基于概念設(shè)計的客車車身結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化系統(tǒng)

基金項目：國家自然科學基金資助項目（11272077）；遼寧省“百千萬”人才項目（2010921057）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助項目（DUT12LK10）

作者簡介：侯文彬（1973-），男，河北張家口人，大連理工大學副教授，博士

摘要：針對客車車身結(jié)構(gòu)概念設(shè)計的特點，開發(fā)了客車車身結(jié)構(gòu)概念設(shè)計與優(yōu)化系統(tǒng)（簡稱BCD），建立了參數(shù)化的客車車身結(jié)構(gòu)概念模型以該模型為模板，實現(xiàn)了新客車車身結(jié)構(gòu)概念幾何模型的創(chuàng)建和車身尺寸參數(shù)調(diào)整，同時建立了車身系統(tǒng)的靜態(tài)剛度分析、低階模態(tài)分析、靈敏度計算和優(yōu)化設(shè)計計算的自動化過程，對車身的結(jié)構(gòu)性能和低階模態(tài)進行了有效的預(yù)估最后，本文使用該系統(tǒng)計算了某客車車身結(jié)構(gòu)的剛度和低階模態(tài)，并在保證車身質(zhì)量降低的情況下實現(xiàn)了剛度和低階模態(tài)的提高，有效的改善該車身結(jié)構(gòu)性能，實現(xiàn)了車身輕量化，驗證了BCD系統(tǒng)的有效性和可靠性

關(guān)鍵詞：客車車身；概念設(shè)計；車身優(yōu)化；輕量化

中圖分類號：U46221文獻標識碼：A

客車車身骨架是由薄壁桿件組成的復雜的空間高次超靜定結(jié)構(gòu)，是整車的關(guān)鍵總成其受力情況復雜，結(jié)構(gòu)分析難度較大，并且其結(jié)構(gòu)性能的好壞與客車車身使用壽命直接相關(guān)[1-2]一般來說客車車身結(jié)構(gòu)應(yīng)該滿足如下要求：具備足夠的靜態(tài)結(jié)構(gòu)剛度以滿足裝配及使用要求；強度上要能承受實際工況中出現(xiàn)的最大靜載荷及動載荷，以保證其疲勞壽命；還應(yīng)具有合理的動態(tài)性能以達到控制振動和噪聲的目的[3-4]客車車身的開發(fā)流程可以分為：產(chǎn)品策劃、概念設(shè)計、技術(shù)設(shè)計、產(chǎn)品試制、產(chǎn)品試驗和生產(chǎn)準備6個階段其中客車車身結(jié)構(gòu)概念設(shè)計階段對于整車開發(fā)具有重要意義，是保證整車性能、設(shè)計質(zhì)量及可靠性的重要階段，是集中體現(xiàn)創(chuàng)造性思維的階段在實際應(yīng)用中，客車車身結(jié)構(gòu)概念設(shè)計一直是客車車身開發(fā)的薄弱環(huán)節(jié)隨著設(shè)計人員對概念設(shè)計階段重要性認識的加深，歐美等主要客車廠商越來越注重概念開發(fā)階段的工作，但是總體說來，客車車身結(jié)構(gòu)概念設(shè)計的發(fā)展水平還遠遠沒有達到轎車相應(yīng)水平[5]本文結(jié)合客車車身結(jié)構(gòu)概念設(shè)計階段的特點，開發(fā)了客車車身結(jié)構(gòu)概念設(shè)計系統(tǒng)該系統(tǒng)在概念設(shè)計階段引入?yún)?shù)化設(shè)計思想、CAE分析和優(yōu)化方法，將參數(shù)化建模、CAE分析和優(yōu)化計算集成為一體，實現(xiàn)了CAE分析的智能化和“分析驅(qū)動設(shè)計”的設(shè)計理念，并且對于實現(xiàn)客車車身輕量化具有重要意義

