混合動(dòng)力客車全鋁合金車身頂蓋骨架優(yōu)化設(shè)計(jì)

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混合動(dòng)力客車全鋁合金車身頂蓋骨架優(yōu)化設(shè)計(jì)

郝守海胡蓉徐茂林劉小明
（東風(fēng)商用車有限公司技術(shù)中心，武漢 430056）

【摘要】討論了全鋁客車車身頂蓋骨架設(shè)計(jì)過(guò)程，以鋼結(jié)構(gòu)公交車為參照模型，經(jīng)過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化分析和尺寸優(yōu)化分析，完成了鋁合金車身頂蓋骨架設(shè)計(jì)。重點(diǎn)論述了頂蓋骨架圓角過(guò)渡型材的優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程，指出了骨架局部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路：取出優(yōu)化區(qū)域，拓?fù)鋬?yōu)化分析，根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)再現(xiàn)，并對(duì)再現(xiàn)模型進(jìn)行尺寸優(yōu)化確定結(jié)構(gòu)壁厚，將優(yōu)化結(jié)構(gòu)放入整體模型中進(jìn)行分析驗(yàn)證。結(jié)果表明，采用過(guò)渡圓角的車身骨架模態(tài)分析結(jié)果優(yōu)于原車結(jié)構(gòu)，車身頂蓋輕量化效果明顯。

主題詞：鋁合金客車車身頂蓋骨架優(yōu)化設(shè)計(jì)

1　　前言

車身作為汽車的重要部件，在輕量化方面已越來(lái)越受到重視。鋁合金材料具有較高的比強(qiáng)度，雖然彈性模量低，但有很好的擠壓性，能得到復(fù)雜截面的構(gòu)件［1］，從結(jié)構(gòu)上補(bǔ)償部件的剛度，因而采用鋁合金材料制造汽車車身，可在滿足剛性及強(qiáng)度等多方面力學(xué)性能要求的條件下，大幅降低材料的消耗及構(gòu)件的質(zhì)量。目前開(kāi)發(fā)的混合動(dòng)力汽車由于電池及相關(guān)配套部件增加了整車質(zhì)量，所以對(duì)混合動(dòng)力汽車進(jìn)行輕量化顯得尤其必要，采用鋁合金材料是有效措施之一。

拓?fù)鋬?yōu)化是汽車結(jié)構(gòu)優(yōu)化領(lǐng)域出現(xiàn)的一種新的研究方向，是減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量、提高汽車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的有效手段［2］。目前國(guó)內(nèi)針對(duì)汽車車身結(jié)構(gòu)、底盤(pán)、發(fā)動(dòng)機(jī)等零部件的拓?fù)鋬?yōu)化分析和設(shè)計(jì)都已經(jīng)比較成熟，汽車工程師普遍認(rèn)為，應(yīng)該在車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的初始階段引入拓?fù)鋬?yōu)化理論，而不是僅憑設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)來(lái)設(shè)計(jì)或改造結(jié)構(gòu)［3］。

2　全鋁合金車身頂蓋骨架

傳統(tǒng)客車車身（圖1）分為地板、前圍、后圍、左、右側(cè)圍和頂蓋6個(gè)部分。頂蓋骨架總成相對(duì)于其它總成而言結(jié)構(gòu)單一，主要由彎?rùn)M梁和直縱梁組成，梁多采用Q235矩形鋼，其所承載的裝配件有頂置空調(diào)、天窗、風(fēng)道、行李架、前、后頂飾和廂燈等，同時(shí)頂蓋骨架必須具有足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度，以達(dá)到法規(guī)及整車性能所要求的承載能力。

頂蓋骨架直縱梁兩端與彎?rùn)M梁焊接連接，彎?rùn)M梁（圖2）的中間部分為大半徑的圓弧曲線，兩側(cè)為小半徑圓弧曲線，采用鋼管彎制而成，兩端與側(cè)圍骨架上方的縱梁連接。

目前，國(guó)際上全鋁客車車身連接方式主要分為焊接和鉚接2種，對(duì)鋁合金結(jié)構(gòu)焊接易導(dǎo)致骨架變形，且對(duì)操作人員的專業(yè)技能要求高，而鉚接操作簡(jiǎn)便、效率高。在本車型頂蓋骨架設(shè)計(jì)中采用了粘鉚結(jié)合的創(chuàng)新工藝，即在骨架上，梁與梁之間采用鉚接，在局部強(qiáng)度較弱的部位同時(shí)采用粘接進(jìn)行輔助連接。

鋁合金頂蓋骨架總成（圖3）為獨(dú)立的骨架結(jié)構(gòu)，其主要包括直梁式的縱梁、弧線形的橫梁和前后貫通式的圓角過(guò)渡型材?？v梁和橫梁之間采用鉚接，形成了頂蓋骨架的中間主體，圓角過(guò)渡型材與頂蓋骨架中間總成使用粘接與鉚接，圓角過(guò)渡型材貫通于整個(gè)頂蓋骨架總成，是頂蓋主要的抗扭部件。

