隨著2025年工程車產業布局的持續調整與升級，蓄電池工程車憑藉其節能、環保的優勢，在市場中占據著越來越重要的地位。在這類工程車的設計與研發過程中，電池布局成為影響車輛整體性能的關鍵因素，合理的電池布局優化對於提升工程車的綜合競爭力意義重大。

  一、工程車電池布局優化的背景與重要性

  在軌道交通蓬勃發展的當下，傳統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、節能環保，成為行業研究的熱門方向。《2025-2030年全球及中國工程車行業市場現狀調研及發展前景分析報告》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%，數量多且重量大，對整車力學性能影響顯著。因此，通過優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。

  二、工程車電池布局優化的模型構建

  (一)參數模型搭建

  蓄電池工程車由主車架、轉向架、駕駛室等多個部分組成。在研究電池布局優化時，將車架剩餘位置按最小單元劃分為 10 個區域，把這 10 個區域中蓄電池的數量作為設計變量。各設計變量有其初始值和取值範圍，比如 F1 初始值為 0，取值範圍是 [0,4] ，這些參數的確定為後續的優化研究奠定了基礎。

  (二)有限元模型建立

  模型簡化：實際車架結構複雜，進行有限元分析難度較大。為便於研究，對車架進行簡化，保留橫樑、側梁結構，忽略半徑較小的圓孔、倒角等。簡化後的三維模型為後續分析提供了便利。

  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。選擇六面體網格，網格尺寸為 25mm，節點總數達 1406970，單元總數為 713020。在正常工況下，選擇垂直載荷工況進行有限元分析，依據相關規範設置垂直載荷，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：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後，分析得出車架的最大變形為 0.948mm，最大等效應力為 14.39MPa。這一結果為後續優化提供了對比基準。

  三、工程車電池布局優化的近似模型建立

  (一)最優拉丁超立方設計應用

  在構建高精度近似模型前，採樣點的選擇至關重要。最優拉丁超立方設計將設計空間分層，使採樣點均勻分布，避免集中在特定區域，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。

  (二)響應面近似模型選擇

  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近似複雜有限元模型，可減少分析時間。

  (三)近似模型精度分析

  根據設計變量數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 組用於交叉驗證，90 組用於構建模型。經多次交叉驗證，復相關係數均在 0.9 以上，表明模型擬合精度符合要求。

  四、工程車電池布局的結構優化策略

  (一)優化數學模型構建

  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化目標。由於蓄電池總數為 16 個，約束 10 個設計變量總和等於 16，且每個變量取值為整數，構建出電池布局優化設計的理論模型。

  (二)優化算法選擇與應用

  採用多島遺傳算法求解優化問題。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化效果。設置總群體規模數為 20，島的個數為 8，交叉率為 0.9 ，交叉機率和變異機率為 0.01，總進化代數為 6 代。經疊代計算，得到 3 組 Pareto 非劣解，這些解在等效應力與變形方面均優於原始布局。

  五、工程車電池布局優化的結果分析

  (一)優化結果對比驗證

  對基於響應面近似模型優化得到的3 組布局方案，修改有限元模型進行仿真分析，並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 解各有優劣，難以直接選出最優解。

  (二)動力學仿真分析評估

  利用多體動力學軟體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，以車架垂向平穩性評價方案優劣。當車輛以 80km/h 速度運行時，對比 3 組優化布局方案與原始方案的振動頻率和垂向最大加速度。根據相關規定，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，被認為是最優布局方案。與原始布局相比，優化後車架最大變形降低 50.9%，最大等效應力降低 37.9% ，垂向振動加速度降低 14.6%。

  六、工程車電池布局優化的試驗驗證

  (一)縮尺試驗台搭建

  考慮到實際軌道車車架試驗成本高，選擇搭建縮尺試驗台。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。根據原車架主參數推導出縮尺車架的相似常數和設計參數，製造出縮尺車架有限元模型和實際縮尺車架。經分析，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。

  (二)試驗方法確定

  採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，根據彈性模量轉換為應力值，並採用第四強度理論計算等效應力。

  (三)試驗準備工作

  結合有限元仿真結果，選擇縮尺車架變形較大區域作為應變片布點位置。由於結構和載荷對稱，在一側布點。布點時，先確定位置，再打磨、擦拭，最後粘貼應變片。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，並多次重複試驗以確保結果準確可靠。

  (四)試驗結果分析

  試驗數據經處理換算為應力值，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% ，小於 10%，表明優化結果可靠。

  綜上所述，在2025年工程車產業布局的大背景下，蓄電池工程車電池布局優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化方法，有效減少了計算量，提升了優化效率。優化後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化結果的可靠性，該優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，有望為工程車產業的發展帶來新的突破。