一、引言
　　与传统的城市客车相比，混合动力客车配备发电机组部分【由小功率汽（柴）油机、发电机组成】、驱动电机、动力电池组及驱动传动系统。混合动力汽车将发动机、电动机及能量储存装置（蓄电池）组合在一起，它们之间的恰当匹配和优化控制，可充分发挥内燃机汽车和电动汽车的优点，并尽可能地避免各自的不足，是当今最具实际开发意义的低排放和低油耗汽车。这些系统在车身上的合理布置对车身骨架的动静态特性及整车性能的最终实现有着重要意义。
　　客车车身结构是一个由各种承载构件组成的空间超静定结构，它是车辆的承载单元，客车行驶时，车身结构要承受多种载荷的作用。对客车车身结构进行静态和动态分析，可获得结构的承载特性和振动特性等评价指标，并为结构的改进设计提供依据。
　　二、有限元模态分析基础
　　大客车车身可以看作是具有有限个自由度的弹性系统运动方程，可应用动载荷虚功原理推导出来，其矩阵形式为：

　　式中：M——结构总质量矩阵；
　　C——结构总阻尼矩阵；
　　K——结构总刚度矩阵；
　　δ——节点位移列阵；
　　p——结构的载荷列阵。
　　在模态分析过程中，取p为零矩阵，因结构阻尼较小，对结构的固有频率和振型影响甚微，可忽略不计，由此可得结构的无阻尼自由振动方程：
　　Mδ Kδ=0（2）
　　这是常系数线性齐次微分方程组，其解的形式为：
　　δ=δ0sin（ωt φ）（3）
　　式中：ω——振动固有频率；。
　　φ——振动初相位。
　　将（3）式代入（2）式后，便得到如下的齐次线性代数方程：

　　（4）式有非零解的条件是其系数行列式等于零，即：

　　当矩阵K以及M的阶数为n时，式（5）是ω2的n次实系数方程，称为常系数线性齐次常微分方程组（2）的特殊方程，系统自由振动特性（固有频率和振型）的求解问题就是求矩阵特征值和特征向量δ的问题。
　　三、车身有限元模型的建立
　　对半承载式车身来说，由于车架具有较强的承载能力，在建立模型时，忽略蒙皮的作用。本文有限元模型的建立方法为：
　　1.略去某些非承载构件及装饰件，如仪表板、风窗玻璃及前后保险杠等；
　　2.将车身中的各微曲梁进行直化处理，侧围和顶盖中的一些曲率较小的构件近似地作为直梁单元分段组成；
　　3.由于客车车身上通常纵梁和横梁交叉联接，联接处可按照主承载性能等效原则简化为1个节点；
　　4.取约束和载荷作用点处为梁单元节点；车身骨架各构件之间的连接点、集中载荷作用点、支承点及构件的拐点作为模型的节点；另外，为进一步简化计算，车身骨架结构中紧密相邻的两根或多根梁进行合并，用一根梁代替。
　　由于梁单元在计算中的应力和变形取决于截面形状、惯性矩和外部边界条件的相互作用，因此，为保证简化后梁的应力和变形结果与简化前相同，要保证简化前后梁的截面形状和惯性矩相同，车身CAE模型如图1所示。

