體結(jié)構(gòu)的約束情況，將已知條件代入上述方程，解此方程組即可求出單元節(jié)點(diǎn)應(yīng)力以及單元節(jié)點(diǎn)位移。2.2新能源大客車車架有限元模型的建立根據(jù)現(xiàn)有圖紙，首先建立大客車車架的三維模型，由于大客車車架模型較為復(fù)雜，若完整建模并直接導(dǎo)入有限元分析軟件當(dāng)中進(jìn)行分析，會嚴(yán)重增加計(jì)算機(jī)運(yùn)行負(fù)擔(dān)，增加有限元分析周期。為提高計(jì)算機(jī)運(yùn)行效率，需要首先對大客車三維模型進(jìn)行簡化，再進(jìn)行網(wǎng)格的劃分以及有限元分析。2.2.1新能源大客車三維模型的簡化（1）車骨架整體結(jié)構(gòu)的簡化在大客車車骨架的建模當(dāng)中會出現(xiàn)一些和之后的車骨架強(qiáng)度分析影響不大的零部件，例如車內(nèi)扶手，乘客以及駕駛員座椅，前后車門，前后以及側(cè)邊擋風(fēng)玻璃和一些裝飾性零部件等，考慮到計(jì)算機(jī)的運(yùn)算工作量，這些與實(shí)際車骨架強(qiáng)度分析影響不大的零部件在建模當(dāng)中可以省略，并且需要使用相應(yīng)位置的載荷進(jìn)行零件的替換，實(shí)現(xiàn)對車骨架三維模型的初步簡化。（2）車骨架內(nèi)部細(xì)節(jié)的簡化車骨架建模中的一些細(xì)節(jié)也會影響計(jì)算機(jī)運(yùn)算工作量，例如在實(shí)際模型當(dāng)中，一些桿件會進(jìn)行打孔達(dá)到減少車身重量的作用，但是這些小孔在有限元模型的建立當(dāng)中會增加一定的工作量，并且會影響網(wǎng)格劃分的質(zhì)量，進(jìn)而影響最終有限元分析的精度。鑒于這些小孔一般會打在受力較小的桿件當(dāng)中，只起到減輕車身重量的作用，對實(shí)際的車骨架強(qiáng)度幾乎沒有影響，所以在車骨架建模當(dāng)中需要忽略此類小孔的建模。（3）有限元單元類型的簡化在有限元分析前，首先需要定義單元類型，常見的有梁單元，殼單元和三維實(shí)體單元，而若是不同單元類型之間相互組合和連接可能會出現(xiàn)不同自由度的單元類型相連接，比如梁單元有六個自由度而三維實(shí)體單元則只有三個自由度，這兩個單元在相互連接時需要進(jìn)行特殊的MPC處理，這樣則大大增加了計(jì)算機(jī)計(jì)算工作量，降低了運(yùn)行效率。此類情況會發(fā)生在客車懸架與車身骨架連接的部分，和客車蒙皮與車身骨架的連接部分，所以在進(jìn)行客車骨架的建模中，將采取統(tǒng)一的梁單元進(jìn)行建模，省略對整體分析影響不大的蒙皮結(jié)構(gòu)，并用相應(yīng)的約束以及載荷來代替客車懸架的效果。2.2.2新能源大客車三維模型的建立本大客車模型的建立將基于ANSYS軟件的建模模塊，在ANSYS軟件當(dāng)中模型的建立大體上說有兩種模式，第一種是GUI操作通過軟件的模型繪制模塊直接進(jìn)行模型的建立，另一種則是通過軟件內(nèi)部的APDL編程語言對模型進(jìn)行建立，兩種建模方式各有特點(diǎn)，各有適合的場合，通過觀察圖紙，本客車骨架的三維模型的建立將通過后者來實(shí)現(xiàn)。APDL編程語言簡介APDL全稱ANSYSParametricDesignLanguage，是一種在ANSYSMechanicalAPDL環(huán)境下的參數(shù)化設(shè)計(jì)語言，實(shí)質(zhì)為一種腳本語言。通過APDL編程編程語言編寫的命令流可以對模型進(jìn)行建模以及分析。（2）APDL編程語言的優(yōu)勢相比于傳統(tǒng)的直接通過軟件自帶的建模模塊進(jìn)行建模的方式，本此大客車有限元分析通過APDL編程語言進(jìn)行建模有以下優(yōu)勢：①可以對模型進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，為之后改變模型約束條件，施加載荷，重新定義截面形狀，改變材料參數(shù)等設(shè)計(jì)內(nèi)容提供便利。②對于較為規(guī)則的結(jié)構(gòu)而言，使用APDL編程更為方便快捷，縮短建模周期。③在修改模型方面，相較于GUI操作會出現(xiàn)的牽一發(fā)而動全身情況，使用APDL編程不但更快的找出問題之處，還可以更加方便的修改模型，為的模型優(yōu)化提供了便利。（3）利用APDL編程語言建立三維模型①在編程之前首先需要定義大客車總長、總寬和總高等基礎(chǔ)參數(shù)，可以方便只有的找點(diǎn)工作。參數(shù)設(shè)置大致如圖2.2。圖2.2參數(shù)設(shè)置圖②由于該模型大致為左右對稱結(jié)構(gòu)，所以在建模過程中先對模型的一邊進(jìn)行建立，再通過映射完成另一半的模型，最后進(jìn)行細(xì)節(jié)部分的補(bǔ)充與刪減。所以先通過建立模型一邊的關(guān)鍵點(diǎn)，在進(jìn)行連線，命令流設(shè)置示意如圖2.3圖2.3框架建立示意圖③根據(jù)現(xiàn)有圖紙，使用APDL語言，最終通過三百余行命令流，逐步完成了客車車骨架一側(cè)的建模工作，因?yàn)橄抻谄拗疲谶@只截取部分命令流內(nèi)容，對于一些有規(guī)律的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可采用循環(huán)語句對其進(jìn)行建模如圖2.4；對于一些細(xì)節(jié)處理，如圓角操作可使用相應(yīng)的命令流進(jìn)行編輯如圖2.5；一側(cè)車架建立結(jié)果如圖2.6。圖2.4網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)命令流圖2.5倒圓角命令流圖2.6一側(cè)車架結(jié)果圖④通過對稱命令流和合并重疊節(jié)點(diǎn)命令流如圖2.7建立客車模型的另一側(cè)。最后再進(jìn)行兩邊的修改與補(bǔ)充，最終客車車骨架模型如圖2.8。圖2.7映射與合并節(jié)點(diǎn)命令流圖2.8客車車骨架三維模型圖2.2.3建立新能源大客車有限元模型（1）選擇單元類型通過之前模型的簡化，簡化后的模型均為矩形管件，所以在單元類型的選擇上面，以盡可能簡化計(jì)算量為目的，本模型在單元類型的選擇方面，選擇Beam188單元。（2）選擇材料經(jīng)了解本車架全部采用的材料為Q345結(jié)構(gòu)鋼，其結(jié)構(gòu)鋼的材料參數(shù)如表2.1。表2.1結(jié)構(gòu)鋼材料參數(shù)結(jié)構(gòu)鋼牌號彈性模量（Gpa）泊松比密度（Kg/m3）屈服極限（Mpa）Q3452100.37850345對模型的材料通過APDL編程語言進(jìn)行定義如圖2.9。圖2.9定義材料參數(shù)（3）選擇截面形狀通過之前模型的簡化，簡化后的模型均為矩形管件，其主要截面尺寸為：50×50×2mm、60×50×2mm、40×40×2mm。首先對不同截面進(jìn)行定義如圖2.10，再選取不同區(qū)域的直線進(jìn)行截面的定義如圖2.11。圖2.10矩形鋼管截面定義圖2.11賦值截面參數(shù)（4）劃分網(wǎng)格網(wǎng)格劃分尺寸以不低于最小尺寸的五分之一為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行網(wǎng)格尺寸的選定，考慮到精度，最后選擇以間距為25mm來劃分網(wǎng)格，劃分結(jié)果如圖2.12。