鋁合金頂蓋骨架與傳統(tǒng)頂蓋骨架的主要區(qū)別在于頂蓋兩側(cè)的圓弧鋁型材，其截面形狀如圖4所示。該結(jié)構(gòu)是頂蓋骨架的設(shè)計(jì)重點(diǎn)，完全由CAE優(yōu)化分析主導(dǎo)完成。

對(duì)于鋁合金型材來(lái)說(shuō)，小圓弧彎曲成型性能相對(duì)較差，這也是頂蓋總成設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)?？紤]到鋁型材的加工成型特點(diǎn)，采用整體貫通式鋁合金型材設(shè)計(jì)，型材擠壓方向與骨架橫梁方向垂直，此方案可較大幅度地提高骨架剛性及承載強(qiáng)度，連接工藝簡(jiǎn)單。

考慮到輕量化效果，需要保證圓角過(guò)渡鋁型材的尺寸盡量小，因此根據(jù)車身外形尺寸將上、下截止端點(diǎn)確定在盡量靠近小半徑圓弧曲線的兩端。內(nèi)部加強(qiáng)筋的形狀、方向以及型材料厚則必須通過(guò)CAE拓?fù)鋬?yōu)化及仿真分析來(lái)確定。其開(kāi)發(fā)過(guò)程主要包括有限元原始建模、拓?fù)鋬?yōu)化、詳細(xì)優(yōu)化、截面尺寸修正、整車分析驗(yàn)證、截面尺寸工藝修正及最終模型整車驗(yàn)證。

3　　圓弧過(guò)渡鋁型材優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1CAE模型建立

頂蓋圓角過(guò)渡型材的CAE模型是從整車模型中截取的一段，長(zhǎng)度約2 m。

a. 對(duì)圓角過(guò)渡區(qū)進(jìn)行網(wǎng)格劃分［4］，建立CAE模型（圖5）。

模型以頂蓋圓弧區(qū)的外表面為網(wǎng)格劃分基礎(chǔ)面，通過(guò)偏移50 mm生成圓角過(guò)渡區(qū)，網(wǎng)格邊長(zhǎng)為10 mm，網(wǎng)格類型以四邊形為主。偏置建立的網(wǎng)格模型為型材的內(nèi)部加強(qiáng)筋優(yōu)化模型，外層建立薄殼（shell）模型作為型材的外表面殼體模型。

b.載荷施加

根據(jù)實(shí)車狀態(tài)的變形和受力情況，確定截取部分的載荷工況，建立優(yōu)化模型的載荷步（如表1所示，坐標(biāo)系方向與整車坐標(biāo)系一致）。

表1　優(yōu)化模型的載荷步

c.模型拓?fù)鋬?yōu)化

針對(duì)完成的CAE模型進(jìn)行靜態(tài)應(yīng)力分析，再根據(jù)分析結(jié)果建立拓?fù)鋬?yōu)化模型。

應(yīng)注意的是擠壓鋁型材的拓?fù)鋬?yōu)化模型需要定義拉伸路徑，以保證分析完成后的優(yōu)化模型符合擠壓工藝的特點(diǎn)，即任意截面上的形狀相同，本車型選取圓角過(guò)渡區(qū)下端外側(cè)的節(jié)點(diǎn)（見(jiàn)圖6）。

3.2拓?fù)鋬?yōu)化

通過(guò)有限元拓?fù)鋬?yōu)化分析可以得到頂蓋過(guò)渡圓角的內(nèi)部加強(qiáng)筋分布云圖（圖7a），該云圖的形狀決定了圓角過(guò)渡區(qū)內(nèi)部的加強(qiáng)筋走向（圖7b）。

根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化云圖在圓角過(guò)渡區(qū)內(nèi)增加6根加強(qiáng)筋，加強(qiáng)筋形成2個(gè)N字形，中間通過(guò)增加外殼壁厚進(jìn)行連接。在進(jìn)行模型細(xì)化時(shí)，將分析模型轉(zhuǎn)化為殼體單元（圖7c），并依照加強(qiáng)筋的端點(diǎn)將圓角過(guò)渡區(qū)的內(nèi)、外壁進(jìn)行切割，以便開(kāi)展進(jìn)一步的尺寸優(yōu)化分析。

3.3詳細(xì)設(shè)計(jì)優(yōu)化建模

將拓?fù)鋬?yōu)化后的圓角過(guò)渡區(qū)結(jié)構(gòu)引入整車分析模型中，再施加整車強(qiáng)度、剛度、側(cè)翻等效工況，按照對(duì)應(yīng)工況的應(yīng)力、變形值設(shè)置優(yōu)化約束條件，定義過(guò)渡圓角各筋板以及內(nèi)、外板厚度為設(shè)計(jì)變量，對(duì)其進(jìn)行尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)。尺寸優(yōu)化過(guò)程中，設(shè)計(jì)變量與剛度矩陣一般為簡(jiǎn)單的線性關(guān)系［5］。

