大型客車(chē)門(mén)窗口變形分析與優(yōu)化＊

高云凱 田林靂 汪 翼 徐宸原

（1.同濟(jì)大學(xué)；2.山東大學(xué)）

1 前言

車(chē)身開(kāi)口變形過(guò)大會(huì)影響車(chē)身密封性，導(dǎo)致漏水等現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)可能出現(xiàn)擋風(fēng)玻璃扭碎或車(chē)門(mén)卡死等現(xiàn)象，所以在進(jìn)行車(chē)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要滿(mǎn)足實(shí)際使用工況對(duì)車(chē)身開(kāi)口變形量的要求。

本文利用MSC.Nastran軟件求解得到了某大型客車(chē)的結(jié)構(gòu)性能參數(shù)，發(fā)現(xiàn)其門(mén)窗對(duì)角線變形量偏大，扭轉(zhuǎn)剛度偏小，有必要進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。基于靈敏度分析篩選出部分梁截面尺寸作為優(yōu)化設(shè)計(jì)變量，約束門(mén)窗對(duì)角線變形量和單元應(yīng)力，以輕量化為目標(biāo)，采用MSC.Nastran優(yōu)化模塊對(duì)門(mén)窗口變形進(jìn)行了優(yōu)化，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果修改結(jié)構(gòu)并進(jìn)行了驗(yàn)證。

2 有限元分析

2.1 有限元模型

客車(chē)車(chē)身有限元建模時(shí)，車(chē)身骨架采用梁?jiǎn)卧M，而車(chē)身骨架間焊接板件、車(chē)身加強(qiáng)板及地板擱柵等板件采用板殼單元模擬，異形鋼管之間的焊接用RBE2模擬。

有限元模型采用基本單元尺寸為50 mm的BAR單元，骨架間焊接板離散化時(shí)采用基本單元尺寸為50 mm的SHELL單元，材料都為鋼，密度為7.85×10－9mm3/t，彈性模量為 210 GPa，泊松比為 0.3。模型中的節(jié)點(diǎn)總數(shù)、單元總數(shù)和RBE2單元數(shù)分別為19441、21451和2787。用于模態(tài)分析的車(chē)身骨架梁?jiǎn)卧Ｐ腿鐖D1所示。

2.2 模態(tài)分析結(jié)果

在空載模型基礎(chǔ)上，不加任何約束與載荷，用Block Lanczos方法分析車(chē)身骨架梁模型的自由－自由模態(tài)。用Nastran軟件求解，采用模態(tài)法提取0～60 Hz內(nèi)的結(jié)構(gòu)模態(tài)結(jié)果如表1所列。

表1 車(chē)身骨架結(jié)構(gòu)模態(tài)結(jié)果

參考有關(guān)文獻(xiàn)，12m大型客車(chē)車(chē)身骨架的低階彈性模態(tài)可歸納為[3，4]：1階扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率范圍在8～10 Hz之間，1階彎曲模態(tài)頻率范圍在11～20 Hz之間。由表1可知，該大型客車(chē)骨架結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)振動(dòng)特性合理。

2.3 剛度分析結(jié)果

靜態(tài)工況考慮滿(mǎn)載彎曲、1輪懸空和試驗(yàn)扭轉(zhuǎn)工況來(lái)模擬客車(chē)的實(shí)際使用工況。滿(mǎn)載彎曲工況考慮2.5倍動(dòng)載系數(shù)，1輪懸空工況考慮1.5倍動(dòng)載系數(shù)。

試驗(yàn)扭轉(zhuǎn)工況的邊界條件如下：

載荷：乘客以每人65 kg計(jì)算，將人和座椅的質(zhì)量等效成集中載荷或均勻分布集中載荷，將發(fā)動(dòng)機(jī)及變速器、空調(diào)車(chē)頂組件、天然氣瓶組、蓄電池組等部件的質(zhì)量等效為集中載荷。

約束：采取前輪懸空后輪約束的方法。前部T型加載梁中點(diǎn)約束x、y、z 3個(gè)移動(dòng)自由度和繞y、z兩個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，后鋼板彈簧前、后吊耳處約束全部6個(gè)自由度。

根據(jù)轎車(chē)臺(tái)架試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，并參考文獻(xiàn)[1]計(jì)算得到該大型客車(chē)試驗(yàn)扭轉(zhuǎn)剛度為 39 614.1 N·m/（°）。根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料，國(guó)產(chǎn)半承載式客車(chē)扭轉(zhuǎn)剛度在20 000～64 000 N·m/（°）范圍內(nèi)[2]，可知本文所研究車(chē)型的扭轉(zhuǎn)剛度處在合理范圍內(nèi)，但與同類(lèi)車(chē)型相比還處于偏低水平。

