摘 要

　　純電動(dòng)汽車(chē)因為采用動(dòng)力電池組及電機驅動(dòng)，具有“零污染”、低噪音、能量轉換效率高、結構簡(jiǎn)單、使用維修方便等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為了城市公交發(fā)展的主要方向。由于動(dòng)力電動(dòng)比能量不高，要提高續駛里程必須增加電池的數量，從而導致電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)質(zhì)量較大。客車(chē)車(chē)身骨架重量約占客車(chē)總重量的 30%～40%，因此為減輕客車(chē)整車(chē)質(zhì)量，通過(guò)車(chē)身結構優(yōu)化減輕客車(chē)車(chē)身骨架質(zhì)量是一條有效途徑，同時(shí)對延長(cháng)客車(chē)續駛里程、改善動(dòng)力性具有重要意義。

　　本論文研究的主要內容包括以下幾個(gè)方面：

　　首先，本文研究對象為某公司研發(fā)的 6.6 米純電動(dòng)公交客車(chē)，根據公司提供的三維UG模型，在有限元軟件Hypermesh中建立客車(chē)骨架有限元模型。在Radioss軟件中進(jìn)行水平彎曲、極限扭轉、緊急制動(dòng)及緊急轉彎工況等四種典型工況下的靜力學(xué)分析以及車(chē)身結構自由模態(tài)分析。然后在定遠試驗場(chǎng)進(jìn)行強度試驗，記錄電阻應變片的數據并處理，將各測點(diǎn)試驗值和仿真計算值比較，在誤差允許范圍內驗證有限元模型。

　　其次，對客車(chē)車(chē)身骨架的地板、頂蓋及左右側圍骨架部件進(jìn)行變量處理。根據車(chē)身結構的對稱(chēng)性和功能相似性將變量進(jìn)行分組處理，以構件厚度作為變量，進(jìn)行相對靈敏度分析篩選出對骨架質(zhì)量敏感，但對車(chē)身骨架性能不敏感的部件，把這些部件的厚度參數作為優(yōu)化設計的變量以提高優(yōu)化效率。

　　然后，對車(chē)身骨架進(jìn)行多目標優(yōu)化前，先使用哈姆斯雷試驗設計方法在設計變量空間進(jìn)行采樣，對各采樣點(diǎn)進(jìn)行有限元分析。根據有限元仿真數據，利用徑向基函數（RBF）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )方法建立車(chē)身骨架質(zhì)量、剛度及模態(tài)性能的近似模型。

　　最后，利用 Hyperstudy 軟件自帶的遺傳算法進(jìn)行多目標優(yōu)化。以車(chē)身骨架質(zhì)量最小，扭轉剛度最大為優(yōu)化目標，以一階扭轉模態(tài)頻率及一階彎曲模態(tài)頻率作為約束條件，使用遺傳算法對車(chē)身骨架進(jìn)行多目標優(yōu)化。將優(yōu)化前后的車(chē)身骨架進(jìn)行對比。實(shí)現減重 146Kg，從優(yōu)化前的 1321kg 下降到 1175kg，輕量化程度達11.05%。減重效果顯著(zhù)，同時(shí)客車(chē)車(chē)身骨架結構各項性能仍滿(mǎn)足要求。

　　關(guān)鍵詞：純電動(dòng)客車(chē)；車(chē)身骨架；輕量化；靈敏度分析；RBF 模型；多目標優(yōu)化

ABSTRACT

　　Pure electric vehicle has the advantage of zero pollution, low noise, high energy conversion efficiency, simple structure, convenient use and maintenance etc. for the use of power battery and motor drive, and has become the main direction of the development of city bus. Because of the specific energy of electric vehicle is not high, it is necessary to increase the number of batteries in order to improve the driving range. The weight of the bus body frame accounted for about 30%～40% of the total weight, so as to reduce the quality of electric vehicle, structure optimization of the body is an effective way to reduce bus body bone mass ，and has important significance to extend bus mileage, and improve power .

　　This paper studies the main content includes the following aspects:

　　First of all, the object of research of this paper is the 6.6 meter pure electric bus developed by a company. According to the three-dimensional UG model provided by the company, the finite element model of the bus frame is established in the finite element software Hypermesh. Static analysis and modal analysis are conducted in Radioss software including horizontal bending, ultimate torsion, emergency braking and emergency turning. Then, the strength test was carried out in Dingyuan proving ground, and the data of resistance strain gauges were recorded and processed, the finite element model was verified in the range of error tolerance.

