重型商用車(chē)駕駛室輕量化設(shè)計(jì)探討

劉令 淺析應(yīng)急通信車(chē)集成 殷永臣

摘 要：為降低重型商用車(chē)油耗，近年來(lái)業(yè)界開(kāi)展了大量理論研究和實(shí)踐探索，駕駛室輕量化設(shè)計(jì)也因此成為業(yè)界關(guān)注焦點(diǎn)?；诖?，本文將簡(jiǎn)單介紹重型商用車(chē)駕駛室輕量化設(shè)計(jì)思路，并深入探討重型商用車(chē)駕駛室輕量化設(shè)計(jì)路徑，希望研究?jī)?nèi)容能夠?yàn)橄嚓P(guān)業(yè)內(nèi)人士帶來(lái)一定啟發(fā)。

關(guān)鍵詞：重型商用車(chē);駕駛室;輕量化設(shè)計(jì)

1 前言

近年來(lái)我國(guó)重型商用車(chē)銷(xiāo)量不斷上升，進(jìn)入穩(wěn)固增長(zhǎng)的發(fā)展?fàn)顟B(tài)。但結(jié)合實(shí)際調(diào)研可以發(fā)現(xiàn)，重型商用車(chē)較長(zhǎng)的年行駛里程、偏高的百公里油耗，使得其油耗遠(yuǎn)高于普通車(chē)輛。為盡可能降低重型商用車(chē)油耗，正是本文圍繞重型商用車(chē)駕駛室輕量化設(shè)計(jì)開(kāi)展具體研究的原因所在。

2 重型商用車(chē)駕駛室輕量化設(shè)計(jì)思路

在本文開(kāi)展的重型商用車(chē)駕駛室輕量化設(shè)計(jì)中，為分析商用車(chē)駕駛室，研究采用有限元方法，采用最優(yōu)拉丁超立方設(shè)計(jì)方法，采用克里格方法建立近似模型，為滿足重型商用車(chē)駕駛室輕量化設(shè)計(jì)需要，還針對(duì)性采用了多目標(biāo)優(yōu)化算法，同時(shí)還應(yīng)用了計(jì)算機(jī)輔助優(yōu)化平臺(tái)Isight。具體設(shè)計(jì)需首先建立駕駛室白車(chē)身有限元模型，通過(guò)駕駛室白車(chē)身模態(tài)分析，分析和評(píng)價(jià)駕駛室白車(chē)身剛度，分析和驗(yàn)證駕駛室被動(dòng)安全性，并最終分析駕駛室結(jié)構(gòu)靈敏度和貢獻(xiàn)度，即可為具體的輕量化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)提供依據(jù)。在駕駛室白車(chē)身有限元模型的建立過(guò)程中，需針對(duì)性簡(jiǎn)化模型，配合網(wǎng)格劃分、輸入材料屬性、處理焊點(diǎn)和螺栓，即可為輕量化設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)[1]。

駕駛室白車(chē)身模態(tài)分析需圍繞彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度展開(kāi)，常采用80kg的駕駛員和座椅自重與動(dòng)載系數(shù)的乘積作為載荷大小，以此通過(guò)計(jì)算得出應(yīng)力云圖和位移云圖，并從彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度、彎曲應(yīng)力、扭轉(zhuǎn)應(yīng)力、彎曲撓度曲線光滑程度、扭轉(zhuǎn)撓度曲線光滑程度、窗口及門(mén)洞對(duì)角線變化量方面開(kāi)展深入分析，以此確定駕駛室彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度滿足要求;分析和驗(yàn)證駕駛室被動(dòng)安全性需結(jié)合ECE R29法規(guī)，以此針對(duì)性建立駕駛室被動(dòng)安全性分析有限元模型，由此開(kāi)展驗(yàn)證，通過(guò)正面擺錘撞擊、正面A柱撞擊、頂蓋強(qiáng)度分析，即可為重型商用車(chē)駕駛室輕量化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)提供依據(jù);分析駕駛室結(jié)構(gòu)靈敏度和貢獻(xiàn)度需圍繞4個(gè)材料變量和18個(gè)厚度變量展開(kāi)，材料變量包括地板縱梁（二）、右側(cè)A立柱內(nèi)板、右側(cè)前下部加強(qiáng)板、右車(chē)門(mén)框外板，厚度變量則主要包括頂蓋前橫梁、前圍縱梁、前圍內(nèi)板、頂蓋前橫梁、后圍上外板等[2]。

