靈敏度分析的客車車身模塊重構(gòu)與結(jié)構(gòu)輕量化優(yōu)化設(shè)計

李奇，張勇，張成，周莎（華僑大學(xué)機(jī)電及自動化學(xué)院，福建廈門361021）

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靈敏度分析的客車車身模塊重構(gòu)與結(jié)構(gòu)輕量化優(yōu)化設(shè)計

李奇，張勇，張成，周莎
（華僑大學(xué)機(jī)電及自動化學(xué)院，福建廈門361021）

摘要：提出基于靈敏度分析的車身模塊重構(gòu)設(shè)計，結(jié)合結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法開展客車車身的輕量化設(shè)計.通過車身模塊化減少靈敏度分析時的設(shè)計維度，并基于各子塊厚度對車身扭轉(zhuǎn)剛度的靈敏度系數(shù)進(jìn)行車身的模塊重構(gòu)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化.通過對比優(yōu)化前后整車的強(qiáng)度，驗(yàn)證該方法對客車車身輕量化設(shè)計的可行性.結(jié)果表明：該方法使客車車身的質(zhì)量降低了460kg，最大應(yīng)力減少了14.26%，且降低了車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的復(fù)雜度.

關(guān)鍵詞：靈敏度分析；模塊重構(gòu)；輕量化；客車車身；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

客車的主要能源是石油，但有研究表明，到2085年世界石油資源將枯竭［1］.對于傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車，整車質(zhì)量每減輕10%，可降低油耗8%左右，降低排放4%左右［2－3］.而客車整車質(zhì)量中的1/3～1/2為車身質(zhì)量，因此客車車身輕量化研究具有重要的意義.目前，對客車車身進(jìn)行輕量化設(shè)計主要有兩個途徑：一是選用輕量化材料；二是改進(jìn)零部件結(jié)構(gòu)和工藝，設(shè)計受力承載更為合理的車身結(jié)構(gòu)［4－5］.國內(nèi)外學(xué)者對此也做了大量的研究.張大千等［6］提出了基于靈敏度分析的客車車身骨架輕量化設(shè)計的方法；那景新等［7］研究了從構(gòu)件受力合理的角度實(shí)現(xiàn)客車車身骨架的輕量化；孟慶功等［8］通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)客車的輕量化設(shè)計；Butdee等［9］通過新式的結(jié)構(gòu)設(shè)計和新材料達(dá)到輕量化的目的.但是這些方法仍存在一些缺陷：使用新材料和改進(jìn)工藝的方法會增加車身的制造成本；針對客車車身骨架的復(fù)雜空間高次超靜定結(jié)構(gòu)的數(shù)值優(yōu)化及結(jié)構(gòu)分析，具有設(shè)計維度大、計算成本高的缺點(diǎn).為了解決這些缺陷，研究者將模塊化的概念引入到客車車身的結(jié)構(gòu)設(shè)計中.張玉津等［10］對客車車身的模塊化做了相應(yīng)的研究，最終把車身骨架分成了40個模塊；戴聲良等［11］根據(jù)相似性的原理對客車車身進(jìn)行了有限度的模塊化；此外，文獻(xiàn)［12－13］也都在汽車模塊化方面進(jìn)行了相關(guān)的研究工作.通過模塊劃分雖然簡化了車身結(jié)構(gòu)，對車身的結(jié)構(gòu)設(shè)計具有非常重要的指導(dǎo)作用，但以上的模塊劃分原則仍具有一定的經(jīng)驗(yàn)性和局限性.因此，基于以上的研究成果，本文提出了基于靈敏度分析的車身模塊重構(gòu)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法.

1　功能相似性車身模塊化

結(jié)合功能相似性原則對6125型客車開展基于車身結(jié)構(gòu)功能相似性原則的車身模塊化設(shè)計，從而減少設(shè)計變量.傳統(tǒng)的整車車身常劃分為5大主模塊：前圍、后圍、側(cè)圍、底架和頂棚.

前、后圍結(jié)構(gòu)簡單，依據(jù)對稱及相似性的原則可把前圍分為3個模塊，后圍整體作為1個模塊，如圖1（a）所示.車身側(cè)圍依據(jù)對稱性及存異性原則將左右兩側(cè)對稱的結(jié)構(gòu)歸為同一模塊，中門作為單獨(dú)的模塊.此外，兩側(cè)中間腰梁和底部縱梁分別作為單獨(dú)的模塊.因此，側(cè)圍一共分為9塊，如圖1（b）所示.依據(jù)對稱性原則，頂棚左右兩根處于對稱位置的縱梁作為一個模塊，其余桿件從前至后分成了6個模塊，共有7個模塊，其模塊分布如圖1（c）所示.