圖2.12大客車車骨架有限元模型（4）合并節(jié)點(diǎn)為保證后續(xù)分析不出現(xiàn)問題，提高分析精度，所以需要對有限元模型進(jìn)行同一位置節(jié)點(diǎn)合并操作，通過兩段管件相交部分共用同一節(jié)點(diǎn)的處理來代替焊點(diǎn)。合并節(jié)點(diǎn)命令流如圖2.13。圖2.13合并節(jié)點(diǎn)命令流2.3本章小結(jié)本章進(jìn)行了有限元概念的討論，建模方法的選擇和有限元模型的建立，具體成果如下：（1）大客車車架的簡化，為提高有限元分析效率，降低計(jì)算機(jī)工作任務(wù)量，在建模初期簡化了如車把手、擋風(fēng)玻璃、孔洞和懸掛等結(jié)構(gòu)，為后續(xù)有限元模型的分析提供了便利。（2）建模方式的選擇，解釋了APDL語言相比常規(guī)GUI操作的優(yōu)勝之處，選用APDL語言進(jìn)行編程，縮短了建模周期，為之后客車骨架的約束、加載、材料的選用和截面的定義打下基礎(chǔ)。（3）客車骨架三維模型的建立，通過映射加修改的方法，極大的縮短了建模周期。（4）客車骨架有限元模型的建立，通過單元類型、材料以及截面的選定，網(wǎng)格的劃分，在客車骨架三維模型的基礎(chǔ)上完成了有限元模型的建立，最后對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了處理，為以后的有限元分析打下基礎(chǔ)。第3章新能源大客車車骨架靜力學(xué)分析通過前一章節(jié)新能源大客車車骨架有限元模型的建立，在此基礎(chǔ)上，本章將會討論此有限元模型在四種常見工況下的應(yīng)力情況，有滿載工況、一輪懸空工況、急制動工況以及急轉(zhuǎn)彎工況。通過相關(guān)的安全評判標(biāo)準(zhǔn)來判斷模型是否滿足強(qiáng)度要求，并初步給出客車骨架優(yōu)化建議。3.1靜力學(xué)分析評判標(biāo)準(zhǔn)在工程設(shè)計(jì)當(dāng)中，通常以材料的許用應(yīng)力來作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)。材料的許用應(yīng)力通常可以由式（3.1）進(jìn)行求解。作為評判結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否滿足的標(biāo)準(zhǔn)。[σ]=σs式中：n——材料的安全系數(shù)；σs——[σ]——查閱相關(guān)資料本次設(shè)計(jì)的安全系數(shù)為n=1.5，通過Q345鋼的屈服極限σs=345Mpa由式（3.1）可得該車骨架的許用應(yīng)力3.2滿載工況分析客車在滿載工況下是指車輛直線行駛狀態(tài)或車身結(jié)構(gòu)縱向彎曲工況，也是比較基礎(chǔ)和常見的工況。3.2.1載荷和約束的施加（1）載荷情況客車車骨架在滿載工況平穩(wěn)直線行駛受到的主要載荷如表3.1，其中乘客、座椅以及車門以均布力的方式施加在車架上；發(fā)動機(jī)電池以均布力的方式施加在電池架上，車窗以局部力施加在對應(yīng)部分橫梁上；車頂空調(diào)以局部力施加在車頂棚骨架上?？蛙嚬羌軡M載主要載荷表3.1名稱數(shù)量總重（kg）名稱數(shù)量總重（kg）乘客804800電池101500座椅31465發(fā)動機(jī)1228側(cè)窗玻璃6210車門2246車頂空調(diào)1280前圍玻璃175（2）約束情況約束前車輪左右懸掛支撐點(diǎn)上y、z方向的線位移，后輪約束情況考慮到該車架后輪車橋與車架是由四氣囊空氣懸架相連接，為了更好的模擬實(shí)際空氣懸架對車架的支撐，所以后輪約束采用剛性梁代替懸架作用如圖3.1，首先約束兩后輪懸掛底端中點(diǎn)x、y、z方向上的線位移，再約束底端兩側(cè)y方向上的線位移。圖3.1模擬空氣懸架剛性桿（3）加載約束效果圖滿載情況下加載約束效果圖如圖3.2圖3.2滿載情況下加載約束效果圖3.2.2滿載工況分析結(jié)果（1）滿載工況下的變形云圖如圖3.3所示，通過觀察位移云圖，最大位移發(fā)生在大客車車架尾部最大位移為8.20mm，客車中段由于車頂空調(diào)以及車架的均布載荷會有向下的凹陷但是位移不夠明顯。圖3.3客車車骨架滿載工況位移云圖（2）滿載工況下的應(yīng)力云圖如圖3.4所示，通過觀察應(yīng)力云圖，最大應(yīng)力集中在車底架后車輪懸掛接觸點(diǎn)前端區(qū)域，最大應(yīng)力為98.59Mpa，小于該工況下的許用應(yīng)力230Mpa，所以該車身結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度需求。此外前輪懸掛支撐點(diǎn)以及左右圍靠近后輪部分均有較大的應(yīng)力分布。后電池支撐架以及客車中段應(yīng)力分布較小。圖3.4客車車骨架滿載工況應(yīng)力云圖3.2.3滿載工況結(jié)果分析通過觀察客車車骨架在滿載工況下的位移以及應(yīng)力分布云圖，可以得出初步優(yōu)化假設(shè)：觀察客車車骨架應(yīng)力云圖發(fā)現(xiàn)應(yīng)力較大部分主要集中在后輪區(qū)域，但都未達(dá)到材料的許用應(yīng)力，后續(xù)優(yōu)化可能會改變該區(qū)域管件截面以增強(qiáng)剛度。另外客車后電池支撐架以及客車中段應(yīng)力分布較小，并有比較大的閾值，說明該部分區(qū)域有比較大的優(yōu)化空間。3.3一輪懸空工況分析一輪懸空工況也可稱為客車的扭轉(zhuǎn)工況分析，實(shí)際上是指客車在不平整路面行駛過程中有時會出現(xiàn)一輪架空的情況，這種工況下由于減少了一個地面支撐點(diǎn)，車輛受力向一邊偏移，發(fā)生車架結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)，所以加深了客車車架的結(jié)構(gòu)負(fù)擔(dān)，所以對結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度提出了更高的要求。本次分析選擇車輛的右后輪被架空為代表工況進(jìn)行分析。3.3.1載荷和約束的施加（1）載荷情況由于討論的還是車輛在滿載狀態(tài)下發(fā)生的情況，所以在載荷施加方面沿用客車滿載狀態(tài)下的載荷狀況。（2）約束情況由于此工況是右后輪懸空狀況，所以約束前車輪左右懸掛支撐點(diǎn)上y、z方向的線位移，并且約束左后輪懸掛底端中點(diǎn)支撐點(diǎn)上x、y、z方向上的線位移，約束左后輪懸掛底端兩側(cè)支撐點(diǎn)上y方向上的線位移，客車右后輪不進(jìn)行任何約束來模擬一輪懸空時的工況。（3）加載約束效果圖一輪懸空加載約束效果圖如圖3.5。圖3.5一輪懸空加載約束效果圖3.3.2一輪懸空工況分析結(jié)果（1）一輪懸空工況下的變形云圖如圖3.6所示，通過觀察該工況下客車車架的位移云圖，整體上觀察，車身明顯繞x軸發(fā)生了一定程度的扭轉(zhuǎn)，導(dǎo)致車輛的最大位移點(diǎn)由正常滿載工況下的車骨架正后部向車骨架右端進(jìn)行偏移，最大位移量也有明顯增加為44.41mm。