　　Secondly, carring out parts of the floor of the bus body frame, the top cover and the left and right side of the skeleton. According to the symmetry of the body structure and function similarity component grouping, the thickness of the component acts as variables, the sensitivity analysis was carried out to choose design variables which were sensitive to the skeleton quality but not sensitive to body performance components to improve the efficiency of optimization parameters of side member thickness.

　　Secondly, the sensitivity analysis of the floor, the top cover and the left and right side frame parts of the bus body frame is carried out. The part thickness parameters are served as the optimization variables, The components which are sensitive to the skeleton quality but not sensitive to the body frame are selected, and the thickness parameters of the parts are taken as the variables of the optimization design to improve the optimization efficiency.

　　Then, multi-objective optimization was performed in the Hyperstudy software, with using experimental design method for sampling ham SRE in the design variable space of each sampling point. Based on the finite element simulation data, the radial basis function (RBF) neural network is used to establish the approximate model of the body mass, stiffness and modal performance.

　　Finally, the multi-objective optimization method is used to optimize the bus skeleton. The body frame quality minimum and torsional stiffness act as the optimization goal, the first-order torsion modal frequency and the first bending mode frequency act as constraints, genetic algorithm is used to optimize the body frame for multi objective optimization. The performances of the body frame of before and after optimization were compared. The final weight loss is 146Kg, body frame mass was reduced from 1321kg to 1175kg, lightweight degree is 11.05%, the effect of weight loss is remarkable, at the same time, the performances of the bus body frame structure still meet the requirements.

　　KEYWORDS: Pure electric bus; Body frame; Lightweight; Sensitivity analysis; RBF model; Multi-objective optimization

　　汽車(chē)工業(yè)的快速發(fā)展推動(dòng)了國民經(jīng)濟的發(fā)展，已然成為了國家經(jīng)濟的支柱性產(chǎn)業(yè)，給人們的生產(chǎn)、生活方式帶來(lái)了極大的便利。截止 2015 年，中國汽車(chē)產(chǎn)量和銷(xiāo)量已經(jīng)連續七年蟬聯(lián)全球第一位。同時(shí)汽車(chē)保有量也在快速增加，截止到2016 年底，根據公安部交通管理局最新發(fā)布的統計信息顯示：我國機動(dòng)車(chē)的保有量達 2.9 億輛，其中汽車(chē)的保有量就已經(jīng)達到 1.94 億輛。

　　隨著(zhù)汽車(chē)保有量的快速增加，使得汽車(chē)交通領(lǐng)域石油的消費呈現迅速增長(cháng)，這使得國家石油對外的依賴(lài)程度越來(lái)越高。從 1993 年的 6%增長(cháng)到 2013 年的58.1%，依存度已經(jīng)超越了美國。越來(lái)越高的石油進(jìn)口對國家的能源安全和經(jīng)濟社會(huì )健康發(fā)展造成了很大隱患[2]。汽車(chē)保有量的快速增長(cháng)，汽車(chē)在使用過(guò)程中排放的尾氣（二氧化碳、一氧化碳等）加快了溫室效應，給我國環(huán)境造成了巨大壓力，嚴重威脅到國家經(jīng)濟和社會(huì )的可持續發(fā)展。中國的 CO2排放量在 2006 年就超過(guò)美國成為世界第一，到 2013 年底，CO2排放量接近世界排放總量的 1/3，比美國和歐盟排放量的總和還多[3]。隨著(zhù)經(jīng)濟的持續增長(cháng)，人民生活水平的提高，汽車(chē)保有量定會(huì )繼續增長(cháng)。伴隨著(zhù)汽車(chē)保有量的有增無(wú)減，這必將使得汽車(chē)尾氣對空氣污染短期內繼續加劇。在這樣的形勢下，發(fā)展新能源汽車(chē)便成為了擺脫石油依賴(lài)以及改善環(huán)境的必然選擇。