對(duì)大型客車(chē)而言，車(chē)身開(kāi)口變形主要指門(mén)窗口變形，由于其側(cè)窗較多且變形較小，本文主要對(duì)前風(fēng)窗、前門(mén)框和中門(mén)框的對(duì)角線變形量進(jìn)行了分析。計(jì)算得到靜態(tài)工況下門(mén)窗對(duì)角線變形量如表2所列。

表2 各靜態(tài)工況門(mén)窗對(duì)角線變形量 mm

由表2可知，在彎曲工況下，門(mén)窗對(duì)角線變形量都滿(mǎn)足“門(mén)窗框?qū)蔷€變形量不得超過(guò)5 mm”的要求[3]；在1輪懸空工況下，前風(fēng)窗和中門(mén)框的對(duì)角線變形量都有超過(guò)5 mm的情況，后輪懸空工況最大變形量甚至達(dá)到10.8 mm，說(shuō)明前風(fēng)窗和中門(mén)框剛度不足。在各種工況下前門(mén)框的變形量都較小，遠(yuǎn)小于5 mm，說(shuō)明前門(mén)框的剛度充裕，存在優(yōu)化空間。因此，對(duì)于剛度不足的前風(fēng)窗和中門(mén)框需進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)，對(duì)于剛度充裕的前門(mén)框可進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)以提升性能。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 優(yōu)化思路

本次優(yōu)化的主要目標(biāo)是控制靜態(tài)工況下門(mén)窗對(duì)角線的變形量，提高車(chē)身結(jié)構(gòu)剛度。同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)輕量化的要求，在質(zhì)量不增加或質(zhì)量增加最少的前提下獲得結(jié)構(gòu)剛度的最大提高。為此以結(jié)構(gòu)輕量化為目標(biāo)函數(shù)，以門(mén)窗框?qū)蔷€變形量不超過(guò)5mm為約束條件，進(jìn)行梁截面尺寸優(yōu)化。優(yōu)化求解流程如圖2所示。

3.2 靈敏度分析與設(shè)計(jì)變量選取

建立了大型客車(chē)梁?jiǎn)卧Ｐ?，選擇車(chē)身梁截面尺寸為設(shè)計(jì)變量。由于大型客車(chē)車(chē)身空間梁結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由此建立的設(shè)計(jì)變量多達(dá)358個(gè)，為了提高優(yōu)化效率，需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)靈敏度分析，以篩選出部分梁截面尺寸作為優(yōu)化設(shè)計(jì)變量。

本文重點(diǎn)分析左后輪懸空、右后輪懸空工況下前風(fēng)窗和中門(mén)框?qū)蔷€變形量對(duì)梁截面尺寸的靈敏度。

約束前風(fēng)窗、中門(mén)框?qū)蔷€變形量不超過(guò)5 mm，以車(chē)身骨架質(zhì)量最輕作為目標(biāo)函數(shù)，提交Nastran求解輸出各響應(yīng)相對(duì)于設(shè)計(jì)變量的靈敏度系數(shù)矩陣。

車(chē)身質(zhì)量相對(duì)于設(shè)計(jì)變量的靈敏度用符號(hào)Sm表示，前風(fēng)窗對(duì)角線變形量和中門(mén)框?qū)蔷€變形量相對(duì)于設(shè)計(jì)變量的靈敏度分別用符號(hào)Sw、Sd表示。引入相對(duì)靈敏度指標(biāo)Sw/Sm和Sd/Sm，當(dāng)該比值小于0時(shí)，絕對(duì)值越大，表示減小等量的對(duì)角線變形量所需增加的質(zhì)量越小；當(dāng)該比值大于0時(shí)，絕對(duì)值越大，表示減少相同質(zhì)量導(dǎo)致的對(duì)角線變形量增加值越大[2]。在優(yōu)化時(shí)應(yīng)優(yōu)先選用Sw/Sm和Sd/Sm絕對(duì)值都大的設(shè)計(jì)變量。

根據(jù)上述準(zhǔn)則，篩選得到的設(shè)計(jì)變量在車(chē)身骨架結(jié)構(gòu)中的分布如圖4所示。

由圖4可知，窗立柱、側(cè)圍斜撐、側(cè)圍裙梁、頂蓋橫梁，以及前風(fēng)窗上、下橫梁和前圍外框等結(jié)構(gòu)對(duì)門(mén)窗變形量較為敏感，選擇這些梁截面作為設(shè)計(jì)變量進(jìn)行尺寸優(yōu)化，能在車(chē)身質(zhì)量不增加或增加最少的情況下實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)剛度的最大提高。

3.3 門(mén)窗口變形優(yōu)化

本次優(yōu)化考慮彎曲和1輪懸空共5個(gè)工況，設(shè)計(jì)變量為經(jīng)上述靈敏度分析篩選出來(lái)的50個(gè)設(shè)計(jì)變量，約束門(mén)窗對(duì)角線變形量不超過(guò)5 mm以及各單元應(yīng)力不超過(guò)235 MPa[4]，以車(chē)身骨架的質(zhì)量最輕作為目標(biāo)函數(shù)。

