結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)在客車(chē)車(chē)身輕量化的運(yùn)用

黃忠橋

武漢英康匯通電氣有限公司 430040

1 前言

隨著經(jīng)濟(jì)與社會(huì)的高速發(fā)展，人們對(duì)生活質(zhì)量的要求越來(lái)越高。相應(yīng)地，人們對(duì)于最常用的交通工具——汽車(chē)的要求也隨之提高。為了滿(mǎn)足人們的汽車(chē)需求，各種各樣性能的設(shè)備被安裝在汽車(chē)上，這無(wú)疑增加了汽車(chē)的車(chē)重，進(jìn)而油耗和汽車(chē)的尾氣排放也隨之增加。有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，在汽車(chē)生命周期的總體費(fèi)用中，油耗消費(fèi)是其中費(fèi)用最多的一項(xiàng)，占總體費(fèi)用的七成左右，所以，降低油耗對(duì)個(gè)體用戶(hù)節(jié)約成本或社會(huì)資源的可持續(xù)發(fā)展都非常有意義?？蛙?chē)車(chē)身質(zhì)量占車(chē)總質(zhì)量的三成左右，但車(chē)身的制造成本卻占到總成本的一半。也就是說(shuō)，車(chē)身輕量化對(duì)于客車(chē)來(lái)說(shuō)更有意義。

車(chē)身輕量化的主要目的是減少車(chē)身骨架的質(zhì)量，但是在減少車(chē)身質(zhì)量的同時(shí)，還要確保車(chē)身強(qiáng)度、模態(tài)等特性能夠達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。在此前提下，對(duì)車(chē)身進(jìn)行輕量化，不僅可以降低材料投入和油料消耗，還可以提高車(chē)輛的整體性能。減少因車(chē)身質(zhì)量而產(chǎn)生的無(wú)效震動(dòng)和噪聲，最終能增加汽車(chē)的使用周期，甚至可以延長(zhǎng)道路的使用壽命。

當(dāng)前，有兩種方法可以實(shí)現(xiàn)車(chē)身輕量化，第一種方法是選擇高性能的新型材料。從現(xiàn)在行業(yè)整體角度看，該方法占據(jù)車(chē)身輕量化的主流。為了滿(mǎn)足當(dāng)前大規(guī)模生產(chǎn)的需要，車(chē)身制造業(yè)都選擇輕質(zhì)材料，例如，質(zhì)量輕的鋁合金、強(qiáng)度高的鋼材等等。第二種方法則是更為高效合理的方法——有限元法，此法通過(guò)優(yōu)化客車(chē)車(chē)身的結(jié)構(gòu)組成，提高車(chē)身結(jié)構(gòu)的科學(xué)可行性，從而實(shí)現(xiàn)車(chē)身質(zhì)量的輕量化。上述兩種方法相輔相成，互相促進(jìn)，想要在不影響汽車(chē)整體性能和質(zhì)量的前提下，盡可能的降低各個(gè)零件的質(zhì)量，就必須將改變材料和改進(jìn)結(jié)構(gòu)兩者有機(jī)結(jié)合起來(lái)。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

從1973年石油危機(jī)爆發(fā)開(kāi)始，分布在全球各地的汽車(chē)企業(yè)在汽車(chē)輕量化研究方面都取得了顯著的成果。當(dāng)前汽車(chē)輕量化的手段主要有以下幾種：

2.1 車(chē)身輕量化——選擇新型材料

2.1.1 選擇高強(qiáng)度、小密度的有色合金材料，典型代表：鎂鋁合金。

2.1.2 選擇具有相同彈性模量和密度的、截面薄的、工藝性能良好的、強(qiáng)度高的鋼材。

2.1.3 選擇陶瓷、塑料高聚合物等非金屬材料。

2.2 零件結(jié)構(gòu)優(yōu)化——將結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和有限元法有機(jī)結(jié)合起來(lái)

現(xiàn)階段，優(yōu)化結(jié)構(gòu)截面的技術(shù)和理論體系已經(jīng)很完善，形狀優(yōu)化也有了顯著的發(fā)展，使得拓?fù)鋬?yōu)化或更深層次的結(jié)構(gòu)優(yōu)化成為了本行業(yè)研究者研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)領(lǐng)域。