　　針對汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展所導致的能源和環(huán)境問(wèn)題，世界各國都在積極地發(fā)展新能源電動(dòng)汽車(chē)。為了搶占新能源電動(dòng)汽車(chē)新興市場(chǎng)這個(gè)制高點(diǎn)，各國都將發(fā)展新能源電動(dòng)汽車(chē)作為國家的戰略選擇，通過(guò)各種優(yōu)惠措施促進(jìn)新能源電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)水平的發(fā)展，如采取補貼、減稅等措施，從而搶占這個(gè)領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。為了降低國內單位生產(chǎn)總值排放的二氧化碳量，即到 2020 年比 2005 年減少 40～45%，以及實(shí)現汽車(chē)行業(yè)“彎道超車(chē)”，我國先后采取了許多的鼓勵政策來(lái)促進(jìn)電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展。從 2009 年起，國家相繼出臺了“十城千輛”示范推廣工程、《電動(dòng)汽車(chē)科技發(fā)展“十二五”專(zhuān)項規劃》、《節能與新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規劃（2012-2020）》等，來(lái)增加國內新能源汽車(chē)的產(chǎn)銷(xiāo)量，壯大新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)鏈。

　　電動(dòng)汽車(chē)按動(dòng)力來(lái)源一般可分為混合動(dòng)力汽車(chē)、純電動(dòng)汽車(chē)、燃料電池汽車(chē)和氫燃料汽車(chē)等。有研究表明，在研發(fā)和使用過(guò)程中，傳統燃油汽車(chē)自身重量每減少 10%，燃油經(jīng)濟性會(huì )改善 6%～8%，排放會(huì )降低 5%～6%，而消耗的燃油每降低 1L，排放將降低 2.45Kg[4-5]。混合動(dòng)力汽車(chē)比較最顯著(zhù)的特點(diǎn)，就是在燃油經(jīng)濟性方面比傳統燃油車(chē)會(huì )節約燃油 30%～50%。混合動(dòng)力汽車(chē)在相同的情況下比純電動(dòng)汽車(chē)省電達 70%～90%，續駛里程可達 700～1000 千米。推廣新能源客車(chē)的主要是普及新能源公交客車(chē)[6]。截至 2015 年，我國新能源公交車(chē)保有量在全球遙遙領(lǐng)先，已經(jīng)超過(guò)了 10 萬(wàn)輛，且占到國內公交車(chē)保有量的 19%左右。動(dòng)力電池的發(fā)展經(jīng)歷了電池快換、大容量電池慢充、小容量電池多次快充的選擇過(guò)程，使純電動(dòng)客車(chē)現在已經(jīng)逐步成為新能源客車(chē)的主流車(chē)型[7]。在電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)取得巨大進(jìn)步的同時(shí)，電動(dòng)汽車(chē)的關(guān)鍵技術(shù)是動(dòng)力電池的比能量不高，若大幅增加電池的數量，則會(huì )增加電動(dòng)汽車(chē)的整車(chē)質(zhì)量，使得其續駛里程遠不如傳統汽車(chē)。因此，電動(dòng)汽車(chē)輕量化技術(shù)即減輕整車(chē)質(zhì)量成為了一項重要課題。減輕整車(chē)質(zhì)量，可以減少汽車(chē)的行駛阻力，從而減少能量消耗，同時(shí)能改善汽車(chē)的轉向、制動(dòng)性能，對增加電動(dòng)汽車(chē)的續駛里程具有重要意義[8]。

　　隨著(zhù)汽車(chē)工業(yè)的迅猛發(fā)展，汽車(chē)保有量快速增加，對節能減排的要求愈來(lái)愈迫切，汽車(chē)輕量化這一課題應運而生。從國家層面來(lái)看，發(fā)展汽車(chē)輕量化技術(shù)關(guān)系到國家的能源安全、環(huán)境保護的問(wèn)題；從專(zhuān)業(yè)技術(shù)方面來(lái)看，發(fā)展汽車(chē)輕量化技術(shù)已經(jīng)成為汽車(chē)企業(yè)提高核心競爭力的重要手段。

　　汽車(chē)車(chē)身骨架結構是整車(chē)的主要承載部件，骨架質(zhì)量在汽車(chē)整備質(zhì)量中的比重占 30%～40%，因此一直以來(lái)提到汽車(chē)輕量化就是指車(chē)身結構的輕量化。對電動(dòng)汽車(chē)來(lái)說(shuō)，減輕車(chē)身結構的質(zhì)量顯得更為重要。因為動(dòng)力電池組的質(zhì)量過(guò)大而使得汽車(chē)整車(chē)質(zhì)量過(guò)大，這將直接導致電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力性和續駛里程不敵傳統汽車(chē)，故在動(dòng)力電池技術(shù)輕量化獲得重大突破之前，車(chē)身結構輕量化依然是汽車(chē)輕量化的重要途徑。