(a)一輪懸空變形軸測圖(b)一輪懸空變形俯視圖圖3.6一輪懸空工況下的變形云圖（2）一輪懸空工況下的應(yīng)力云圖如圖3.7所示，通過觀察該工況下的應(yīng)力云圖，應(yīng)力主要分布于車底架靠近左后輪懸掛支撐點(diǎn)的區(qū)域，最大應(yīng)力為199.39Mpa較滿載情況下應(yīng)力有所增加，但仍小于該工況下的許用應(yīng)力230Mpa，所以在一輪懸空工況下車身結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度需求，此外后電池支撐架以及客車中段應(yīng)力分布較小。圖3.7一輪懸空工況下的應(yīng)力云圖3.3.3一輪懸空工況結(jié)果分析通過觀察在一輪懸空工況下的應(yīng)力云圖，相較于滿載工況下的應(yīng)力云圖，最大應(yīng)力有所增加，并出現(xiàn)在車底架靠近左后輪懸掛支撐點(diǎn)的區(qū)域，在優(yōu)化過程中可能會需要加強(qiáng)此區(qū)域的強(qiáng)度，另外車架后電池支撐架以及車底架中段和前段閾值較大，均有比較大的優(yōu)化空間。3.4急制動工況分析急制動工況是指客車在正常行駛途中，遇到突發(fā)情況時而采取緊急制動的情況，此時客車除了受到和滿載工況下相同的載荷外，還受到縱向的慣性力作用，由于受力狀況改變，所以需要對該工況下進(jìn)行靜力學(xué)分析。3.4.1載荷和約束的施加（1）載荷情況在同滿載工況下的加載狀況的基礎(chǔ)上，再在車骨架縱向施加一個大小為0.7g，以車頭朝向?yàn)檎?，方向向后的慣性力。如圖3.8。圖3.8縱向慣性力（2）約束情況約束前車輪左右懸掛支撐點(diǎn)上x、y、z方向的線位移，并且約束兩后輪懸掛底部中點(diǎn)支撐點(diǎn)上y、z方向上的線位移，約束兩后輪懸掛底部兩側(cè)y方向上線位移。（3）加載約束效果圖急制動加載約束效果圖如圖3.9。圖3.9急制動加載約束效果圖3.4.2急制動工況分析結(jié)果（1）急制動工況下的變形云圖如圖3.10所示，位移最大處出現(xiàn)在車架后端，最大位移量為5.38mm。圖3.10急制動工況下的變形云圖（2）急制動工況下的應(yīng)力云圖如圖3.11所示，應(yīng)力最大處出現(xiàn)在車底架后輪懸掛前支撐點(diǎn)附近，最大應(yīng)力為97.28Mpa，小于該工況下的許用應(yīng)力230Mpa，另外車底架中段也有部分應(yīng)力分布。后端電池支架以及頂棚所受應(yīng)力較小。圖3.11急制動工況下的應(yīng)力云圖3.4.3急制動工況結(jié)果分析通過施加縱向慣性力的方法來模擬實(shí)際客車急制動工況，從分析結(jié)果可以看出，車身骨架有整體向前傾的趨勢，并且最大應(yīng)力處也隨工況的不同而出現(xiàn)在不同位置，最大應(yīng)力滿足強(qiáng)度要求。雖然應(yīng)力最大處出現(xiàn)在車底架后輪懸掛前支撐點(diǎn)附近，但其最大應(yīng)力滿足結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度需求，車架頂棚以及后端電池支撐架分布應(yīng)力較小，有較大的優(yōu)化空間。3.5急轉(zhuǎn)彎工況分析急轉(zhuǎn)彎工況是指在客車在較高速度行駛過程中進(jìn)行轉(zhuǎn)彎的情況，本此分析以客車左急轉(zhuǎn)彎為例，在載荷分布方面，相比于滿載工況，還需施加一個橫向的慣性力，用來模擬客車在實(shí)際工況中所受到的向心加速度。3.5.1載荷和約束的施加（1）載荷情況在同滿載工況下的加載狀況的基礎(chǔ)上，再在車骨架橫向施加一個大小為0.4g的慣性力如圖3.12所示。圖3.12橫向慣性力（2）約束情況約束前車輪左懸掛支撐點(diǎn)上x、z方向的線位移，約束前車輪右懸掛支撐點(diǎn)上x、y、z方向的線位移；并且約束左后輪懸掛底端中點(diǎn)上z方向上的線位移，約束右后輪懸掛底端中點(diǎn)上y、z方向上的線位移，約束右后輪懸掛底端兩側(cè)上y方向上的線位移。（3）加載約束效果圖急轉(zhuǎn)彎加載約束效果圖如圖3.13。圖3.13急轉(zhuǎn)彎加載約束效果圖3.5.2急轉(zhuǎn)彎工況分析結(jié)果（1）急轉(zhuǎn)彎工況下的變形云圖如圖3.14所示，各部分位移狀況符合實(shí)際情況。最大位移出現(xiàn)在車頂棚右后端，最大位移為10.12mm，車架整體有向右傾趨勢。（a）急轉(zhuǎn)彎工況下的變形軸測圖(b)急轉(zhuǎn)彎工況下的變形俯視圖圖3.14急轉(zhuǎn)彎工況下的變形云圖（2）急轉(zhuǎn)彎工況下的應(yīng)力云圖如圖3.8所示，最大應(yīng)力發(fā)生在車架右后輪懸架支撐點(diǎn)附近，通過觀察應(yīng)力云圖其最大應(yīng)力為155.25Mpa，小于許用應(yīng)力230Mpa，說明該工況下的最大應(yīng)力滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，并且左右圍下端也有應(yīng)力分布。根據(jù)應(yīng)力分布圖可知車底架中、后段應(yīng)力較小。圖3.8急轉(zhuǎn)彎工況下的應(yīng)力云圖3.5.3急轉(zhuǎn)彎工況結(jié)果分析通過觀察應(yīng)力分布云圖，不難發(fā)現(xiàn)最大應(yīng)力仍出現(xiàn)在車架后輪懸架支撐點(diǎn)附近，但均滿足車架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度需求。在該工況下車底架中段以及后段的應(yīng)力較小，有較大的優(yōu)化空間，以達(dá)到輕量化的目的。3.6四種工況結(jié)果對比根據(jù)以上四種工況下的靜力學(xué)分析結(jié)果，歸納以上數(shù)據(jù)如下表3.2。表3.2四種工況下各種參數(shù)對比表參數(shù)工況最大位移（mm）最大應(yīng)力（Mpa）安全系數(shù)滿載8.2098.593.50一輪懸空44．41199.391.73急制動5.3897.283.55急轉(zhuǎn)彎10.12155.252.22通過上表對比觀察，在四種工況下的安全系數(shù)均大于1.5，說明該結(jié)構(gòu)滿足了結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度要求。其中對比最大應(yīng)力一輪懸空工況時應(yīng)力最大，且最大應(yīng)力出現(xiàn)在后輪懸掛支撐點(diǎn)附近，同樣其他三種工況最大應(yīng)力點(diǎn)均出現(xiàn)在后輪懸掛支撐點(diǎn)附近，所以在進(jìn)行優(yōu)化時，需對此處區(qū)域進(jìn)行保留或者加固處理以保證車身安全性能。3.7本章小結(jié)本章主要討論了客車車骨架是否安全的評判標(biāo)準(zhǔn)，并且通過有限元分析軟件ANSYS，分析了該新能源客車車架在四種常見工況下的位移分布以及應(yīng)力分布情況，通過比較四種工況下的最大位移以及最大應(yīng)力情況得出以下結(jié)論：（1）原車架結(jié)構(gòu)以及材料的選用完全滿足車身的強(qiáng)度要求最大應(yīng)力為199.39Mpa,小于結(jié)構(gòu)的許用應(yīng)力230Mpa。（2）在滿載、急制動以及急轉(zhuǎn)彎工況下的安全系數(shù)遠(yuǎn)大于額定安全系數(shù)。（3）通過觀察四種工況下的應(yīng)力分布云圖，找出了各自工況下應(yīng)力較小以及較大的部分，為后續(xù)的優(yōu)化工作指明道路。