圖1　整車車身的分塊圖Fig.1　Block diagram of the whole vehicle body

圖2　底架分塊圖Fig.2　Chassis block diagram

由于車身底架結(jié)構(gòu)較復(fù)雜且許多桿件都是主受力桿件，因此需對底架進(jìn)行細(xì)分.底架先分成4大塊，每一大塊又按照功能相似原則分成若干模塊，如圖2所示.其中：地板分為11模塊；前段分為20模塊；中段分為12模塊；后段分為20模塊；整個底架共分為63模塊.

最終，整個車身分成了83個模塊：頂棚p1～p7；側(cè)圍p8～p16；前、后圍p17～p20；底架p21～p83，每個模塊所有桿件的厚度和材料都相同.然而，為了減少設(shè)計維度，降低車身輕量化設(shè)計的復(fù)雜度，需要進(jìn)一步進(jìn)行模塊的重構(gòu).

2　靈敏度分析和模塊重構(gòu)設(shè)計

2.1 靈敏度分析

選用車身各塊的厚度作為設(shè)計變量對整車的扭轉(zhuǎn)剛度做靈敏度分析.車身各塊的厚度對車身扭轉(zhuǎn)剛度的靈敏度可以定義為式（1）中：uj為第j個函數(shù)，即扭轉(zhuǎn)剛度的約束函數(shù)和目標(biāo)函數(shù)；xi為函數(shù)的第i個設(shè)計變量.

車身各塊厚度（d）對車身扭轉(zhuǎn)剛度響應(yīng)的靈敏度系數(shù)，如表1所示.由表1可知：前圍、后圍、頂棚和側(cè)圍模塊的靈敏度系數(shù)較大（＞0.3），而底架模塊的靈敏度系數(shù)普遍偏?。ǎ?.3）.

表1　各子塊對車身扭轉(zhuǎn)剛度的靈敏度系數(shù)Tab.1　Torsional stiffness sensitivity coefficient for each sub－block of bus body

2.2 基于靈敏度分析的模塊重構(gòu)設(shè)計

通過靈敏度分析得到各模塊厚度對車身扭轉(zhuǎn)剛度的敏感系數(shù)，靈敏度系數(shù)的大小能反應(yīng)各模塊厚度對車身扭轉(zhuǎn)剛度的敏感程度.因此，基于靈敏度系數(shù)（表1）開展了模塊化重構(gòu)，其流程如圖3所示.

通過模塊合并法對模塊進(jìn)行重構(gòu)設(shè)計.由表1和圖3可知：模塊p1～p20中，只有頂棚子塊p4和p6的靈敏度系數(shù)相近且原始厚度都為1.5mm，所以這兩個模塊可以合并為模塊T1；模塊p21～p83為客車的底架部分，底架中靈敏度系數(shù)大于0.3的模塊共有10塊，p43，p52和p53這3個模塊合并為模塊T2；底架中靈敏度系數(shù)小于0.3的模塊共有53塊，對靈敏度系數(shù)和厚度相差不大的模塊進(jìn)行合并，如表2所示.

通過模塊重構(gòu)設(shè)計，原車身由83塊減少到51塊，有效地縮減了車身的模塊數(shù)量，降低了設(shè)計的維度.

圖3　模塊重構(gòu)設(shè)計和結(jié)構(gòu)優(yōu)化流程圖Fig.3　Flow chart of module reconfiguration design and structure optimization

表2　模塊重構(gòu)Tab.2　Module reconfiguration

3　整車模塊的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

基于表1的靈敏度系數(shù)和模塊的重構(gòu)設(shè)計，明確需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的模塊，并對其開展結(jié)構(gòu)優(yōu)化，從而最大限度的降低車身的質(zhì)量，達(dá)到輕量化的目的.結(jié)構(gòu)優(yōu)化流程，如圖3所示.3.1 整車模塊的厚度優(yōu)化

由表1，2和圖3可以得到整車模塊中需要進(jìn)行厚度優(yōu)化的模塊.在保證整車強(qiáng)度達(dá)標(biāo)的情況下，對這些模塊的原始設(shè)計厚度進(jìn)行減薄，如表3所示.表3中：dopt為優(yōu)化厚度.

表3　模塊的優(yōu)化厚度Tab.3　Optimized thickness of the module

3.2 車身冗余結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

頂棚各模塊的編號為p1～p7，側(cè)圍、前圍和后圍各模塊的編號為p8～p20.由表1可知：模塊p4和p6的靈敏度系數(shù)小于0.3，可對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化；除模塊p19，其余模塊的靈敏度系數(shù)都大于0.3，基于結(jié)構(gòu)優(yōu)化原則暫不對這些模塊進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化.其中，模塊p19雖然靈敏度系數(shù)小于0.3，但因其結(jié)構(gòu)較為簡單也不進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化.刪除非主受力的冗余桿件，如圖4所示.