1BCD系統(tǒng)介紹

BCD系統(tǒng)是在Siemens NX 件平臺進行二次開發(fā)實現(xiàn)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，為三層體系結(jié)構(gòu)最頂端的用戶層提供了供用戶操作的向?qū)浇缑?，該系統(tǒng)將客車車身結(jié)構(gòu)概念設(shè)計階段復雜的操作分解為24步簡單操作，使用UI Styler創(chuàng)建了與操作步驟對應(yīng)的交互式操作界面，并通過底層知識庫將已有設(shè)計經(jīng)驗作為默認設(shè)計參數(shù)加載到對話框中，指導用戶操作邏輯層分為4個模塊，包括幾何建模模塊、有限元建模模塊、求解與后處理模塊和車身參數(shù)優(yōu)化模塊在幾何建模模塊中，用戶可以對系統(tǒng)提供的客車車身結(jié)構(gòu)概念模型的尺寸參數(shù)進行編輯，以創(chuàng)建新的客車車身結(jié)構(gòu)概念模型；在分析模塊中用戶可以選擇分析工況類型，包括彎曲剛度計算、扭轉(zhuǎn)剛度計算和模態(tài)分析，系統(tǒng)自動完成對概念模型的網(wǎng)格劃分，加載梁截面屬性和材料屬性，設(shè)置載荷值和約束條件，用戶既可以選擇接受系統(tǒng)提供的這些參數(shù)的默認值，也可以根據(jù)實際分析需要自行設(shè)置需要的參數(shù)；在求解與后處理模塊，系統(tǒng)自動調(diào)用 NX Nastran求解器進行計算，然后生成后處理視圖和分析報告；車身優(yōu)化模塊的主要功能是對概念車身進行靈敏度分析并進行尺寸和形狀優(yōu)化，獲得優(yōu)化的車身結(jié)構(gòu)參數(shù)物理層指進行車身結(jié)構(gòu)概念設(shè)計時用到的各種數(shù)據(jù)庫，包括車身模板庫、梁截面庫等，具體指保存有相應(yīng)信息的電子表格為了實現(xiàn)車身結(jié)構(gòu)概念模型的全參數(shù)化，在建立車身結(jié)構(gòu)概念模型時將所有參數(shù)信息都存儲在相應(yīng)的電子表格中，形成不同的參數(shù)庫系統(tǒng)運行時會自動加載參數(shù)庫中的參數(shù)信息，也可以將新的設(shè)計參數(shù)保存到參數(shù)庫中邏輯層和物理層通過NX/Spreadsheet電子表格技術(shù)建立聯(lián)系，在邏輯層和物理層之間進行數(shù)據(jù)傳遞

2客車車身結(jié)構(gòu)參數(shù)化的定義實現(xiàn)

在BCD系統(tǒng)中，客車車身參數(shù)化的實現(xiàn)主要依靠模板完成，模板是一個帶有若干產(chǎn)品屬性的參數(shù)化的車身幾何模型，其形狀是可調(diào)節(jié)的系統(tǒng)通過模板可產(chǎn)生新的車身模型下面介紹模板及設(shè)計參數(shù)

21設(shè)計參數(shù)的確定

1） 總體結(jié)構(gòu)參數(shù)：輪廓尺寸（車長、車高、車寬）、軸距、前懸、后懸因為對于客車車身，接近角、離去角與車身蒙皮有關(guān)，車身結(jié)構(gòu)概念模型不考慮車身蒙皮，所以沒有選擇接近角、離去角作為結(jié)構(gòu)參數(shù)圖2為車身結(jié)構(gòu)概念模型長度方向上參數(shù)定義

2） 外觀特征參數(shù)：前門寬度及高度、后門寬度及高度、前后輪輪框?qū)挾?、車窗高度前后輪輪框高度及車窗寬度通過調(diào)整梁位置實現(xiàn)尺寸調(diào)整

22概念模型的創(chuàng)建原則

建立概念車身參數(shù)化模型時，既要考慮車身概念設(shè)計階段的特點，也要考慮到后續(xù)參數(shù)化有限元模型的自動生成，綜合考慮，提出了建立概念車身參數(shù)化模型應(yīng)遵循的原則為：

1） 將車身結(jié)構(gòu)簡化為控件線框模型，在不改變車身結(jié)構(gòu)主要力學特性的前提下，忽略工藝孔、翻邊、小的肋板等對整體剛度影響較小的非承載件在自動建立有限元模型時，用梁單元進行模擬計算

2） 對于同向焊接的兩根梁，因為其焊接處強度近似等于材料內(nèi)部強度，故可將其簡化為一根梁

3） 為了實現(xiàn)概念車身參數(shù)化模型的快速修改，需要給設(shè)計者提供合適的設(shè)計參數(shù)和約束條件，但是過多的約束將使模型過于詳細，不符合車身結(jié)構(gòu)概念設(shè)計的要求，約束過少又難以滿足整體設(shè)計要求