第4章新能源客車車骨架的模態(tài)分析車輛在實(shí)際路面行駛過程中，不僅會受到多種形式的靜力載荷，還會受到來自實(shí)際路況不平整路面的激勵，從而產(chǎn)生震動，進(jìn)而影響車身結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，降低車身結(jié)構(gòu)壽命，影響乘客乘坐體驗(yàn)。模態(tài)分析作為一種動力學(xué)分析，主要用于研究結(jié)構(gòu)的震動特性，即構(gòu)建的固有頻率及振型[20]。所以在車輛的研發(fā)以及后期優(yōu)化方面，都需要對車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)以及模態(tài)兩方面的分析，如此才能夠設(shè)計(jì)出更加安全可靠的車身結(jié)構(gòu)，既提高了乘客的乘坐體驗(yàn)，同時也保證了乘客的安全。因此對新能源客車車架進(jìn)行模態(tài)分析也是車身優(yōu)化的重要一環(huán)。4.1模態(tài)分析理論模態(tài)分析理論以震動理論為基礎(chǔ)[21]，其動力學(xué)問題的微分平衡方程表示為公式（4.1）：Mxt+式中：M——物體的質(zhì)量矩陣；C——阻尼矩陣；K——剛度矩陣；xt——系統(tǒng)位移相應(yīng)向量f(t)——外部激勵向量。研究無阻尼時的自由模態(tài)振動情況，令式（4.1）中的f(t)=0，從而得到式（4.2Mxt+對于線性系統(tǒng)來說，結(jié)構(gòu)的自由振動為簡諧振動，其位移是正弦函數(shù)如下式（4.3）：xt=A式中：A——節(jié)點(diǎn)的振幅向量；t——時間變量；ω——結(jié)構(gòu)的固有頻率；φ——相位角。將式（4.3）代入式（4.2）中可得式（4.4）：K?ω2求解式（4.4）令前一項(xiàng)為零，得到式（4.5）：K?ω2式（4.5）稱為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的頻率方程，進(jìn)一步求解式（4.5）便可得到方程的n個特征值ωi2i=1，2，……n0<ω12所求得的根ωi就是系統(tǒng)的i階固有圓頻率，即結(jié)構(gòu)自振，再通過公式（4.7）即可求出結(jié)構(gòu)的固有頻率ffi=ω繼續(xù)代入求解得式（4.8）KAi=式中：Ai——系統(tǒng)整體的振幅向量綜上，與ωi對應(yīng)的特征向量Ai就是我們要求解得結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的第i階固有模態(tài)振型[4.2客車車骨架模態(tài)分析本次模態(tài)分析使用ANSYS內(nèi)部的模態(tài)分析模塊，通常低階頻率和振型對結(jié)構(gòu)振動特性得影響起主導(dǎo)作用，在模態(tài)分析計(jì)算時多數(shù)情況下提取低階頻率和振型來對車身骨架振動特性進(jìn)行分析[23]。所以本次分析內(nèi)容選取此客車骨架的前8階模態(tài)進(jìn)行討論4.2.1客車車骨架模態(tài)分析結(jié)果此次模態(tài)分析的加載和約束條件參照最普遍的滿載工況進(jìn)行施加，結(jié)果如圖4.1至4.8。圖4.1一階振型圖圖4.2二階振型圖圖4.3三階振型圖圖4.4四階振型圖圖4.5五階振型圖圖4.6六階振型圖圖4.7七階振型圖圖4.8八階振型圖該新能源客車車身骨架的各階頻率和振型特點(diǎn)如表4.1表4.1前八階振型頻率以及振型特征表階數(shù)頻率（Hz）最大變形量（mm）振型特征14.7201.754車身骨架繞x軸扭轉(zhuǎn)24.8371.695車身骨架繞y軸扭轉(zhuǎn)36.2542.025車身骨架繞x軸與z軸扭轉(zhuǎn)411.3941.721繞z軸彎折軸處于骨架中段511.4621.516車身向后擺動613.1732.239繞z軸彎折軸處于骨架中段713.2641.953車身骨架繞x軸與z軸扭轉(zhuǎn)814.9612.962車身骨架主要繞x軸扭轉(zhuǎn)4.2.2客車車骨架模態(tài)結(jié)果分析根據(jù)客車車架前8階模態(tài)分析，最后得出結(jié)論發(fā)現(xiàn)該客車車架的固有頻率在4.674Hz~16.772Hz之間，而判斷一輛客車正常行駛在路面上是否會出現(xiàn)共振造成巨大損失，通常是由路面對車身結(jié)構(gòu)的激勵f0所決定的，f0通過式（4f0=v式中：v——客車行駛速度km/h；λ——路面不平整度波長m；通過查閱相關(guān)資料，高速公路和鋪設(shè)良好的城市道路，其路面不平整度波長在6至8米之間[24]，此客車最高時速60km/h，所以通過式（4.9）可以推算出路面激勵頻率為2.78Hz，通過比較客車固有頻率以及路面激勵頻率，可以判斷出該客車骨架結(jié)構(gòu)在正常行駛工況下不會產(chǎn)生共振現(xiàn)象。因此該設(shè)計(jì)符合客車設(shè)計(jì)要求。4.3本章小結(jié)本章在新能源客車靜力學(xué)分析的基礎(chǔ)上，介紹了模態(tài)分析的重要性，并且對該客車車骨架進(jìn)行了在滿載工況下的模態(tài)分析，通過ANSYS中的模態(tài)分析模塊得出了該車骨架的前八階模態(tài)，本章主要成果如下。（1）介紹了模態(tài)分析理論以及模態(tài)分析對于車輛設(shè)計(jì)和優(yōu)化的重要性。（2）通過ANSYS內(nèi)部的模態(tài)分析模塊，分析了該車骨架有限元模型在滿載工況下的前八階模態(tài)振型云圖，簡述了每一階的固有頻率、最大位移量以及振型特征。（3）通過客車以及路面的各項(xiàng)參數(shù)計(jì)算得出了路面激勵頻率為2.78Hz，并將其與客車車骨架的固有頻率進(jìn)行對比后，發(fā)現(xiàn)該客車在正常路面行駛情況下不會發(fā)生共振現(xiàn)象，滿足車輛設(shè)計(jì)要求。第5章新能源大客車車架拓?fù)鋬?yōu)化5.1拓?fù)鋬?yōu)化簡介拓?fù)鋬?yōu)化是在給性的設(shè)計(jì)空間區(qū)域內(nèi)通過最優(yōu)化算法，來找到最優(yōu)的材料分布，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)力學(xué)性能和最省材料分布的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[25]，設(shè)計(jì)人員可以通過參考拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果圖，在已知最優(yōu)方案的前提下對結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，這樣大大提高了設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)效率，并且提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量。拓?fù)鋬?yōu)化可以在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期，沒有太多設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的情況下，為研發(fā)人員提供參考。