客車車身結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計

彭超 姬鵬 趙一凡

摘 要：客車車身不僅起到覆蓋件的作用，而且還承載了客車一部分載荷，因此在概念設(shè)計階段，對其進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化就顯得非常有必要。文章首先通過Hypermesh建立以某客車車身結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的有限元模型，之后根據(jù)拓?fù)淅碚摌?gòu)建其拓?fù)鋬?yōu)化模型，確定合適的優(yōu)化三要素，選取最為常見的四種極限工況，再通過有限元軟件OptiStruct的優(yōu)化計算，最終得到其優(yōu)化結(jié)果。以拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果來指導(dǎo)客車車身的設(shè)計，在確保滿足車身各項性能要求達(dá)標(biāo)的同時，能夠提高材料利用率，減少冗余，達(dá)到車身結(jié)構(gòu)的輕量化。

關(guān)鍵詞：有限元；拓?fù)鋬?yōu)化；輕量化

引言

節(jié)能、環(huán)保和安全是汽車工業(yè)發(fā)展中所面臨著的三大主要問題，油耗和排放是影響這些的重要因素。大量數(shù)據(jù)研究表明，整車質(zhì)量的大小與油耗密切相關(guān)，因此在滿足整車各項性能指標(biāo)的基礎(chǔ)上對其進(jìn)行輕量化是十分有必要的。就客車來說，車身質(zhì)量占整個客車質(zhì)量的比重很大，通常為了滿足其強(qiáng)度的要求車身骨架強(qiáng)度會出現(xiàn)局部富余的情況，這將進(jìn)一步導(dǎo)致車身質(zhì)量的偏大。而我們國家的客車車身往往存在質(zhì)量偏大的情況，甚至于存在有些結(jié)構(gòu)剛度強(qiáng)度富余的情況。

大量研究表明，汽車質(zhì)量每降低10%，油耗降低6-8%，排放降低4-10%。而車身是客車三大總成之一，占整個客車總質(zhì)量的40%-60%，由此可見影響整車輕量化的主要因素是對車身的輕量化。目前，汽車輕量化的主要途徑有以下兩種，一是采用輕量化材料，例如采用高強(qiáng)度鋼，鋁鎂合金等新材料，在滿足剛度強(qiáng)度的情況下，使得質(zhì)量更輕；二是利用CAE技術(shù)進(jìn)行客車結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，使得材料分布和各零部件布局更加合理，在滿足要求的情況下，最大限度的減重。文章就是基于拓?fù)鋬?yōu)化的某客車車身結(jié)構(gòu)設(shè)計，從而到達(dá)優(yōu)化減重的目的。

1 拓?fù)淅碚摵喗榕c拓?fù)淠Ｐ偷慕?/p>

1.1 拓?fù)淅碚摵喗?/p>

拓?fù)鋬?yōu)化（Topology）作為一種概念性的數(shù)學(xué)方法，是將一定設(shè)計空間內(nèi)的連續(xù)體離散成有限單元網(wǎng)格，為每個離散單元附上合適的材料屬性，給定合適的約束條件，利用OptiStruct自身的近似優(yōu)化算法-根據(jù)結(jié)構(gòu)自身的傳力路徑對材料分布進(jìn)行重新布置，來完成設(shè)計人員給定的設(shè)計目標(biāo)。

對于以往傳統(tǒng)的設(shè)計，設(shè)計人員往往是憑借自身的設(shè)計經(jīng)驗對整個設(shè)計過程進(jìn)行把控的，而現(xiàn)在完全可以以拓?fù)鋬?yōu)化的方法為基礎(chǔ)，參考拓?fù)浣Y(jié)果對整個產(chǎn)品的設(shè)計進(jìn)行全新的把控，從而更加有效的設(shè)計出工藝與技術(shù)條件均達(dá)標(biāo)的最佳產(chǎn)品。

借助于HyperWorks軟件分析平臺，利用OptiStruct對該客車的頂蓋和側(cè)圍進(jìn)行必要的拓?fù)鋬?yōu)化分析。以拓?fù)浣Y(jié)果為基礎(chǔ)，充分考慮到實際的工程規(guī)范要求，設(shè)計人員對車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行二次的優(yōu)化設(shè)計并進(jìn)行有限元分析計算，最終在滿足整車性能的基礎(chǔ)上得到最優(yōu)的設(shè)計，從而達(dá)到車身結(jié)構(gòu)性能優(yōu)化與輕量化的目的。