3 重型商用車(chē)駕駛室輕量化設(shè)計(jì)路徑

為實(shí)現(xiàn)重型商用車(chē)駕駛室輕量化設(shè)計(jì)，需首先改進(jìn)駕駛室結(jié)構(gòu)，因此本節(jié)研究的設(shè)計(jì)變量選擇上文提及的4個(gè)材料變量和18個(gè)厚度變量，約束和響應(yīng)選擇駕駛室的模態(tài)、剛度、被動(dòng)安全性性能，以此開(kāi)展針對(duì)性的多目標(biāo)優(yōu)化，配合針對(duì)性建立的近似模型，即可有效降低計(jì)算成本，更好實(shí)現(xiàn)重型商用車(chē)駕駛室輕量化設(shè)計(jì)。

3.1 駕駛室改進(jìn)設(shè)計(jì)

結(jié)合上文研究可以發(fā)現(xiàn)，主要的變形區(qū)域?yàn)锳柱（基于正面A柱撞擊確定），為保證乘員的生存空間，必須針對(duì)性加強(qiáng)其抗彎剛度，結(jié)合后續(xù)的貢獻(xiàn)度分析可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于駕駛員生存空間來(lái)說(shuō)，A柱外板的材料變量和厚度變量貢獻(xiàn)度很大，為提高駕駛室的被動(dòng)安全性，必須針對(duì)性改進(jìn)A柱結(jié)構(gòu)。為合理采用A柱結(jié)構(gòu)改進(jìn)方法，本文圍繞在A柱結(jié)構(gòu)內(nèi)添加加強(qiáng)版、添加增強(qiáng)膠、兩種改進(jìn)結(jié)合共三種方法進(jìn)行了針對(duì)性對(duì)比，采用0.5g/mm3密度的高強(qiáng)度增強(qiáng)泡沫作為增強(qiáng)膠材料。通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，加強(qiáng)板和增強(qiáng)膠結(jié)合的方法可最為有效的減小A柱變形，可實(shí)現(xiàn)41.7mm的變形量。對(duì)比有肋的加強(qiáng)板和增強(qiáng)膠、有肋的加強(qiáng)板、無(wú)肋的加強(qiáng)板、A柱增強(qiáng)膠四種結(jié)構(gòu)改進(jìn)方式可以發(fā)現(xiàn)，四種方式對(duì)應(yīng)的質(zhì)量分別為4.48kg、0.8kg、0.71kg、3.68kg，對(duì)應(yīng)的A柱變形量（原數(shù)據(jù)為360.00mm）分別為318.26mm、338.72mm、348.79mm、329.57mm，對(duì)應(yīng)的儀表板與假人腿部相對(duì)位移（原數(shù)據(jù)為105.8mm）分別為98.97mm、98.76mm、102.56mm、99.87mm，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)向盤(pán)與假人胸部相對(duì)位移（原數(shù)據(jù)為116.31mm）分別為112.38mm、109.12mm、112.92mm、112.40mm。深入分析可以發(fā)現(xiàn)，在增加質(zhì)量較少的情況下，帶有加強(qiáng)肋的加強(qiáng)板結(jié)構(gòu)在安全性能方面的表現(xiàn)較為出色，因此最終方案選擇有肋的加強(qiáng)板改進(jìn)方式，更好滿足駕駛員的生存空間[3]。

3.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

線性工況的模態(tài)、扭轉(zhuǎn)剛度、彎曲剛度采用80個(gè)采樣點(diǎn)，配合最優(yōu)拉丁超立方采樣方法開(kāi)展試驗(yàn)設(shè)計(jì)，采用駕駛室質(zhì)量、一階扭轉(zhuǎn)固有頻率、駕駛室扭轉(zhuǎn)剛度與彎曲剛度作為提取的響應(yīng);非線性程度較高的正面A柱撞擊與正面擺錘撞擊工況采用150個(gè)采樣點(diǎn)，采樣方法相同，提取的響應(yīng)包括沿x方向假人腿部距儀表板的最短距離（正面A柱撞擊）、沿x方向假人腹部距轉(zhuǎn)向盤(pán)的最短距離（正面A柱撞擊）、沿x方向假人腹部距轉(zhuǎn)向盤(pán)的最短距離（正面擺錘撞擊工況）。

3.3 近似模型建設(shè)