所以拓?fù)鋬?yōu)化被廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品的正向設(shè)計(jì)當(dāng)中。5.1.1變密度拓?fù)鋬?yōu)化法理論基礎(chǔ)目前運(yùn)用到拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)中的常見方法有：均勻化法、變厚度法和變密度法等，其中變密度法是由均勻化法衍變來，變密度法相比于其他拓?fù)鋬?yōu)化方法具有設(shè)計(jì)變量少、計(jì)算量小、計(jì)算效率高等優(yōu)點(diǎn)[26]，因而應(yīng)用較為廣泛。變密度法通過引入可變密度材料，并且假定材料的單元密度在0-1之間進(jìn)行取值，通過軟件的拓?fù)鋬?yōu)化求解以后，觀察拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果單位密度變化云圖，其數(shù)學(xué)模型如式（5.1）Findx=x1,式中：Xi——為變量，在0和1之間取值n——設(shè)計(jì)變量個數(shù)；K——總剛度矩陣；U——結(jié)構(gòu)位移向量；F——結(jié)構(gòu)受到外力向量；V——結(jié)構(gòu)的總體積；V?——優(yōu)化結(jié)構(gòu)體積上限值由于拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)變量較多，因此改進(jìn)公式（5.1）得到式（5.2）Findρ=ρ1,式中：ρi——離散單元的相對密度N——設(shè)計(jì)變量個數(shù)；v——結(jié)構(gòu)體積；v0——優(yōu)化后結(jié)構(gòu)體積上限值其中若單元密度為0，則表示該部分區(qū)域?qū)φw結(jié)構(gòu)性能沒有影響，所以在之后的設(shè)計(jì)當(dāng)中可考慮對該部分材料進(jìn)行去除；若區(qū)域內(nèi)單元密度為1，則表示該部分區(qū)域?qū)φw結(jié)構(gòu)性能有很大影響，所以在設(shè)計(jì)優(yōu)化當(dāng)中需要保留該區(qū)域內(nèi)的材料。本次車架的拓?fù)鋬?yōu)化使用的是ANSYS經(jīng)典的拓?fù)鋬?yōu)化模塊，該軟件的拓?fù)鋬?yōu)化方法采用的即是變密度方法。5.1.2ANSYS拓?fù)鋬?yōu)化基本流程對于ANSYS軟件而言，在進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化前首先需要明確一下步驟：（1）定義需要求解的結(jié)構(gòu)：建立所需要進(jìn)行優(yōu)化的模型，其次定義該模型的物理特性，比如材料參數(shù)等。（2）選擇單元類型：ANSYS中可以用作拓?fù)鋬?yōu)化的單元類型有5種，包括平面的PLANE82單元、PLANE183單元；實(shí)體的SOLID92單元、SOLID95單元；還有殼的SHELL93單元。在拓?fù)鋬?yōu)化分析前，需要根據(jù)模型的性質(zhì)選擇合適的單元類型。（3）指定優(yōu)化區(qū)域：在ANSYS中拓?fù)鋬?yōu)化中，只對單元類型編號為1的單元進(jìn)行優(yōu)化分析，所以在劃分優(yōu)化區(qū)域與非優(yōu)化區(qū)域時，需要將優(yōu)化區(qū)域的單元類型首先定義。（4）定義載荷步：在優(yōu)化分析前需要定義所需要應(yīng)用的工況類型，也就是載荷步，通過載荷步來模擬每種工況的結(jié)構(gòu)受力情況，進(jìn)而對優(yōu)化內(nèi)容進(jìn)行約束。使優(yōu)化結(jié)果是滿足各個工況下的最優(yōu)結(jié)構(gòu)。（5）定義和控制優(yōu)化過程可分為一下4個步驟。eq\o\ac(○,1)定義優(yōu)化函數(shù)；eq\o\ac(○,2)定義優(yōu)化目標(biāo)或者約束條件；eq\o\ac(○,3)初始化優(yōu)化過程；eq\o\ac(○,4)執(zhí)行計(jì)算。其拓?fù)鋬?yōu)化基本流程圖如圖5.1。圖5.1ANSYS拓?fù)鋬?yōu)化基本流程圖5.2新能源大客車車架拓?fù)鋬?yōu)化本次優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)是通過ANSYS拓?fù)鋬?yōu)化模塊對客車車架進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，并以其為主要任務(wù)，以優(yōu)化結(jié)構(gòu)力學(xué)性能為輔。在滿足客車車架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，盡可能地減輕車架重量，從而提高車輛續(xù)航里程，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，變相提高載客量?？紤]到計(jì)算機(jī)能力受限，本次優(yōu)化將參考第3章車架靜力學(xué)分析結(jié)果，選擇合適的拓?fù)鋬?yōu)化區(qū)域進(jìn)行分段拓?fù)鋬?yōu)化。最后根據(jù)各區(qū)域的拓?fù)鋬?yōu)化變密度云圖來對車架原始結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理改變，再通過對新車架的靜力學(xué)以及模態(tài)分析來與原始數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，判斷是否達(dá)到合理優(yōu)化目的，若達(dá)到則完成優(yōu)化；若達(dá)不到，則繼續(xù)對車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，知道達(dá)到優(yōu)化目的為止。5.2.1根據(jù)有限元分析結(jié)果確定優(yōu)化區(qū)域根據(jù)第3章有限元靜力學(xué)分析結(jié)果，通過該大客車車架在四種常見工況下的應(yīng)力分布云圖，比較以及總結(jié)得到以下結(jié)論：（1）車架應(yīng)力最大處會出現(xiàn)在車后輪空氣懸架兩側(cè)與車架的支撐點(diǎn)處，以及前輪空氣懸架支撐點(diǎn)附近，但在四種工況下這些區(qū)域的最大應(yīng)力均小于材料的屈服極限，并且其安全系數(shù)均滿足設(shè)計(jì)要求，所以在優(yōu)化過程中可以對這些部分的結(jié)構(gòu)進(jìn)行保留。（2）車架應(yīng)力主要集中在客車車輪前后輪懸架支撐點(diǎn)附近，以及在一輪懸空和急轉(zhuǎn)彎工況下左右圍部分。所以車架的底架中段底部、底架中段頂部、后端電池支撐架和車頂棚支架均有較大的優(yōu)化空間。為了在保證車身性能的前提下，盡可能實(shí)現(xiàn)車架輕量化的要求，本次優(yōu)化將會對上述結(jié)論中有較大優(yōu)化空間的區(qū)域進(jìn)行分區(qū)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，減少一些不必要鋼材的用量，來滿足輕量化設(shè)計(jì)要求。