1.2 拓?fù)淠Ｐ偷慕?/p>

工程領(lǐng)域的優(yōu)化一般都涉及三個重要因素-設(shè)計變量、目標(biāo)函數(shù)和約束條件，拓?fù)鋬?yōu)化數(shù)學(xué)模型的建立就是以這三個因素為基礎(chǔ)的，具體可以將其數(shù)學(xué)模型表述為：

設(shè)計變量： （1）

目標(biāo)函數(shù)： （2）

約束函數(shù)： （3）

（4）

式中，gj（X）表示不等式約束函數(shù)；m為不等式約束的數(shù)目；hi（X）表示等式約束函數(shù)；l為等式約束的數(shù)目。

以拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計理論為基礎(chǔ)，參考實際工程規(guī)范要求建立合適的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計空間。設(shè)計人員在拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計空間內(nèi)布置材料的時候還必須考慮到客車的基本功能、性能和裝配等實際情況的要求，車門及車窗的位置不發(fā)生變化，對一些關(guān)鍵部位著重考慮（對整車彎曲剛度影響較大的車身側(cè)圍，在側(cè)翻過程中保證車身結(jié)構(gòu)不會過大變形而導(dǎo)致車內(nèi)生存空間變小的車身頂蓋）。本次拓?fù)鋬?yōu)化的設(shè)計空間確定為車身的側(cè)圍部分區(qū)域以及蓋頂，以原始車型的數(shù)模為基礎(chǔ)構(gòu)建出的車身局部拓?fù)鋬?yōu)化模型如下圖1所示。

2 分析工況說明

2.1 強(qiáng)度分析

作為車身設(shè)計的一般性的載荷工況，強(qiáng)度分析的結(jié)果可以用于評估客車的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度性能。在進(jìn)行強(qiáng)度分析的時候，必須充分考慮客車車身結(jié)構(gòu)的布局以及懸架系統(tǒng)的幾何外形，再結(jié)合提取的載荷計算表格，進(jìn)行分析。對于多種工況的強(qiáng)度分析通常會根據(jù)工程設(shè)計人員的實際經(jīng)驗以及對整車性能參數(shù)的把控給出適當(dāng)?shù)募訖?quán)因子，再結(jié)合基礎(chǔ)車型的應(yīng)力水平，來對客車的總體強(qiáng)度進(jìn)行評估。此次應(yīng)力分析采用靜力學(xué)的方法，以G作為標(biāo)準(zhǔn)載荷的方式來考核客車的車身強(qiáng)度。具體工況如下：

0.85G前向制動工況：客車在水平路面急停的時候要承受一定的慣性載荷，此處以0.85G向前慣性載荷模擬客車滿載狀況下在水平路面上的緊急停車情況，考察車身的應(yīng)力分布情況?？紤]到車身懸架的實際情況來進(jìn)行有限元模型的加載，通過RBE2模擬出前后懸架的支撐點(diǎn)（即RBE2的主節(jié)點(diǎn)），并且對左側(cè)前后懸架處的RBE2主節(jié)點(diǎn)約束其1、2、3自由度，對右側(cè)前后懸架處的RBE2主節(jié)點(diǎn)約束其2、3自由度，再對客車的整體施加X方向的0.85G慣性力。在這種載荷作用下，客車主承載結(jié)構(gòu)上的最大應(yīng)力值應(yīng)低于材料的屈服極限。

0.5G左轉(zhuǎn)向工況：在實際客車轉(zhuǎn)彎的時候客車要承受一定的側(cè)向慣性載荷，此處以0.5G的側(cè)向慣性力來模擬客車左轉(zhuǎn)彎情況，考察車身的應(yīng)力分布情況。考慮到整車的實際運(yùn)行情況來進(jìn)行有限元模型的加載，通過RBE2模擬出前后懸架的支撐點(diǎn)（即RBE2的主節(jié)點(diǎn)），并且對左右后懸架處的RBE2主節(jié)點(diǎn)約束其1、2、3自由度，對左右前懸架處的RBE2主節(jié)點(diǎn)約束其2、3自由度，再對客車的整體施加Y方向的0.5G慣性力。在這種載荷作用下，客車主承載結(jié)構(gòu)上的最大應(yīng)力值應(yīng)低于材料的屈服極限。