23設(shè)計參數(shù)的確定

系統(tǒng)使用UG/KF技術(shù)建立客車車身結(jié)構(gòu)概念模型，模型屬性按照性質(zhì)的不同，可以分為兩部分，如圖3所示一部分是用于創(chuàng)建幾何對象的子規(guī)則，另一部分是用于表達幾何對象間參數(shù)關(guān)系的屬性子規(guī)則用來創(chuàng)建各種幾何對象，使用各種函數(shù)確定創(chuàng)建的幾何對象的參數(shù)關(guān)系屬性用來創(chuàng)建主要參數(shù)，創(chuàng)建幾何對象時引用已建立的屬性，當屬性值改變時即可改變幾何對象的參數(shù)在KF導航器中，建立新的子規(guī)則時，選擇ug_point創(chuàng)建概念模型中的點，選擇nx_line創(chuàng)建概念模型中的直線，選擇ug_spline_tru創(chuàng)建概念模型中的樣條線直線和樣條線表示車身模型中的梁綜合使用屬性和子規(guī)則可以實現(xiàn)各種參數(shù)化要求，達到參數(shù)化建模的目的

24客車概念模型的參數(shù)管理

BCD系統(tǒng)使用電子表格建立參數(shù)數(shù)據(jù)庫，保存和管理各種參數(shù)信息這些參數(shù)信息通過UG/Spreadsheet接口導入到BCD系統(tǒng)中，通過調(diào)用相應(yīng)函數(shù)完成數(shù)據(jù)的讀寫及表單的建立、制作圖表等操作電子表格中存儲的參數(shù)信息可以分為概念模型幾何信息和用于建立概念模型的有限元模型的信息概念模型幾何信息包括車身主要尺寸參數(shù)、車身側(cè)圍梁位置、車身頂架梁位置信息、梁截面信息等用于建立概念模型的有限元模型的信息包括默認的載荷值和約束情況、梁單元信息等在創(chuàng)建參數(shù)化的概念模型時，為了實現(xiàn)對已有經(jīng)驗和知識的重用，將國家標準和一些學者的研究結(jié)果作為經(jīng)驗，以約束和限制車身參數(shù)的修改范圍

25車身模板中梁的編輯

2.5.1梁幾何位置調(diào)整

2.5.2梁的增加和刪除功能

BCD系統(tǒng)提供了梁的增加和刪除功能，便于用戶對模板的調(diào)整梁的增加功能是通過增加一個NX Studio Spline曲線對象， 然后附上相應(yīng)的截面、材料和有限元屬性

3客車車身結(jié)構(gòu)分析

客車車身結(jié)構(gòu)概念設(shè)計系統(tǒng)（BCD）的一個重要的設(shè)計理念就是在車身結(jié)構(gòu)概念設(shè)計階段引入CAE分析，系統(tǒng)根據(jù)已經(jīng)建立的客車概念車身參數(shù)化模型及用戶輸入的設(shè)計參數(shù)自動生成概念車身有限元模型和載荷及邊界條件[6]，用戶可以根據(jù)需要進行車身結(jié)構(gòu)剛度計算和模態(tài)分析

車身結(jié)構(gòu)剛度為：在不至于毀壞車身的外力的作用下，車身抵抗彈性變形的能力，是評價客車車身性能的一項重要指標，對車身其他性能如NVH性能和車身結(jié)構(gòu)耐久性都有很大影響[7]客車在正常行駛中，受車內(nèi)乘員、貨物等載荷的作用引起車身彎曲變形，形成彎曲工況；在特殊情況下，如汽車單輪懸空、對角輪騎障等，車身扭轉(zhuǎn)變形，形成扭轉(zhuǎn)工控車身結(jié)構(gòu)靜態(tài)結(jié)構(gòu)剛度分析包括車身彎曲剛度和車身扭轉(zhuǎn)剛度

客車車身進行彎曲剛度分析時，可以將車身整體簡化為一根簡支梁，對車架施加垂直載荷，使車身整體彎曲變形，測量最大撓度值，根據(jù)載荷和該撓度值就可以計算得到客車車身彎曲剛度BCD系統(tǒng)使用客車車身在扭轉(zhuǎn)載荷作用下產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)角大小來評價車身扭轉(zhuǎn)剛度，即用單位軸距長度軸間相對扭轉(zhuǎn)角評價整車的扭轉(zhuǎn)剛度[8-9]BCD系統(tǒng)由式（1）計算扭轉(zhuǎn)角，由式（2）計算車身扭轉(zhuǎn)剛度