5.2.2客車底架中段底部區(qū)域拓?fù)鋬?yōu)化本次優(yōu)化設(shè)計(jì)是通過ANSYS拓?fù)鋬?yōu)化模塊進(jìn)行的，在進(jìn)行拓?fù)淝蠼庵笆紫刃枰薷脑罂蛙囓嚰苣Ｐ徒Y(jié)構(gòu)使之成為適合于拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)構(gòu)。（1）填充客車底架中段結(jié)構(gòu)為了方便大客車車架進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，首先要對需要進(jìn)行優(yōu)化的區(qū)域的除主要橫梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行刪減，再通過面對挖空的區(qū)域進(jìn)行填充，在有限元模型建立之前使用PLANE82單元類型對此區(qū)域的填充面進(jìn)行單元定義，使之成為優(yōu)化區(qū)域，方便之后拓?fù)鋬?yōu)化求解。刪減與填充后的車架有限元模型如圖5.2。圖5.2客車底架中段底部填充后有限元模型（2）定義載荷步本次拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)載荷步設(shè)置考慮到在實(shí)際工況中以滿載工況，一輪懸空工況以及急制動工況最為常見，其次考慮到提高拓?fù)鋬?yōu)化效率，所以將載荷步設(shè)置為以上三種工況下進(jìn)行模擬，其中一輪懸空工況是指車架在扭轉(zhuǎn)過程中的情況，所以分別以左后輪懸空和右后輪懸空作為代表。通過以上分析總結(jié)出本次所有拓?fù)鋬?yōu)化分析的載荷步均是在滿載工況載荷與約束、左后輪懸空時載荷與約束、右后輪懸空時載荷與約束和急制動時四種載荷步之下進(jìn)行的，三種工況下的載荷與約束沿用第3章靜力學(xué)分析時的命令流，每個工況下載荷與約束定義完成后需要通過LSWRITE命令來記錄一次載荷步后進(jìn)行清空其命令流如圖5.3。圖5.3記錄載荷步1與清空命令流示意圖（3）定義優(yōu)化過程對于拓?fù)溆谢?，其總是在給定的約束和目標(biāo)下進(jìn)行的。首先需要定義目標(biāo)函數(shù)，本次優(yōu)化是在靜力學(xué)分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，所以需要使用TOCOMP命令對其進(jìn)行目標(biāo)函數(shù)定義，定義內(nèi)容為在4個載荷步下的結(jié)構(gòu)優(yōu)化類型。其次需要定義優(yōu)化目標(biāo)和約束條件，本次拓?fù)鋬?yōu)化目的是為了減少結(jié)構(gòu)重量，實(shí)現(xiàn)輕量化的目的，所以需要使用體積優(yōu)化TOVAR命令定義優(yōu)化目標(biāo)?？紤]到此客車車架均有桿件焊接而成，所以以70%的體積減少百分?jǐn)?shù)來作為拓?fù)鋬?yōu)化約束條件。最后以TOTYPE命令來進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化前的初始化，要求僅僅以體積作為約束條件。使用TODEF命令來進(jìn)行收斂精度的調(diào)整，使用默認(rèn)值即可。定義優(yōu)化過程命令流如圖5.4。圖5.4定義優(yōu)化過程命令流（4）確定迭代次數(shù)一般拓?fù)鋬?yōu)化迭代次數(shù)以10~15次為宜，迭代次數(shù)過少與迭代次數(shù)過多均會導(dǎo)致拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果的混亂。所以通過優(yōu)化面積大小、單元網(wǎng)格劃分密度和計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力等各方面因素綜合考慮，大客車車底架中段電池支架區(qū)域采用12次迭代次數(shù)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化（5）拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果根據(jù)以上拓?fù)鋬?yōu)化前的操作，進(jìn)行必要的參數(shù)設(shè)定后，對大客車車底架中段電池支架區(qū)域進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，優(yōu)化后變密度拓?fù)鋬?yōu)化云圖如圖5.5。根據(jù)變密度云圖結(jié)果來對結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，其中紅色部分為密度為1的材料區(qū)域，在改進(jìn)過程中需要對該部分材料進(jìn)行保留；藍(lán)色區(qū)域?yàn)椴牧厦芏葹?的區(qū)域，在改進(jìn)過程中需要對該部分材料進(jìn)行去除，深藍(lán)色條狀部分為保留的橫梁部分。改進(jìn)使用40×40×2mm的方鋼進(jìn)行填充，改進(jìn)后結(jié)構(gòu)圖如圖5.6。圖5.5客車底架中段底部變密度拓?fù)鋬?yōu)化云圖圖5.6客車底架中段底部區(qū)域改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)圖5.2.3客車底架中段頂部區(qū)域拓?fù)鋬?yōu)化客車底架中段頂部區(qū)域拓?fù)鋬?yōu)化步驟同上，首先對除主要橫梁以外的梁進(jìn)行去除，再對空白區(qū)域通過面進(jìn)行填充，其填充后有限元模型如圖5.7。圖5.7客車底架中段頂部區(qū)域填充圖其載荷步同樣也是在滿載工況載荷與約束、左后輪懸空時載荷與約束、右后輪懸空時載荷與約束和急制動時四種載荷步之下進(jìn)行的，優(yōu)化過程定義也接著沿用之前的拓?fù)鋬?yōu)化命令。迭代次數(shù)考慮到此區(qū)域優(yōu)化面積較小，為提高優(yōu)化效率，所以選擇10次進(jìn)行迭代。其迭代后變密度拓?fù)鋬?yōu)化云圖如圖5.8，根據(jù)變密度云圖同樣采用40×40×2mm的方鋼進(jìn)行填充，其改進(jìn)后的客車底架中段頂部區(qū)域結(jié)構(gòu)圖如圖5.9。圖5.8客車底架中段頂部變密度拓?fù)鋬?yōu)化云圖圖5.9客車底架中段頂部區(qū)域改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)圖5.2.4客車底架后段電池支撐架區(qū)域拓?fù)鋬?yōu)化由于車架后端電池支撐架部分分為三層，所以需要對每一層進(jìn)行面填充以及拓?fù)鋬?yōu)化，不難猜想每層拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果都不相同，為了方便后期車架加工，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)修改時需參照每層的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)來進(jìn)行折中，設(shè)計(jì)一個較為折中的統(tǒng)一結(jié)構(gòu)，這樣有利于后期車架的加工，簡化了工作量。車架后端電池支撐架拓?fù)鋬?yōu)化步驟同上，首先對除主要橫梁以外的梁進(jìn)行去除，再對空白區(qū)域通過面進(jìn)行填充，其填充后有限元模型如圖5.10。