目前，結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的手段主要有數(shù)值法和解析法兩種。其中，工程應(yīng)用一般不選擇解析法，而是采用數(shù)值法。在連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化過(guò)程中存在著兩種完全不一樣的求解體系，我們國(guó)家的研究者多半研究的是在局部應(yīng)力約束或控制下的強(qiáng)度拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，而國(guó)外的研究者則把研究重點(diǎn)放在全局體積約束下的剛度拓?fù)鋬?yōu)化上。

拓?fù)鋬?yōu)化法在汽車(chē)車(chē)身輕量化方面已得到較為廣泛的應(yīng)用。目前，國(guó)外學(xué)者在該方面的主要研究成果有以下四個(gè)方面：一是在以有限元軟件M SC.Nastran為基礎(chǔ)的汽車(chē)車(chē)身、焊接點(diǎn)、底盤(pán)等相關(guān)位置的拓?fù)鋬?yōu)化；二是在優(yōu)化汽車(chē)車(chē)身的加強(qiáng)筋部位時(shí)，充分利用有限元法和拓?fù)鋬?yōu)化法，優(yōu)化設(shè)計(jì)之后，可以在很大程度上提高汽車(chē)車(chē)身的整體強(qiáng)度，但是實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)的前提是不超出設(shè)定的成本；三是對(duì)拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)進(jìn)行深入研究和相關(guān)改進(jìn)，并將拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)的發(fā)展作為研究工作的重點(diǎn)；四是在保證車(chē)身整體剛度達(dá)到要求的同時(shí)，對(duì)車(chē)身的焊接點(diǎn)位置進(jìn)行一系列的拓?fù)鋬?yōu)化，從而找到最佳的焊接點(diǎn)位置，盡可能得降低焊接點(diǎn)的數(shù)目。國(guó)內(nèi)的學(xué)者在該方面研究的成果則主要體現(xiàn)在以下四點(diǎn)：一是將拓?fù)鋬?yōu)化的相關(guān)理論知識(shí)應(yīng)用到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的起始階段，首先對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行布局上的優(yōu)化，從而得到科學(xué)的初始結(jié)構(gòu)，然后對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終得到能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)工藝、強(qiáng)度和剛度等方面要求的最佳結(jié)構(gòu)方案；二是充分利用改變密度法來(lái)建立汽車(chē)支架結(jié)構(gòu)模型，并用有限元法對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化；三是在電動(dòng)改裝車(chē)身設(shè)計(jì)過(guò)程中充分運(yùn)用拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)的相關(guān)理論知識(shí)，從而實(shí)現(xiàn)了在多狀態(tài)變量、多工況的情況下進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，最終確立車(chē)身設(shè)計(jì)的最佳結(jié)構(gòu)手段；四是利用有限元法對(duì)車(chē)身大骨架進(jìn)行合理優(yōu)化，使其各項(xiàng)有關(guān)性能都有所增加。

由此可見(jiàn)，拓?fù)鋬?yōu)化正逐漸成為車(chē)身輕量化設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的主要方法，其更為廣泛的應(yīng)用還需要研究者進(jìn)行更加深入地探索和研究。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)在車(chē)身制造中的應(yīng)用

結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)越來(lái)越多的被運(yùn)用到汽車(chē)車(chē)身的設(shè)計(jì)中，但是，到目前為止其重點(diǎn)應(yīng)用區(qū)域還是結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化。結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化技術(shù)是較為淺顯的一種優(yōu)化方法，相對(duì)來(lái)說(shuō)，較為深層一點(diǎn)的優(yōu)化還有結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化和結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化。但是，由于受結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)的限制，結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化是目前運(yùn)用最為廣泛的一種方法。這種優(yōu)化方法是在車(chē)身設(shè)計(jì)一頂，在布局不改變的前提下，對(duì)車(chē)身的尺寸進(jìn)行優(yōu)化，所以，其效果相對(duì)來(lái)說(shuō)較為一般。而拓?fù)鋬?yōu)化則是按照參數(shù)要求，對(duì)車(chē)身的結(jié)構(gòu)、布局等進(jìn)行優(yōu)化，從而得到合理的車(chē)身結(jié)構(gòu)模型。因此，在汽車(chē)設(shè)計(jì)的初級(jí)階段，拓?fù)鋬?yōu)化可以在不考慮具體結(jié)構(gòu)尺寸的情況下，還能設(shè)計(jì)出汽車(chē)車(chē)身形狀的最佳方案。在當(dāng)前以結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化和形狀優(yōu)化為主的現(xiàn)狀下，結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)的應(yīng)用無(wú)疑是結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的一大進(jìn)步，可以大大提高汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