2.2 剛度分析

彎曲工況：良好路面上正常勻速行駛的客車其車身主要承受彎曲載荷，在此工況下分析車身骨架結(jié)構(gòu)相應(yīng)的變形用以評價其彎曲剛度。具體的約束及加載方式如下：對左前輪支撐點(diǎn)約束其3自由度，右前輪約束其2、3自由度，左后輪約束其1、3自由度，右后輪約束其1、2、3自由度。此處主要考慮的是客車的動力總成重量以及座椅、乘客的重量。這些重量以集中載荷的方式施加到相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上。對于測量點(diǎn)的選取直接關(guān)乎到計算分析結(jié)果的可信度，此處的測量點(diǎn)嚴(yán)格按照工程實際規(guī)范進(jìn)行選取，通常在客車底盤縱梁底面選取若干均勻分布點(diǎn)，用測量點(diǎn)的最大位移來評價其剛度特性。彎曲剛度EIZ可通過測量點(diǎn)的最大位移計算得出：

（5）

式中，δi是測點(diǎn)的Z向變形量（單位：m）；Xi是前懸支撐點(diǎn)到測點(diǎn)的距離（單位：m）；L是前后懸支撐點(diǎn)距離（單位：m）；P是施加的載荷（單位：N）；a是前懸支撐點(diǎn)至加載點(diǎn)的距離（單位：m），b=L-a。

扭轉(zhuǎn)工況：客車在低速通過不平路面的時候會出現(xiàn)車輪懸空的危險狀況，扭轉(zhuǎn)工況就是模擬這一情況的，具體表現(xiàn)為三個車輪著地一個車輪懸空。在這種狀況下，車速較低，慣性較小，車身的受力特性完全可以當(dāng)作是靜態(tài)的。車身模型的具體約束及加載條件如下：約束左右兩側(cè)后懸架安裝點(diǎn)1、2、3自由度，左右兩側(cè)前懸架安裝點(diǎn)通過MPC的方式約束，同時任選一側(cè)前懸在其安裝點(diǎn)處施加一定的豎直方向的力（即沿Z方向的力）以此獲得30000Nm的轉(zhuǎn)矩。測量點(diǎn)的選取依舊嚴(yán)格按照工程規(guī)范選取，通常在客車底盤縱梁底面選取加載面對應(yīng)點(diǎn) 以及沿縱梁均勻分布若干測量點(diǎn) 。扭轉(zhuǎn)剛度GJ是通過加載面所對應(yīng)的縱梁底面Z向的變形量來計算的。

（6）

式中，δL是左縱梁上的測點(diǎn)Z向變形量（單位：mm）；δR是右縱梁上的測點(diǎn)Z向變形量（單位：mm）；T是施加的載荷（單位：Nm）；Xi是后懸支撐點(diǎn)到測點(diǎn)的距離（單位：m）；Bi是左右對稱測點(diǎn)的間距（單位：m）。

3 拓?fù)鋬?yōu)化計算和結(jié)果分析

3.1 拓?fù)鋬?yōu)化計算

以已經(jīng)構(gòu)建好的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)模型為基礎(chǔ)，結(jié)合客車的各種性能要求所需要滿足的工況，施加相應(yīng)的載荷，此處主要涉及到兩個強(qiáng)度工況，兩個剛度工況。以客車頂蓋及其側(cè)圍為設(shè)計變量，以確定好的局部拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計空間的質(zhì)量比（mass fraction）0.2～0.3為約束條件，同時施加對稱約束，以加權(quán)應(yīng)變能最小min（wcomp）為目標(biāo)函數(shù)完成拓?fù)鋬?yōu)化計算的前處理工作。在模型測試沒有問題的基礎(chǔ)上通過OptiStruct提交計算，為保證拓?fù)浣Y(jié)果的完整性，將相應(yīng)的迭代次數(shù)增加為200次，經(jīng)過若干次迭代之后可以得到在以上四種工況之下的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果，如圖2，3所示。