圖5.10車架后端電池支撐架區(qū)域填充圖其載荷步同樣也是前面分析的四種載荷步，優(yōu)化過程定義也接著沿用之前的拓?fù)鋬?yōu)化命令。迭代次數(shù)考慮到此區(qū)域優(yōu)化面積小，但優(yōu)化區(qū)域數(shù)量多，為提高優(yōu)化精度，所以選擇15次進(jìn)行迭代。其迭代后變密度拓?fù)鋬?yōu)化云圖如圖5.11，根據(jù)變密度云圖對原結(jié)構(gòu)進(jìn)行刪減，其改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)圖如圖5.12。(a)最上層支撐架(b)中間層支撐架(c)最下層支撐架圖5.11車架后端電池支撐架變密度拓?fù)鋬?yōu)化云圖圖5.12車架后端電池支撐架改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)圖5.2.5客車頂棚區(qū)域拓?fù)鋬?yōu)化客車頂棚區(qū)域在進(jìn)行填充過程中需要對車頂?shù)奶齑安糠诌M(jìn)行預(yù)留，車架頂棚的拓?fù)鋬?yōu)化步驟同上，首先對除主要橫梁以外的梁進(jìn)行去除，再對空白區(qū)域通過面進(jìn)行填充，其填充后有限元模型如圖5.13圖5.13客車頂棚填充圖其載荷步為前面分析的四種載荷步，優(yōu)化過程定義也接著沿用之前的拓?fù)鋬?yōu)化命令。迭代次數(shù)考慮到此區(qū)域優(yōu)化面積大，為提高優(yōu)化精度，所以選擇15次進(jìn)行迭代。其迭代后變密度拓?fù)鋬?yōu)化云圖如圖5.14，根據(jù)變密度云圖對原結(jié)構(gòu)進(jìn)行刪減，其改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)圖如圖5.15。圖5.14車頂變密度拓?fù)鋬?yōu)化云圖圖5.15車頂改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)圖5.3新大客車車架有限元分析根據(jù)各部分優(yōu)化結(jié)果，優(yōu)化后的車架整體三維模型圖如圖5.16，對優(yōu)化后的車架進(jìn)行在與原車架分析相同的四種工況下的靜力學(xué)分析以及模態(tài)分析，其分析所用的命令流沿用原車架分析時的命令流。圖5.16拓?fù)鋬?yōu)化后大客車三維模型圖5.3.1優(yōu)化后客車車架靜力學(xué)分析由于新車架相較于原車架，分析步驟沒有發(fā)生變化，所以對新客車車架進(jìn)行靜力學(xué)分析時可沿用原車架靜力學(xué)分析時所用到的命令流。其中分析過程基本重復(fù)，本次靜力學(xué)分析不再做介紹，以下是新客車車架在四種工況下的位移以及應(yīng)力分布云圖。滿載工況時如圖5.17，一輪懸空工況時如圖5.18，急制動工況時如圖5.19，急轉(zhuǎn)彎工況時如圖5.20。(a)滿載工況新車架位移云圖(b)滿載工況新車架應(yīng)力云圖圖5.17滿載工況下新客車車架位移以及應(yīng)力分布云圖(a)一輪懸空工況新車架位移云圖(b)一輪懸空工況新車架應(yīng)力云圖圖5.18一輪懸空工況下新客車車架位移以及應(yīng)力分布云圖(a)急制動工況新車架位移云圖(b)急制動工況新車架應(yīng)力云圖圖5.19急制動工況下新客車車架位移以及應(yīng)力分布云圖(a)急轉(zhuǎn)彎工況新車架位移云圖(b)急轉(zhuǎn)彎工況新車架應(yīng)力云圖圖5.20急轉(zhuǎn)彎工況下新客車車架位移以及應(yīng)力分布云圖觀察以上四種工況下的位移云圖以及應(yīng)力云圖可以發(fā)現(xiàn)：（1）新車架在滿載工況下，其最大位移發(fā)生在車架后端，最大位移為7.16mm；最大應(yīng)力為89.82Mpa，最大應(yīng)力小于該結(jié)構(gòu)的許用應(yīng)力230Mpa，滿足設(shè)計(jì)要求。最大應(yīng)力發(fā)生在左后輪懸掛支撐點(diǎn)處。（2）在一輪懸空工況下，其最大位移發(fā)生在車架右后端最大位移為36.00mm；結(jié)構(gòu)發(fā)生扭轉(zhuǎn)，最大應(yīng)力為176.96Mpa，同樣出現(xiàn)在左后輪懸掛支撐點(diǎn)處，仍小于該結(jié)構(gòu)的許用應(yīng)力230Mpa。（3）在急制動工況下，其最大位移發(fā)生在車架后端最大位移為4.70mm；最大應(yīng)力為87.36Mpa，發(fā)生在右后輪懸掛支撐點(diǎn)處，小于該結(jié)構(gòu)的許用應(yīng)力230Mpa，滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度需求。（4）在急轉(zhuǎn)彎工況下，其最大位移發(fā)生在車架右后端最大位移為9.57mm；最大應(yīng)力為147.55Mpa，仍小于該結(jié)構(gòu)的許用應(yīng)力230Mpa，最大應(yīng)力發(fā)生在右后輪懸掛支撐點(diǎn)處。通過以上四種工況下新客車車架的靜力學(xué)分析，統(tǒng)計(jì)其最大位移以及最大應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)四種工況下的最大應(yīng)力均滿足設(shè)計(jì)要求，說明改進(jìn)后的車架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，總結(jié)于表5.1。表5.1新車架四種工況下各種參數(shù)對比表參數(shù)工況最大位移（mm）最大應(yīng)力（Mpa）安全系數(shù)滿載7.1689.823.84一輪懸空36.00176.961.95急制動4.7087.363.95急轉(zhuǎn)彎9.57147.552.345.3.1優(yōu)化后客車車架模態(tài)分析新客車車架的模態(tài)分析仍然是在滿載工況下進(jìn)行的，其加載方法沿用分析原車架時的命令流，對新客車車架也進(jìn)行八階的模態(tài)分析，查看新車架的固有頻率，分析結(jié)果如圖5.21至圖5.28。圖5.21新車架一階振型圖圖5.22新車架二階振型圖圖5.23新車架三階振型圖圖5.24新車架四階振型圖圖5.25新車架五階振型圖圖5.26新車架六階振型圖圖5.27新車架七階振型圖圖5.28新車架八階振型圖根據(jù)新車架前八階振型圖其各階固有頻率和振型特點(diǎn)如表5.2。表5.2新車架前八階振型頻率以及振型特征表階數(shù)頻率（Hz）最大變形量（mm）振型特征14.4191.706車身骨架繞x軸扭轉(zhuǎn)24.9951.749車身骨架繞y軸扭轉(zhuǎn)36.3712.148車身骨架繞x軸與z軸扭轉(zhuǎn)410.9051.719繞z軸彎折軸處于骨架中段512.7941.627車身向后擺動613.2042.460繞z軸彎折軸處于骨架中段713.7022.287車身骨架繞x軸與z軸扭轉(zhuǎn)815.2503.058車身骨架主要繞x軸扭轉(zhuǎn)通過第4章得到的路面激勵頻率結(jié)果2.78Hz，可以判斷出新客車車架正常行駛不會發(fā)生共振現(xiàn)象，滿足客車的設(shè)計(jì)要求。5.4車架拓?fù)鋬?yōu)化前后性能對比通過對比車架優(yōu)化前與優(yōu)化后的力學(xué)性能，可以更直觀的判斷改進(jìn)后的客車車架是否達(dá)到了優(yōu)化目的。