式中：GJ為車身的扭轉(zhuǎn)剛度；M為車身所施加的扭轉(zhuǎn)載荷；φ為車身扭轉(zhuǎn)角

客車在行駛時，由于發(fā)動機運轉(zhuǎn)、路面不平等因素的存在，車身結(jié)構(gòu)會在這些振源的激勵下產(chǎn)生振動，當振源的激勵頻率接近車身整體或者局部的固有頻率時，會發(fā)生共振現(xiàn)象，出現(xiàn)劇烈的振動和噪聲，甚至可能造成結(jié)構(gòu)破壞BCD采用NX Nastran SQL103求解器可計算100階以下低階模態(tài)

4客車車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

為實現(xiàn)剛度和模態(tài)綜合多目標優(yōu)化，BCD系統(tǒng)綜合了折中規(guī)劃法和評價頻率法[10]，采用式（3）作為綜合多目標優(yōu)化目標函數(shù)，綜合了客車整車車身彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度和一階彎曲和扭轉(zhuǎn)模態(tài)4個目標

在進行優(yōu)化時，一般要對客車車身結(jié)構(gòu)進行靈敏度分析，這樣可以掌握車身結(jié)構(gòu)性能指標對設(shè)計變量的靈敏度，選擇較靈敏的變量作為優(yōu)化變量系統(tǒng)采用梯度法進行靈敏度計算，集成了NX的Opt優(yōu)化迭代模塊，優(yōu)化變量可以為厚度和截面形狀因子

5設(shè)計實例

為了驗證BCD系統(tǒng)，下面結(jié)合某款客車的骨架結(jié)構(gòu)和尺寸，采用該系統(tǒng)進行結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化過程，并進行結(jié)果對比與分析該車身結(jié)構(gòu)初次結(jié)構(gòu)分析結(jié)果如表1所示與原車分析數(shù)據(jù)相比，分析最大誤差為扭轉(zhuǎn)剛度11285%，其它誤差均在10%以內(nèi)，主要原因在于概念結(jié)構(gòu)模型省略了一些加強筋所致，導致剛度有所下降

為了實現(xiàn)車身的輕量化，下面對車身結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，采用的優(yōu)化變量主要是尺寸厚度優(yōu)化目標選用了彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度、一階彎曲模態(tài)和一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)4個目標值，設(shè)定該目標值大于當前值，即保持目前車身結(jié)構(gòu)性能不減弱優(yōu)化約束為質(zhì)量小于當前質(zhì)量，即車身變輕在考慮對稱的情況下，優(yōu)化變量選擇梁B1等23根梁的截面厚度值作為初選優(yōu)化變量，如圖5粗線條梁所示經(jīng)過靈敏度分析后，挑選11根影響較大的梁的厚度作為優(yōu)化變量如圖6所示

通過驗證值與優(yōu)化前指標進行的對比，結(jié)果顯示彎曲剛度值提高了2489%，扭轉(zhuǎn)剛度值提高了0531%，整體扭轉(zhuǎn)振型頻率提高了0616%，整體彎曲振型頻率降低了0282%，滿足優(yōu)化目標所設(shè)定的值，在車身結(jié)構(gòu)性能不降低的情況下車身質(zhì)量減少17095 kg，達到了車身減重的目的優(yōu)化結(jié)束后BCD系統(tǒng)使用優(yōu)化后的尺寸更新設(shè)計模型并產(chǎn)生車身的實體模型（見圖7），供后期設(shè)計使用

6結(jié)論

基于參數(shù)化模板技術(shù)開發(fā)實現(xiàn)了基于客車結(jié)構(gòu)概念設(shè)計的車身結(jié)構(gòu)概念設(shè)計與優(yōu)化系統(tǒng)——BCD，實現(xiàn)了客車車身結(jié)構(gòu)概念設(shè)計和優(yōu)化的整個流程的一體化這對于縮短車身結(jié)構(gòu)設(shè)計周期和車身輕量化具有實際意義通過對某型號客車車身結(jié)構(gòu)模型進行的分析和優(yōu)化，驗證了系統(tǒng)的正確性和有效性，該分析結(jié)果也可作為該客車車身后續(xù)設(shè)計階段的設(shè)計參考，以指導車身輕量化設(shè)計

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