佛山市飞驰汽车制造有限公司
摘要：文章从整车结构与设计出发，分别简述了电动客车车身骨架的有限元，以及拓扑优化和结果，以供参考。
关键词：纯电动客车；车身结构；设计
随着各国政府逐渐启动燃油车禁售时间表，零排放、低污染、低噪音、低能耗的纯电动汽车开始成为各国大力推广的对象。在纯电动汽车中，以纯电动公交客车为代表的新能源城市公共服务用车是我国政府的推广重点。为了保证纯电动公交客车拥有一定距离的续驶里程，车上往往布置了较大容量和体积的动力电池包，动力电池包的重量一般可以达到车身骨架重量的30%-40%左右。这意味着在车身结构大致相似的情况下，纯电动客车与传统燃油客车相比，在各种典型工况下受力状况更加恶劣，更容易发生强度、刚度失效的问题。
一、整车结构与设计
以某纯电动客车为例，在设计过程中以国内外公交客车的先进技术为基础，根据电动汽车特点进行系统总体设计，并不要求每个子系统最优，只求得各个子系统的最佳匹配，最终得到整车最优。整车的设计主要分为两部分，一部分主要是电气及控制系统的设计，另一部分是机械系统的集成和优化设计。
1.电气及控制系统布置
电气及控制系统主要包括低压电气系统、高压电气系统和整车控制与能量管理系统。电气及控制系统的结构原理如图1所示。
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图1 电气及控制系统结构原理图
整车控制与能量管理系统主要完成整车控制与能量管理两部分功能，担负着采集整车的各子系统的运行信息并进行监控与诊断，维持所有电池处于最佳状态，控制充电方式和提供剩余能量显示等职责，并具体实现以下功能。
（1）整车信息检测与显示，包括：气压信号加速踏板和制动踏板等模拟信号，以及车速、前进后退、控制器开关、暖气开关、气泵开关、油泵开关以及手制动等开关量。
（2）通过CAN总线与电动机控制器进行通信并显示与电动机相关的信息。
（3）进行换挡控制，通过控制高压断路器遗免电池深度放电
（4）动力电池组信息检测与显示，其中包括：总电流、总电压，动力电池组充电状态（oC）估计，单支电池电压和每箱电池组温度。
（5）维护电池使用：放电欠压报警、充电过压报警、电池损坏报警
（6）通过CAN总线与充电机进行通信。动力电池组输出的高压直流电通过高压电气配电盒与驱动电动机、空调压缩机、转向系统动电机和制动系统驱动电动机等实现能量分配，同时通过DC/DC变换器将384V高压直流电转换为24V低压电流，为仪表、照明、控制系统和车身附件提供电能，并给负责蓄电池充电。
二、电动客车车身骨架的有限元分析
1.有限元模型建立
有限元分析的应用需要进行有限元模型的建立。以某客车公司的某型号纯电动客车为例：该客车长10m，车身结构是半承载式；车架通过连接角钢和左右侧围骨架、前后围焊接。因为该车是纯电动客车，所以采用动力电池为驱动能量，布置采用分布式的方式，在顶部进行电动空调的安置。在进行建模的时候，可以将蒙皮的影响进行忽略。设计车身骨架的时候，需要对实际行驶过程中的最大荷载进行考虑。综合分析，最终得到的车身骨架有限元单元数八千多个，节点数将近三万个。单元尺寸采用软件默认的数值，保证其最小值达到5.781——003mm。
2.行使工况分析
对纯电动客车的车身骨架拓扑结构进行设计优化目的是要提升安全性，所以对其的行驶工况进行分析十分的必要。就行驶工况的具体分析来看，主要有四方面的要素：第一是弯曲工况。客车在满载的情况下或用于车身结构的荷载需要处理成结构自重、装备重量和乘客以及座椅的质量，所以做好荷载的处理十分的必要。在弯曲工况的讨论中，还有一项重要的内容是约束处理。第二是扭转工况。从实践分析来看，车身发生的比较激烈的扭转都是在崎岖不平的道路上所发生的。发生这种情况的时候动载在时间上变化缓慢，所以将其视为静态荷载即可。在扭转工况条件下，为了安全，也需要做好荷载的处理。第三是紧急制动工况。第四是紧急转弯工况。无论是什么工况，车身骨架的荷载都会存在。做好其荷载受力的分析，可以将荷载处理得更加到位。
3.结果分析
从目前的实践来看，结果分析主要包括两部分的内容：第一部分是强度分析。从实践研究来看，车身骨架尾部产生的应力相较于前段来说普遍比较大，所以在弯曲、制动以及转弯的工况条件下，车身骨架的最大应力值变化并不大。在扭转工况条件下，在扭力矩作用的情况下，虽大应力值会迅速的升高，此时在车架和左侧骨架的连接处，应力值达到最大。第二部分是刚度分析。车身骨架在发生弯曲、紧急制动以及紧急转弯的时候，最大变形量的差别并不大，而且最大的变形位置都处在顶盖骨架的电空调支撑横梁处。当车身骨架发生扭转的时候，整个车身的扭曲变形十分的恶劣，此时，各处的变形量都会发生比较明显的增大，最大的变形量也转移到了左侧的骨架，但是变形量不会超过3mm。由此可见车身骨架在各种条件下的刚度较强。
三、拓扑优化和结果
纯电动客车的安全性是其设计的时候需要考虑的重点问题。车身骨架无论是对于乘客还是驾驶人员都起着保障作用。因此在具体设计的时候，其拓扑结构必须要做到优化。这样骨架荷载的均衡性会更强，车身的安全性也会显著的增加。
1.拓扑优化介绍
从目前的具体分析来看，拓扑优化主要是以材料分布为最基本对象的。通过拓扑的优化，可以在分布空间当中找到更加合理的均匀分布材料的方案。这样，车身骨架的结构优化目标便可以实现。从目前的具体优化来看，采用比较广泛的优化方法是渐进结构优化法。此种方法的优化参数是整个结构上的质量函数，通过优化，结构中无效或者是比较低效的材料会被一点点的去除，最终达到结构优化的目的。在优化的过程中，车身的总质量是优化所选择的指标，具体的优化目标是在满足给定条件的情况下使选择的优化指标达到最小。
2.拓扑优化过程及结果
从优化实践来看，其主要分为三个基本的步骤。第一是重新建模。将车身进行重新的建模，这样，车身的信息会在模型当中有更加具体的表现，具体需要优化的点以及空间布置会更加的清楚。第二是进行顶盖骨架的优化。根据重新建立的模型以及确定的优化目标，对顶部骨架进行持续的优化，实现材料布置的科学。第三是进行前围和车架的优化。此部分的优化需要在结合顶部骨架优化的基础上进行，这样，此部分的优化针对会更有效果。简言之，通过整体模型建立和分部位优化，拓扑优化的目标可以有效的实现。
在拓扑优化完成后，对结果进行了分析，发现在取得成绩的同时，优化还需要实现研究的深入。下面是优化结论：其一是在强度和刚度允许的情况下，车身结构更加的合理，材料的利用率有了明显的提高，车身骨架的质量有了下降。第二是拓扑优化方法的减重效果有效，对空间离散构件的优化误差比较大，材料的去留难度也较大，因此需要实现研究的深入。第三是新型材料在优化中的利用需要做进一步探讨。
参考文献：
[1]刘通，杨和利.基于拓扑理论的新能源客车车身优化设计[J].农业装备与车辆工程，2017
[2]王楠雁.简谈电动汽车身结构设计与发展[J].科学咨询，2018（22）