5.4.1客車車架力學(xué)性能變化重構(gòu)前后客車車架的最大變形、最大應(yīng)力和安全系數(shù)變化情況如表5.3。表5.3新能源客車車架重構(gòu)前后靜力學(xué)性能變化情況工況最大變形（mm）最大應(yīng)力(Mpa)安全系數(shù)重構(gòu)前重構(gòu)后重構(gòu)前重構(gòu)后重構(gòu)前重構(gòu)后滿載8.207.1698.5989.823.503.84一輪懸空44.4136.00199.39176.961.731.95急制動5.384.7097.2887.363.553.95急剎車10.129.57155.25147.552.222.34根據(jù)表5.3可以看出，在客車車架進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化后其在各個工況下的最大應(yīng)力都有所減少，其中在一輪懸空工況下下降比率最大，最大下降了11.25%。而且對比最大變形量，優(yōu)化后的最大變形量也均有所減少。通過最大變形于最大應(yīng)力之間的對比，可以發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的客車車架相較于原車架，其靜力學(xué)性能均得到了優(yōu)化，達(dá)到了優(yōu)化結(jié)構(gòu)性能的目的。5.4.2客車車架動態(tài)性能變化通過表4.1與表5.2，總結(jié)出新車架與原車架頻率對比圖如圖5.29圖5.29新車架與原車架頻率對比圖

由圖5.29可以判斷出優(yōu)化前后車架的頻率變化不大，都具有良好的動態(tài)性能。5.4.3客車車架質(zhì)量變化觀察ANSYS后臺處理文件，得到優(yōu)化前后客車車架質(zhì)量如表5.3，其中優(yōu)化前車架總質(zhì)量換算成國際單位制為1543.7kg；而優(yōu)化后車架總質(zhì)量為1482.5kg，質(zhì)量相較于優(yōu)化前減少了61.2kg，減重率達(dá)到了3.96%。說明本次優(yōu)化不但較少了客車車架質(zhì)量，而且還改善了其力學(xué)性能，達(dá)到了優(yōu)化目的。表5.3優(yōu)化前后客車車架總質(zhì)量項(xiàng)目總質(zhì)量（kg）優(yōu)化前1543.7優(yōu)化后1482.55.5本章小結(jié)本章通過ANSYS軟件的拓?fù)鋬?yōu)化模塊，分別對客車的車底架中段底部、車底架中段頂部、后端電池支撐架和車頂棚支架這四部分區(qū)域進(jìn)行了四種載荷步下的以減少體積70%為目標(biāo)的拓?fù)鋬?yōu)化，成果如下。（1）優(yōu)化后的客車車架在四種工況下的靜力學(xué)性能均有所提升，如結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力均有所減少，最大下降了11.25%；并且最大位移量也均有減少，安全系數(shù)得到了提高，在滿足車架強(qiáng)度要求的前提下，使得車架靜力學(xué)性能得到了優(yōu)化，達(dá)到了優(yōu)化目的。（2）優(yōu)化后的客車車架同樣具有良好的動力學(xué)性能，正常行駛狀態(tài)下不會發(fā)生共振現(xiàn)象。（3）優(yōu)化后的客車車架質(zhì)量由原來的1543.7kg下降為1482.5kg，質(zhì)量減少了61.2kg，減重率達(dá)到了3.96%，達(dá)到了車身輕量化的目的。通過本次拓?fù)鋬?yōu)化對客車車架進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最終不但達(dá)到了輕量化設(shè)計(jì)目標(biāo)，并且同時改善了車架的力學(xué)性能，以實(shí)際數(shù)據(jù)驗(yàn)證了優(yōu)化的可行性。第6章總結(jié)與展望6.1總結(jié)本文通過ANSYS有限元軟件對某電動客車車架進(jìn)行了靜力學(xué)分析以及模態(tài)分析，在原有客車車架模型的基礎(chǔ)上，通過有限元分析結(jié)果，找到合適的優(yōu)化區(qū)域，運(yùn)用ANSYS軟件內(nèi)部拓?fù)鋬?yōu)化模塊對該部分區(qū)域進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化，并根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果在原車架整體模型的基礎(chǔ)上加以優(yōu)化，最后實(shí)現(xiàn)了輕量化的同時改善結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的目的。研究成果如下：（1）在簡化模型的基礎(chǔ)上，利用ANSYS軟件通過APDL命令流對客車車架進(jìn)行了三維建模、定義材料、定義截面、定義單元、劃分網(wǎng)格等操作，逐步完成了客車車架有限元模型的建立，為之后的力學(xué)分析打下基礎(chǔ)。（2）在客車車架有限元模型的基礎(chǔ)上通過APDL命令流對有限元模型進(jìn)行載荷與約束的加載，對客車車架進(jìn)行在常見的四種工況下包括滿載工況、一輪懸空工況、急制動工況以及急剎車工況的靜力學(xué)分析，通過觀察分析結(jié)構(gòu)位移與應(yīng)力云圖來判斷該客車車架滿足了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，找出了適合進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化的區(qū)域，為之后的拓?fù)鋬?yōu)化提供了分析依據(jù)。（3）在客車車架限元模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了在滿載工況下的模態(tài)分析，得到了該車架的前8階的頻率，通過觀察頻率表以及計(jì)算處路面激勵頻率，判斷出該車架具有較為良好的動態(tài)性能，正常行駛過程中不會發(fā)生共振現(xiàn)象。（4）利用ANSYS拓?fù)鋬?yōu)化模塊在現(xiàn)有結(jié)論的基礎(chǔ)上進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化，通過APDL命令流操作對車架底架中段底部、車底架中段頂部、后端電池支撐架和車頂棚支架這四部分區(qū)域在4種載荷步下進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化，并根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化變密度云圖設(shè)計(jì)了合理的車架布局。（5）再次對改進(jìn)后的車架進(jìn)行了力學(xué)分析，通過分析結(jié)果與原車架結(jié)果對比后，新車架在輕量化的同時力學(xué)性能也得到了提升，均滿足設(shè)計(jì)要求，驗(yàn)證了本次優(yōu)化的可行性，最終客車車架質(zhì)量由原來的1543.7kg下降為1482.5kg，質(zhì)量減少了61.2kg，減重率達(dá)到了3.96%。6.2展望雖然本次優(yōu)化設(shè)計(jì)最終達(dá)到了優(yōu)化目標(biāo)，但在本次優(yōu)化過程當(dāng)中也發(fā)