3.3 底架冗余結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

底架各模塊的編號為p21～p83.由表1可知：底架模塊的靈敏度系數(shù)普遍較小，具有極大的結(jié)構(gòu)優(yōu)化空間.底架中段的初始結(jié)構(gòu)，如圖5（a）所示，底架中段支撐桿的靈敏度系數(shù)較小，說明底架中段支撐桿對車身扭轉(zhuǎn)剛度不敏感.因此，對圖5（a）中矩形圈中的小角度斜撐，短橫梁和縱梁這些非主受力桿件進(jìn)行刪除，并對其中橢圓處的大角度斜撐進(jìn)行改進(jìn)，優(yōu)化改進(jìn)后底架中段的結(jié)構(gòu)，如圖5（b）所示.

由表1可知：底架后段和前段的各模塊靈敏度系數(shù)都小于0.3，有很大的結(jié)構(gòu)優(yōu)化空間.底架后段的初始結(jié)構(gòu)和優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)，如圖6所示.底架前段的初始結(jié)構(gòu)和優(yōu)化后結(jié)構(gòu)，如圖7所示.

圖4　頂棚結(jié)構(gòu)優(yōu)化Fig.4　Ceiling structure optimization

圖5　底架中段結(jié)構(gòu)優(yōu)化Fig.5　Middle chassis structure optimization

圖6　底架后段結(jié)構(gòu)優(yōu)化Fig.6　Later chassis structure optimization

圖7　底架前段結(jié)構(gòu)優(yōu)化Fig.7　Front chassis structure optimization

由表1可知：底架地板的靈敏度系數(shù)大多在可優(yōu)化范圍內(nèi).原設(shè)計為加強(qiáng)地板的強(qiáng)度，桿件之間增加了過多的支撐桿，如圖8（a）所示.因此，需要對整個地板進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果如圖8（b）所示.

圖8　地板結(jié)構(gòu)優(yōu)化Fig.8　Floor structure optimization

通過車身各模塊的結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，車身質(zhì)量進(jìn)一步降低，由2.782t下降到2.322t.整車總質(zhì)量下降了16.53%，降幅明顯，達(dá)到了輕量化設(shè)計的目的.

4　模塊化車身結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度驗(yàn)證

在現(xiàn)代客車車身結(jié)構(gòu)設(shè)計中，強(qiáng)度分析始終貫穿于車身結(jié)構(gòu)設(shè)計的整個過程.因此，在客車車身的輕量化設(shè)計中，需要考慮車身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度.結(jié)合強(qiáng)度分析驗(yàn)證改進(jìn)車型的合理性.原車型為某公司6125型全承載式大客車，車身和底架的材料均為Q345，其材料參數(shù)：密度為780kg.m－3；彈性模量為210 GPa；泊松比0.3；屈服極限為345MPa.通過調(diào)整各區(qū)域所加載的質(zhì)量點(diǎn)的大小使車身質(zhì)心位置和實(shí)車基本吻合，誤差在2%以內(nèi).配重后整車質(zhì)量為12.691t.

彎曲工況和單輪懸空工況是客車整車結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析的2種典型工況［14］.因此，選取彎曲和單輪懸空工況下對6125型客車的原車型和改進(jìn)車型進(jìn)行靜態(tài)分析.其中，單輪懸空工況包括左前輪懸空和右前輪懸空2種工況.

4.1 彎曲工況

彎曲工況整車VonMises應(yīng)力云圖，如圖9（a）所示.由分析結(jié)果可知：原車型和改進(jìn)車型在彎曲工況下，車身大部分的應(yīng)力都小于32MPa，其中，原始車型最大應(yīng)力為319.5MPa，改進(jìn)車型最大應(yīng)力為237.9MPa.原始車型和改進(jìn)車型在此工況下的最大應(yīng)力出現(xiàn)在同一位置，即右后輪后端懸架與車身連

接的支座處，其局部應(yīng)力云圖，如圖9（b）所示.

圖9　彎曲工況應(yīng)力云圖Fig.9　Stress nephogram of the bending working condition

4.2 左前輪懸空工況

左前輪懸空工況整車VonMises應(yīng)力云圖，如圖10（a）所示.由圖10（a）可知：左前輪懸空工況下兩車型車身大部分區(qū)域應(yīng)力也都較小，基本在39MPa以下.其中：原始車型最大應(yīng)力為332.6MPa；改進(jìn)車型最大應(yīng)力為290.5MPa.此工況下，最大應(yīng)力出現(xiàn)在右前輪前端懸架支撐梁處，其局部應(yīng)力云圖，如圖10（b）所示.