　　载荷和约束处理混合动力城市客车使用情况不是很复杂，基本上是在城市普通公路上行驶。根据GB/T6792-1996《客车车身骨架应力、变形测量方法》，本文初步探讨了混合动力客车载荷和约束条件的加载方法。与常规城市客车相同，本文选取弯曲、扭转、紧急制动和急转弯4种工况对车身结构进行计算分析。
　　载荷处理：主要考虑客车结构自重、装备质量及乘客质量。座位上的乘客与座椅载荷按照每人85kg分配到相近的节点上；站立乘客载荷按照每人65kg均布于加载到车厢通道地板上；电池载荷均布于其支撑梁上，控制器、发电机、驱动电机及其控制器、空气压缩机等载荷则各自平均分配到相应的支撑节点。
　　（一）弯曲工况
　　弯曲工况主要是对客车满载状态下模拟客车在静态或良好路面匀速直线行驶时的应力分布和变形情况，该工况下将悬架弹簧与车架连接点6个方向自由度全部约束。
　　（二）紧急制动工况
　　紧急制动工况主要考虑当客车以最大制动加速度0.7g制动时，地面制动力对车身骨架的影响。
　　该工况下，除了集中载荷同弯曲工况外，在x方向上还要附加-0.7g的惯性力。
　　（三）急转弯工况
　　急转弯工况主要考虑当客车以最大转向加速度0.4g转弯时，惯性力对车身的影响。除了集中载荷同弯曲工况外，在y方向上还要附加0.4g的离心力，该工况下放松一侧y方向的位移约束作为约束条件。
　　（四）扭转工况
　　扭转工况主要考虑一个车轮悬空而另一车轮抬高时施加在车桥上的扭矩作用，这是最严重的扭转工况，但在混合动力大客车的使用过程中不易出现。根据GB/T6792-1996《客车车身骨架应力、变形测量方法》，选取单轮悬空的最危险工况，因此，利用静扭转试验可以反映出车身骨架的实际强度。对于后置式客车而言，左（右）后轮悬空状态为最恶劣工况，约束条件为去掉下沉的后轮约束。
　　四、计算结果及分析
　　按照所给工况、载荷及约束条件，分别建立模型进行计算，得出车身骨架最大应力及最大位移，结果如表1所示。

　　（一）弯曲工况结果分析
　　弯曲工况计算主要是对汽车满载状态下，四轮着地时的结构静强度和刚度进行校核（计算显示，弯曲应力集中的区域有：车架主纵梁与前后钢板弹簧支撑梁位置处；车顶中部与侧窗上沿的过渡连接区；中门立柱上半部的附近区域；前门立柱上半部的附近区域），其中应力最大的地方是底架主纵梁与后钢板弹簧支撑梁位置处。
　　（二）紧急制动工况和急转弯工况
　　这2个工况主要考察车身骨架的刚度，反映了客车的安全性。
　　（三）扭转工况
　　通过对极限扭转工况的计算，可以看出，左后轮悬空状态的应力值达到最大值，并出现在右后悬架与车架的连接处，此时为该车的最危险工况。这样的结果反映了该车的整体布置不是很合理，有待进一步改进。
　　由计算结果可知，在这几种工况下，大部分车身骨架应力值都不太大，最大处均在后悬架连接部位，以左后轮悬空车身扭转时为最大。该车车架均采用16MnRel，由《机械设计手册》可知其σb=470～620MPa，取550MPa，可得最小安全系数为：
　　n=σb/σ=550/353=1.55
　　由于计算时用的是左后轮悬空的极限工况，且最大应力值只出现在后悬架连接点，而其它部位的应力很小，所以安全系数能满足要求。
　　五、模态分析
　　对客车车身骨架在无阻尼自由振动状态下，计算其固有频率和振型。略去前6阶刚体位移，车身骨架固有频率计算结果见表2，振型图见图2～图4。

　　分析表明，该混合动力大客车的发动机工作转速为2200r/min左右，且一直保持该工作状况，从而达到机械效率的最优值附近，此时它的振动频率为36.7Hz，不在大客车的频率范围内，不会发生共振。
　　六、结论
　　通过计算说明了混合动力客车车身结构满足刚度和强度的要求。整车的布置方式后桥的承载质量较大，使得后悬架与车架的连接部位应力值较高；同时，车身的大顶和侧围骨架刚度较大。因而，应对该车进行进一步的轻量化设计。
　　混合动力客车的研制要充分考虑整车的动静态特性，做到载荷的合理分配，从而避免出现应力集中而影响到整车性能的实现。