圖2 車身頂蓋拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

圖3 車身側(cè)圍拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

3.2 優(yōu)化結(jié)果分析

拓?fù)鋬?yōu)化作為概念性的優(yōu)化設(shè)計方法，可以在設(shè)計空間里面尋找到材料的最優(yōu)布置，為設(shè)計人員提供全新的設(shè)計方案和最優(yōu)的材料分布方案。經(jīng)過拓?fù)鋬?yōu)化之后，車身材料的布置會更加清晰的呈現(xiàn)在我們面前，以拓?fù)涞慕Y(jié)果指導(dǎo)我們進(jìn)行梁的結(jié)構(gòu)特征的選擇以及其位置的布置。輕量化并非只是質(zhì)量越小越好，它同時還得保證車輛的其他性能，比如模態(tài)，碰撞，強(qiáng)度，疲勞，剛度以及相關(guān)的法律法規(guī)。而且對于整個車身結(jié)構(gòu)的設(shè)計，還應(yīng)該充分的考慮到其制造的可行性以及生產(chǎn)成本的可控性問題，尤其是對于新的車身結(jié)構(gòu)所帶來的這些相應(yīng)問題尤為突出。結(jié)合拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果對車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行可行性的調(diào)整，確定新的設(shè)計方案，如圖4所示。

圖4 優(yōu)化后客車車身結(jié)構(gòu)

4 有限元仿真分析結(jié)果驗證

參考市面上鋼材的規(guī)格以及性能參數(shù)，更新模型中的相應(yīng)的材料和屬性，再計算出新的車身結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度指標(biāo)，對比優(yōu)化前后的各指標(biāo)變化情況，如表1所示。

表1 優(yōu)化前后車身性能

對比表1中客車車身優(yōu)化前后各種性能指標(biāo)參數(shù)，可以看出，客車車身的減重效果特別明顯，具體表現(xiàn)為質(zhì)量減少了348kg，占原有車身結(jié)構(gòu)質(zhì)量的8.98%。在優(yōu)化過程中對材料進(jìn)行重新調(diào)整與布置使得剛度富余的情況大大減小， 從而在一定程度上導(dǎo)致車身整體剛度的減小，但仍在滿足性能要求的范圍之類。至于兩個強(qiáng)度工況，0.5G右轉(zhuǎn)向工況其最大應(yīng)力值降低，而0.85G前制動工況其最大應(yīng)力值稍有所增加，不過都小于材料的許用應(yīng)力，滿足強(qiáng)度要求。

5 結(jié)束語

結(jié)合實際工程規(guī)范要求以及客車車身本身所具有的整體性能要求，參考拓?fù)浣Y(jié)果，優(yōu)化設(shè)計出新的車身結(jié)構(gòu)。對新車身的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，對比優(yōu)化前后所涉及到的各性能指標(biāo)參數(shù)，結(jié)果表明，在滿足性能要求的情況下，客車車身減重效果明顯，從而進(jìn)一步印證了拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計方法的可行性和有效性。

參考文獻(xiàn)

[1]徐梓雯.基于局部拓?fù)鋬?yōu)化的客車車身輕量化研究[D].吉林：吉林大學(xué)，2013：1-53.

[2]范文杰，范子杰，桂良進(jìn)，等.多工況客車車架結(jié)構(gòu)多剛度拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計研究[J].汽車工程，2008，30（6）：531-533.

[3]張焱，姚成.客車車身骨架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計與先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用[J].客車技術(shù)與研究，2007（2）.

[4]郭立群；商用車車架拓?fù)鋬?yōu)化輕量化設(shè)計方法研究[D].吉林大學(xué)，2011.

[5]周云郊.基于剛度與模態(tài)分析的客車結(jié)構(gòu)輕量化研究[J].機(jī)械設(shè)計與制造，2010，7：117-119.

[6]王海霞，湯文成.CJ6121GCHK型客車車身骨架有限元建模及結(jié)果分析方法研究[J].汽車工程，2001（1）.

作者簡介：彭超（1989，1-），男，河北邯鄲，河北工程大學(xué)，碩士學(xué)歷，研究方向：車輛有限元仿真分析。

姬鵬（1977，10-），男，河北邯鄲，河北工程大學(xué)副教授，博士學(xué)歷，研究方向：車輛底盤性能仿真分析與控制。

趙一凡（1990，11-），男，河北邯鄲，河北工程大學(xué)，碩士學(xué)歷，方向：車輛主動安全性能開發(fā)。