3.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)簡(jiǎn)介

優(yōu)化技術(shù)的普遍模式：

目標(biāo)：min φa（p）；

約束：φa（p）≤0；

設(shè)計(jì)空間：p1≤ps≤pu

在以上模式中，φ代表著車(chē)身的總質(zhì)量（或總體積），p代表設(shè)計(jì)變量。

在一定的空間布局內(nèi)，拓?fù)鋬?yōu)化是尋求投入材料最優(yōu)良的方法。它的具體優(yōu)化方法一般為：在一定約束條件下，滿(mǎn)足各種要求的同時(shí)，對(duì)材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理，舍棄不需要的材料和組件，使結(jié)構(gòu)在一定程度上達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)，在設(shè)計(jì)意義上表現(xiàn)為“最大剛度”。由以上敘述可知，拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)的自由空間相對(duì)來(lái)說(shuō)還是比較大的，所以，拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)常常被應(yīng)用于車(chē)身的概念設(shè)計(jì)階段。

相對(duì)于拓?fù)鋬?yōu)化，形狀優(yōu)化則是更注重形狀最佳化的一種設(shè)計(jì)方法。在優(yōu)化的過(guò)程中，它可以同時(shí)滿(mǎn)足質(zhì)量、強(qiáng)度、頻率等各方面的要求。

在三種不同層次的優(yōu)化方法中，尺寸優(yōu)化是最直觀(guān)的一種優(yōu)化方式。它一般是通過(guò)改變結(jié)構(gòu)單元的厚度、彈性和質(zhì)量等參數(shù)，來(lái)達(dá)到質(zhì)量?jī)?yōu)化的目的。到目前為止，這種方法是應(yīng)用最為廣泛的一種方法。

3.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)在客車(chē)車(chē)身建成中的應(yīng)用

在車(chē)身的研究開(kāi)發(fā)階段，結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)（尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化、拓?fù)鋬?yōu)化）的應(yīng)用可以大大減少研發(fā)時(shí)間，降低產(chǎn)品的研發(fā)周期和成本投入。

接下來(lái)，本文以一輛典型大客車(chē)的車(chē)身骨架結(jié)構(gòu)為例（圖1），簡(jiǎn)要地介紹其結(jié)構(gòu)優(yōu)化流程。

圖1 典型的大客車(chē)車(chē)身骨架結(jié)構(gòu)

1）整體需求及空間和荷載量的規(guī)劃

2）劃分網(wǎng)格，建立有限元模型（圖2）

圖2 客車(chē)有限元模型

3）進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，建立優(yōu)化后的C A D模型（圖3）

圖3 基于拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果的CA D模型

4）重新生成細(xì)化的網(wǎng)格，并進(jìn)行尺寸優(yōu)化（圖4）

圖4 結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化

5）得到最終的有限元模型（圖5）

圖5 最終的有限元模型

經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的客車(chē)的整個(gè)車(chē)身骨架可以滿(mǎn)足車(chē)身的各種要求，如強(qiáng)度要求、剛度要求以及模態(tài)方面的要求等等，同時(shí)還大大降低了車(chē)身的質(zhì)量，取得明顯的輕量化效果。

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要介紹了當(dāng)前對(duì)車(chē)身進(jìn)行輕量化的三種常用方法：結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化、結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化和結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化，并說(shuō)明了各種優(yōu)化方法的使用條件，進(jìn)而對(duì)其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較。在我們所闡述的三種結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法中，尺寸優(yōu)化和形狀優(yōu)化相對(duì)來(lái)說(shuō)比較成熟，應(yīng)用也較為廣泛，但是他們對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的效果卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化。結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化是一種概念性設(shè)計(jì)方法，是一種根據(jù)各種約束條件來(lái)設(shè)計(jì)材料分配最佳方案的一種優(yōu)化方法，對(duì)產(chǎn)品的整體成本和最終性能狀態(tài)都有決定性影響。

隨著人們對(duì)車(chē)輛輕量化的要求越來(lái)越高，更為高效合理的結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)必定會(huì)被開(kāi)發(fā)出來(lái)，而結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)也勢(shì)必會(huì)被應(yīng)用到車(chē)輛設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)，最終成為車(chē)輛研發(fā)過(guò)程中不可缺少的關(guān)鍵性技術(shù)。

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