近似模型建設(shè)需滿足精度要求，為滿足這一要求，需針對(duì)性對(duì)比常用模型的精度，因此研究采用二階響應(yīng)面階數(shù)作為線性指標(biāo)（質(zhì)量、模態(tài)、剛度）的近似模型，采用額外點(diǎn)驗(yàn)證與交叉驗(yàn)證方法可以確定，二者的質(zhì)量均為1，彎曲剛度分別為0.99831與0.99959，扭曲剛度分別為0.99412與0.99878，一階固有頻率分別為0.99836與0.99958，由于決定系數(shù)R2均在0.99以上，因此該模式可滿足后續(xù)的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)需要;對(duì)于非線性工況（正面A柱撞擊、正面擺錘撞擊），結(jié)合多種模型的對(duì)比，最終選擇了克里格模型作為近似模型，這是由于該模型能夠較好反映駕駛室被動(dòng)安全性響應(yīng)。深入分析可以發(fā)現(xiàn)，克里格模型交叉驗(yàn)證與額外采點(diǎn)驗(yàn)證求得的沿x方向假人腹部距轉(zhuǎn)向盤(pán)的最短距離分別為0.5593mm與0.6232mm，沿x方向假人腹部距轉(zhuǎn)向盤(pán)的最短距離分別為0.5973mm與0.66575mm，沿x方向假人腿部距儀表板的最短距離分別為0.67286mm與0.77126mm。

3.4 多目標(biāo)優(yōu)化

結(jié)合近似模型，即可開(kāi)展針對(duì)性的多目標(biāo)優(yōu)化，具體優(yōu)化采用的數(shù)學(xué)模型為：

式中的f、Kt、Kb、m分別為一階扭轉(zhuǎn)固有頻率、駕駛室扭轉(zhuǎn)剛度、駕駛室彎曲剛度、駕駛室質(zhì)量、dA為正面擺錘撞擊指標(biāo)，dB1與dB2均為正面A柱撞擊指標(biāo)。建立圖1所示的多目標(biāo)優(yōu)化流程，采用NSGA-Ⅱ優(yōu)化算法，設(shè)置200的進(jìn)化代數(shù)、80的種群規(guī)模、0.9的交叉概率，迭代計(jì)算次數(shù)選擇16000次，即可最終得到Pareto解集（多目標(biāo)優(yōu)化）。

結(jié)合優(yōu)化，可最終得出設(shè)計(jì)變量的優(yōu)化結(jié)果與響應(yīng)的優(yōu)化結(jié)果，設(shè)計(jì)變量的初始值、優(yōu)化值、修正值以及近似模型優(yōu)化值與實(shí)際優(yōu)化值均可由此確定。近似模型優(yōu)化值與實(shí)際優(yōu)化值的m均為352.85kg，前者的f、Kt、Kb分別為18.62、23933、2660.61，后者分別為18.60、23950、2653，近似模型優(yōu)化值中的dA、dB1、dB2分別為18.19、24.11、5.13，實(shí)際優(yōu)化值的對(duì)應(yīng)數(shù)值則分別為15.99、23.307、4.17。

3.5 性能對(duì)比

結(jié)合優(yōu)化得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，重型商用車(chē)駕駛室在優(yōu)化后實(shí)現(xiàn)了中部地板、A柱內(nèi)板等部件的厚度減小，同時(shí)縱梁和左地板的厚度有所增加，且地板縱梁、前下部加強(qiáng)板、車(chē)門(mén)外板的材料有所改變，采用DP500材料作為前下部加強(qiáng)板與車(chē)門(mén)外板的材料，由此正面A柱撞擊與正面擺錘撞擊下駕駛室的被動(dòng)安全性大幅提升。通過(guò)輕量化設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)了7.87%的駕駛室質(zhì)量降低，扭轉(zhuǎn)剛度同時(shí)出現(xiàn)了6.64%的下降，但駕駛室的整體安全性仍滿足規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求，顯著的輕量化效果由此得到證實(shí)，設(shè)計(jì)因此具備較高借鑒價(jià)值。

4 結(jié)論

綜上所述，重型商用車(chē)駕駛室輕量化設(shè)計(jì)需關(guān)注多方面因素影響。在此基礎(chǔ)上，本文涉及的駕駛室改進(jìn)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)設(shè)計(jì)、近似模型建設(shè)、多目標(biāo)優(yōu)化等內(nèi)容，則提供了可行性較高的輕量化設(shè)計(jì)路徑。為更好滿足設(shè)計(jì)需要，基于駕駛室樣件的深入試驗(yàn)研究開(kāi)展必須得到重視。

參考文獻(xiàn)：

[1]鮑偉東，王曉龍，苗永.基于HyperWorks有限元分析的某重型商用車(chē)車(chē)架輕量化縱梁結(jié)構(gòu)及性能研究[J].汽車(chē)實(shí)用技術(shù)，2018（18）：54-56+70.

[2]丁煒琦，鄭小艷，蘇武.基于非線性分析軟件的某重型商用車(chē)橋鼓式制動(dòng)器輕量化設(shè)計(jì)[J].汽車(chē)實(shí)用技術(shù)，2018，44（11）：99-101.

[3]余浪，代詩(shī)環(huán)，王樂(lè)勇.重型商用車(chē)駕駛室輕量化技術(shù)應(yīng)用[J].汽車(chē)科技，2017（02）：103-108.