　　本文采用結構優(yōu)化的尺寸優(yōu)化設計，以某企業(yè) 6.6 米純電動(dòng)公交客車(chē)車(chē)身骨架結構為優(yōu)化對象，首先在 Hypermesh 軟件中建立該客車(chē)結構有限元模型，在試驗場(chǎng)地進(jìn)行強度試驗驗證所建模型的正確性。對客車(chē)上部結構進(jìn)行優(yōu)化，先后進(jìn)行靈敏度分析篩選變量，試驗設計采樣擬合近似模型，采用多目標遺傳算法進(jìn)行結構輕量化。使客車(chē)骨架結構的各項性能降低很小的基礎上，客車(chē)結構輕量化效果明顯。

　　純電動(dòng)客車(chē)車(chē)身骨架多目標輕量化設計：

客車(chē)頂蓋骨架結構

頂蓋骨架變量分組結果

左右側圍骨架變量分組結果

扭轉剛度相對靈敏度

各響應 RBF 近似模型

Pateto 解集

優(yōu)化后水平彎曲工況下應力圖

優(yōu)化后水平彎曲工況下位移圖

優(yōu)化后位移圖

優(yōu)化后車(chē)身局部扭轉

目 錄

　　第一章 緒論
　　　　1.1 研究背景及意義
　　　　1.2 汽車(chē)輕量化的主要途徑
　　　　1.3 電動(dòng)客車(chē)輕量化的國內外研究現狀
　　　　　　1.3.1 國外研究現狀
　　　　　　1.3.2 國內研究現狀
　　　　1.4 研究?jì)热?br /> 　　第二章 客車(chē)車(chē)身骨架有限元模型的建立
　　　　2.1 引言
　　　　2.2 客車(chē)有限元模型的建立
　　　　　　2.2.1 建模準備
　　　　　　2.2.2 模型簡(jiǎn)化
　　　　　　2.2.3 網(wǎng)格劃分
　　　　　　2.2.4 懸架模擬
　　　　　　2.2.5 載荷處理
　　　　　　2.2.6 焊點(diǎn)及螺栓的模擬
　　　　2.3 本章小結
　　第三章 客車(chē)車(chē)身骨架靜動(dòng)態(tài)性能分析
　　　　3.1 引言
　　　　3.2 客車(chē)車(chē)身骨架靜態(tài)分析
　　　　　　3.2.1 水平彎曲工況
　　　　　　3.2.2 極限扭轉工況
　　　　　　3.2.3 緊急制動(dòng)工況
　　　　　　3.2.4 緊急轉彎工況
　　　　3.3 客車(chē)車(chē)身骨架模態(tài)分析
　　　　　　3.3.1 分析結果
　　　　　　3.3.2 結果評價(jià)
　　　　3.4 本章小結
　　第四章 客車(chē)車(chē)身骨架強度試驗
　　　　4.1 試驗目的
　　　　4.2 試驗儀器方案
　　　　4.3 試驗準備及測試內容
　　　　4.4 試驗數據處理
　　　　4.5 本章小結
　　第五章 客車(chē)車(chē)身骨架多目標輕量化
　　　　5.1 車(chē)身骨架變量分組
　　　　5.2 變量靈敏度分析
　　　　　　5.2.1 相對靈敏度分析理論
　　　　　　5.2.2 相對靈敏度結果分析
　　　　5.3 車(chē)身骨架性能近似模型的建立
　　　　　　5.3.1 試驗設計
　　　　　　5.3.2 近似模型理論及建立
　　　　5.4 車(chē)身骨架多目標優(yōu)化
　　　　　　5.4.2 多目標遺傳算法
　　　　　　5.4.3 多目標優(yōu)化結果
　　　　5.5 本章小結
　　第六章 客車(chē)車(chē)身骨架優(yōu)化前后性能對比分析
　　　　6.1 優(yōu)化前后靜態(tài)工況性能對比
　　　　6.2 優(yōu)化前后模態(tài)性能對比
　　　　6.3 本章小結
　　第七章 總結與展望
　　　　7.1 全文總結
　　　　7.2 工作展望
　　參考文獻
　　攻讀碩士學(xué)位期間的學(xué)術(shù)活動(dòng)及成果情況

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