經(jīng)過(guò)18次迭代優(yōu)化后達(dá)到硬收斂，目標(biāo)函數(shù)迭代歷程如圖5所示。

由圖5可知，車(chē)身骨架質(zhì)量由優(yōu)化前的3 449 kg增加到優(yōu)化后的3 455 kg，質(zhì)量增加6 kg。

為了使優(yōu)化后的截面尺寸能夠?yàn)樯a(chǎn)實(shí)際所采用，對(duì)優(yōu)化后的結(jié)果進(jìn)行圓整。圓整后尺寸增大和減小的設(shè)計(jì)變量在車(chē)身結(jié)構(gòu)中的分布情況如圖6和圖7所示。

由圖6和圖7可知，優(yōu)化后尺寸增大的設(shè)計(jì)變量主要集中在中門(mén)框和前圍，尺寸減小的設(shè)計(jì)變量主要是頂蓋橫梁、窗立柱和側(cè)圍斜撐等結(jié)構(gòu)。

4 優(yōu)化前、后結(jié)構(gòu)性能對(duì)比

優(yōu)化前、后車(chē)身結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率對(duì)比如表3所列，門(mén)窗框?qū)蔷€變形量對(duì)比如表4所列。

表3 優(yōu)化前、后車(chē)身結(jié)構(gòu)模態(tài)對(duì)比

由表3可知，在車(chē)身骨架質(zhì)量略有增加的情況下，車(chē)身骨架結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性基本保持不變。

表4 優(yōu)化前、后門(mén)窗框?qū)蔷€變形量對(duì)比 mm

由表4可知，優(yōu)化后各靜態(tài)工況下門(mén)窗框的對(duì)角線變形量都在5 mm以?xún)?nèi)，較優(yōu)化前下降了很多，滿(mǎn)足了對(duì)門(mén)窗框?qū)蔷€變形量的要求，優(yōu)化后車(chē)身開(kāi)口處剛度明顯提高，優(yōu)化效果顯著。

此外，車(chē)身試驗(yàn)扭轉(zhuǎn)剛度由優(yōu)化前的39 614.1 N·m/（°）提高到 4 1761.0 N·m/（°），增幅 5.42%，說(shuō)明車(chē)身開(kāi)口剛度和整體剛度有緊密聯(lián)系。通過(guò)優(yōu)化門(mén)窗變形量可以有效提高車(chē)身結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度，對(duì)于客車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化具有指導(dǎo)意義。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文建立了某大型客車(chē)車(chē)身骨架有限元模型并進(jìn)行了模態(tài)和靜態(tài)剛度分析，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行門(mén)窗口變形優(yōu)化，得到如下結(jié)論：

a. 通過(guò)靈敏度分析，引入相對(duì)靈敏度指標(biāo)，據(jù)此篩選出優(yōu)化過(guò)程的設(shè)計(jì)變量用于門(mén)窗框?qū)蔷€變形量的優(yōu)化，以較少的結(jié)構(gòu)修改實(shí)現(xiàn)大型客車(chē)門(mén)窗口剛度優(yōu)化，方法合理高效。

b. 由優(yōu)化結(jié)果可知，通過(guò)優(yōu)化門(mén)窗口變形，提高門(mén)窗開(kāi)口剛度，使得車(chē)身結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度明顯提高，可見(jiàn)門(mén)窗開(kāi)口剛度與車(chē)身結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)剛度有密切聯(lián)系。

1 劉惟信.汽車(chē)設(shè)計(jì).北京：清華大學(xué)出版社，2001.

2 高云凱，王婧人，汪翼.基于正交試驗(yàn)的大型客車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)多工況拓?fù)鋬?yōu)化研究.汽車(chē)技術(shù)，2011，11:16～19.

3 陳光，崔玲，高云凱.大客車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)多工況綜合優(yōu)化分析.山東大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，12：88～92.

4 Yu Cheng Lin， Hong CHiNian.StructuralDesign Optimization of the Body Section Using the Finite Element Method.SAE 2006－01－0954.

5 Y.K Gao，P.Liu.Optimization Analysis for Fuel Cell Body Structure in Multi－load Case.Advanced Material Research Vols.44～46（2008）:401～408.

6 高云凱.汽車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)分析.北京：北京理工大學(xué)出版社，2006.

7 高云凱，楊欣，金哲峰.轎車(chē)車(chē)身剛度優(yōu)化方法研究.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，33（8）.

8 丁煒琦，蘇瑞意，桂良進(jìn)，范子杰.基于應(yīng)力優(yōu)化的大型客車(chē)結(jié)構(gòu)多目標(biāo)優(yōu)化.汽車(chē)技術(shù)，2010，4:4～7.

9 Hailiang Wang， Xianlong Jin， Zhongqin Lin.FEM Static and Dynamic Analysis of the Body Structure of SK6120 Low Floor City Bus.SAE 2002－01－0813.