隨著2025年工程車產(chǎn)業(yè)布局的持續(xù)調整與升級，蓄電池工程車憑借其節(jié)能、環(huán)保的優(yōu)勢，在市場中占據(jù)著越來越重要的地位。在這類工程車的設計與研發(fā)過程中，電池布局成為影響車輛整體性能的關鍵因素，合理的電池布局優(yōu)化對于提升工程車的綜合競爭力意義重大。
在軌道交通蓬勃發(fā)展的當下，傳統(tǒng)內燃機軌道工程車能耗高、污染重的問題日益凸顯。相比之下，蓄電池工程車可靠性強、節(jié)能環(huán)保，成為行業(yè)研究的熱門方向?！?strong>2025-2030年全球及中國工程車行業(yè)市場現(xiàn)狀調研及發(fā)展前景分析報告》指出，工程車的車架作為連接各總成、承受多種載荷的關鍵部件，其性能至關重要。而蓄電池質量約占整車質量的 24%，數(shù)量多且重量大，對整車力學性能影響顯著。因此，通過優(yōu)化電池布局提升車架力學性能，成為提高蓄電池工程車整體性能的關鍵所在。
蓄電池工程車由主車架、轉向架、駕駛室等多個部分組成。在研究電池布局優(yōu)化時，將車架剩余位置按最小單元劃分為 10 個區(qū)域，把這 10 個區(qū)域中蓄電池的數(shù)量作為設計變量。各設計變量有其初始值和取值范圍，比如 F1 初始值為 0，取值范圍是 [0,4] ，這些參數(shù)的確定為后續(xù)的優(yōu)化研究奠定了基礎。
模型簡化：實際車架結構復雜，進行有限元分析難度較大。為便于研究，對車架進行簡化，保留橫梁、側梁結構，忽略半徑較小的圓孔、倒角等。簡化后的三維模型為后續(xù)分析提供了便利。
邊界條件設定：明確車架材料為 Q345B，其密度為 7.85 g/cm3，泊松比為 0.3 ，彈性模量為 206GPa，計算出質量為 7529.36kg。選擇六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸為 25mm，節(jié)點總數(shù)達 1406970，單元總數(shù)為 713020。在正常工況下，選擇垂直載荷工況進行有限元分析，依據(jù)相關規(guī)范設置垂直載荷，包括駕駛室、電池箱和施工裝備的重力，同時固定約束車架的心盤以及旁承。
分析結果呈現(xiàn)：在電池原始布局下，即 16 塊電池均勻放在車架的特定位置，再施加其他裝備重力后，分析得出車架的最大變形為 0.948mm，最大等效應力為 14.39MPa。這一結果為后續(xù)優(yōu)化提供了對比基準。
在構建高精度近似模型前，采樣點的選擇至關重要。最優(yōu)拉丁超立方設計將設計空間分層，使采樣點均勻分布，避免集中在特定區(qū)域，提高模型全局擬合能力，從而在有限樣本點內選擇合適樣本。
綜合考慮多種構建近似模型的方法，選擇二階響應面模型。該模型使用多項式函數(shù)近似復雜有限元模型，可減少分析時間。
根據(jù)設計變量數(shù)量計算出構建二階響應面模型最少需要 66 個樣本點，實際選取 100 組布局方案，其中 10 組用于交叉驗證，90 組用于構建模型。經(jīng)多次交叉驗證，復相關系數(shù)均在 0.9 以上，表明模型擬合精度符合要求。
以提高蓄電池工程車車架力學性能為目標，選擇車架最大等效應力和最大變形作為優(yōu)化目標。由于蓄電池總數(shù)為 16 個，約束 10 個設計變量總和等于 16，且每個變量取值為整數(shù)，構建出電池布局優(yōu)化設計的理論模型。
采用多島遺傳算法求解優(yōu)化問題。該算法將種群劃分為多個子種群，每個子種群獨立進化，島嶼間定期進行個體遷徙，共享有益基因，提高算法搜索能力和優(yōu)化效果。設置總群體規(guī)模數(shù)為 20，島的個數(shù)為 8，交叉率為 0.9 ，交叉概率和變異概率為 0.01，總進化代數(shù)為 6 代。經(jīng)迭代計算，得到 3 組 Pareto 非劣解，這些解在等效應力與變形方面均優(yōu)于原始布局。
對基于響應面近似模型優(yōu)化得到的3 組布局方案，修改有限元模型進行仿真分析，并與近似模型結果對比。結果顯示，車架結構最大變形的最大誤差為 1.8%，最大等效應力的最大誤差為 3.9% ，說明響應面近似模型結果與仿真分析結果基本一致。但 3 組 Pareto 解各有優(yōu)劣，難以直接選出最優(yōu)解。
利用多體動力學軟件建立工程車動力學模型，考慮軌道隨機輸入，選擇美國 V 級軌道譜模擬真實路況激勵。對 3 組電池布局方案進行動力學仿真分析，以車架垂向平穩(wěn)性評價方案優(yōu)劣。當車輛以 80km/h 速度運行時，對比 3 組優(yōu)化布局方案與原始方案的振動頻率和垂向最大加速度。根據(jù)相關規(guī)定，3 種布局方式垂向振動加速度均滿足要求，其中方案 2 垂向振動加速度最小，被認為是最優(yōu)布局方案。與原始布局相比，優(yōu)化后車架最大變形降低 50.9%，最大等效應力降低 37.9% ，垂向振動加速度降低 14.6%。
考慮到實際軌道車車架試驗成本高，選擇搭建縮尺試驗臺。確定縮尺比為 5∶1，材料與原車架一致為 Q345B，計算出縮尺車架質量為 62.42kg。根據(jù)原車架主參數(shù)推導出縮尺車架的相似常數(shù)和設計參數(shù)，制造出縮尺車架有限元模型和實際縮尺車架。經(jīng)分析，縮尺車架各項仿真值接近設計值，表明可利用縮尺車架分析原車架力學特性。
采用電測法進行應力測試，使用三軸 45° 應變花，通過測量結構表面應變值，根據(jù)彈性模量轉換為應力值，并采用第四強度理論計算等效應力。
結合有限元仿真結果，選擇縮尺車架變形較大區(qū)域作為應變片布點位置。由于結構和載荷對稱，在一側布點。布點時，先確定位置，再打磨、擦拭，最后粘貼應變片。準備好試驗所需器材，包括工程車縮尺車架、蓄電池質量模擬塊等，并多次重復試驗以確保結果準確可靠。
試驗數(shù)據(jù)經(jīng)處理換算為應力值，對比垂直載荷工況車架應力實測值與仿真值，3 次試驗結果取平均值作為測試值，測試值與仿真值誤差為 7.1% ，小于 10%，表明優(yōu)化結果可靠。
綜上所述，在2025年工程車產(chǎn)業(yè)布局的大背景下，蓄電池工程車電池布局優(yōu)化研究取得了顯著成果。通過建立響應面近似模型與多島遺傳算法相結合的優(yōu)化方法，有效減少了計算量，提升了優(yōu)化效率。優(yōu)化后的電池布局顯著改善了蓄電池工程車的綜合力學性能，最大變形、最大等效應力和車架垂向振動加速度都有明顯降低。同時，縮尺模型試驗驗證了優(yōu)化結果的可靠性，該優(yōu)化方法還具有在其他軌道車輛及大型機械設備設計領域推廣應用的價值，有望為工程車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來新的突破。
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