圖10　左前輪懸空工況應(yīng)力云圖Fig.10　Stress nephogram of the left front wheel dangling working condition

4.3 右前輪懸空工況

右前輪懸空工況整車VonMises應(yīng)力云圖，如圖11（a）所示.由分析結(jié)果可知：此工況下，車身大部分地區(qū)應(yīng)力在41MPa以內(nèi).其中：原始車型最大應(yīng)力為314.1MPa；改進(jìn)車型最大應(yīng)力為269.3MPa.原始車型車身最大應(yīng)力點(diǎn)位于中門底部橫梁處，改進(jìn)車型車身的最大應(yīng)力點(diǎn)位于中門上部的增強(qiáng)處，其局部應(yīng)力云圖，如圖11（b）所示.

圖11　右前輪懸空工況應(yīng)力云圖Fig.11　Stress nephogram of the right front wheel dangling working condition

通過對原始車型和改進(jìn)車型車身結(jié)構(gòu)的靜態(tài)分析可知：在3種工況下車身的最大應(yīng)力由332.6 MPa下降到290.5MPa，小于材料屈服極限345MPa，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的車身整體強(qiáng)度和安全裕度有所提高.由以上分析可知，基于靈敏度分析的車身模塊重構(gòu)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化對客車車身輕量化設(shè)計是可行的，并取得較好的輕量化效果.

5　結(jié)論

研究和探討基于靈敏度分析的車身模塊重構(gòu)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法在車身輕量化設(shè)計中的應(yīng)用.以功能相似性車身分塊原則和靈敏度分析為基礎(chǔ)，對車身進(jìn)行模塊重構(gòu)設(shè)計和以輕量化為目的車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，并以靜彎曲、彎扭兩種典型工況下的強(qiáng)度分析驗(yàn)證模塊重構(gòu)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的可行性.

通過的研究可以得到以下4點(diǎn)結(jié)論.1）通過對客車車身進(jìn)行模塊化設(shè)計，可以將復(fù)雜的車身結(jié)構(gòu)劃分為簡單的模塊單元，有助于車身的結(jié)構(gòu)分析和輕量化設(shè)計.2）以各子模塊對車身扭轉(zhuǎn)剛度的靈敏度分析為車身模塊重構(gòu)設(shè)計和結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計的準(zhǔn)則，不僅能較好地減少了初始模塊的數(shù)量，降低了設(shè)計維度，而且也為結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了依據(jù).3）車身模塊化重構(gòu)及結(jié)構(gòu)優(yōu)化使得客車車身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度在2種典型工況下均有所提高，并使整車質(zhì)量減輕了460kg，較好地達(dá)到了輕量化設(shè)計的要求.4）基于靈敏度的模塊重構(gòu)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法能夠有效地減輕車身的質(zhì)量，為客車車身復(fù)雜系統(tǒng)的輕量化設(shè)計提供了一種新的思路，在車身的數(shù)值結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化設(shè)計中具有廣闊的應(yīng)用前景.

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（責(zé)任編輯：黃曉楠 英文審校：楊建紅）

Module Reconfiguration and Structure Lightweight Optimization Design for Bus Body Based on the Sensitivity Analysis

LI Qi，ZHANG Yong，ZHANG Cheng，ZHOU Sha
（College of Mechanical Engineering and Automation，Huaqiao University，Xiamen 361021，China）

Abstract：A novel module reconfiguration design and structure optimization method of bus body are proposed based on sensitivity analysis in order to perform lightweight design of bus body.The design dimensions of the sensitivity analysis are reduced by using the body module，moreover，the module reconfiguration and the structure optimization of bus body are performed based on the sensitivity coefficient of each sub－block thickness for body torsional stiffness.Finally，the feasibility of this method to the lightweight design of bus body is verified by comparing the strength of the vehicle before and after optimization.The research results show that the method not only makes the weight and maximum stress of bus body decrease 460kg and 4.26%，respectively，but also reduce the complexity of body structure optimization design.

Keywords：sensitivity analysis；module reconfiguration；lightweight；bus body；structural optimization

通信作者：張勇（1980－），男，副教授，博士，主要從事汽車碰撞安全性的研究.E－mail：flashzy1980＠163.com.

中圖分類號：U 271.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1000－5013（2015）04－0377－06

doi：10.11830/ISSN.1000－5013.2015.04.0377

收稿日期：2014－06－17

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51205141）；華僑大學(xué)中青年教師科研提升計劃資助（ZQN－PY202）；中國博士后科學(xué)基金項(xiàng)目資助（2014T70613）