通過(guò)整體車身框架尺寸優(yōu)化確定各筋板以及內(nèi)、外板的厚度，結(jié)合優(yōu)化結(jié)果和工藝要求進(jìn)一步確定內(nèi)部筋板是否保留，最終確定頂蓋過(guò)渡圓角的外形尺寸和內(nèi)部筋板的位置及料厚。

根據(jù)尺寸優(yōu)化結(jié)果，確定去除圓角過(guò)渡區(qū)內(nèi)部的4根加強(qiáng)筋，保留中間的2根加強(qiáng)筋，同時(shí)增加型材的外側(cè)壁和下端面料厚。加強(qiáng)筋形狀如圖8所示，2根加強(qiáng)筋的上端互相靠攏，下端趨于分開(kāi)。

3.4過(guò)渡圓角與原車結(jié)構(gòu)性能對(duì)比分析

對(duì)采用過(guò)渡圓角的整車模型和原車結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行對(duì)比分析，從模態(tài)、彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度的角度判定優(yōu)化效果。

a.模態(tài)對(duì)比

模態(tài)分析結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表2，采用過(guò)渡圓角的車身骨架的模態(tài)分析結(jié)果優(yōu)于原車結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析結(jié)果。

表2 模態(tài)分析結(jié)果

b.彎曲剛度對(duì)比

彎曲剛度測(cè)量分析中，將模型前、后橋通過(guò)工裝夾具固定于試驗(yàn)臺(tái)架上，在前、后橋中間截面對(duì)應(yīng)的底盤(pán)縱梁上加載，并在底盤(pán)縱梁最大位移處以及沿縱梁均勻分布的若干測(cè)點(diǎn)處進(jìn)行位移測(cè)量，如圖9所示。

取底盤(pán)縱梁底面最大Z向位移，彎曲剛度為［6］：

式中，δi為測(cè)點(diǎn)的Z向變形量；Xi為前懸支撐點(diǎn)到測(cè)點(diǎn)的距離；L為前、后懸支撐點(diǎn)距離；P為施加的載荷；a為前懸支撐點(diǎn)至加載點(diǎn)的距離；b=L-a為后懸支撐點(diǎn)到加載點(diǎn)的距離。

彎曲剛度對(duì)比分析結(jié)果如表3所示。結(jié)果顯示，采用過(guò)渡圓角的車身結(jié)構(gòu)，彎曲剛度左側(cè)提高11.2%，右側(cè)提高12.6%。

表3　彎曲剛度對(duì)比分析結(jié)果

c.扭轉(zhuǎn)剛度對(duì)比

扭轉(zhuǎn)剛度測(cè)量分析中，將模型前、后橋通過(guò)工裝夾具固定于試驗(yàn)臺(tái)架上，在前橋左、右端部加載，在底盤(pán)縱梁加載面對(duì)應(yīng)位置處以及沿縱梁均勻分布的若干測(cè)點(diǎn)處進(jìn)行位移測(cè)量，如圖10所示。

取對(duì)應(yīng)加載面的底盤(pán)縱梁底面最大Z向位移，扭轉(zhuǎn)角為［7］：

扭轉(zhuǎn)剛度為［7］：

式中，δL、δR分別為左、右縱梁上測(cè)點(diǎn)的Z向變形量；T為施加的載荷；Xi為后懸支撐點(diǎn)到測(cè)點(diǎn)的距離；Bi為左、右對(duì)稱測(cè)點(diǎn)的間距。

扭轉(zhuǎn)剛度對(duì)比分析結(jié)果如表4所示。結(jié)果顯示，采用過(guò)渡圓角的車身結(jié)構(gòu)，扭轉(zhuǎn)剛度提高47.2%，可見(jiàn)圓角過(guò)渡型材對(duì)整車剛度性能提升效果非常明顯。

表4　　扭轉(zhuǎn)剛度對(duì)比分析結(jié)果

d.頂蓋骨架強(qiáng)度分析

將優(yōu)化后的頂蓋骨架與其它骨架總成進(jìn)行整合，形成完整的客車有限元分析模型，然后對(duì)整車骨架進(jìn)行靜態(tài)應(yīng)力分析，其中頂蓋骨架部分的分析結(jié)果如表5所示。

表5　　頂蓋骨架強(qiáng)度分析結(jié)果　MPa

由頂蓋骨架的應(yīng)力分析可以看出，各種工況下最大應(yīng)力均滿足鋁合金材料的許用應(yīng)力值。

3.5輕量化效果

由于圓角過(guò)渡鋁型材帶有部分頂蓋外板和內(nèi)板，因此在比較質(zhì)量時(shí)需要考慮頂蓋蒙皮的質(zhì)量，在此將頂蓋骨架和蒙皮進(jìn)行統(tǒng)一對(duì)比，其中鋼結(jié)構(gòu)頂蓋骨架的外蒙皮為厚1.0 mm的鋼板，鋁合金頂蓋外蒙皮為厚1.5 mm的鋁板。

鋼結(jié)構(gòu)頂蓋骨架和鋁合金頂蓋骨架的質(zhì)量對(duì)比如表6所示。

表6 質(zhì)量對(duì)比結(jié)果

表中所示的連接件對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)骨架而言是指焊絲的質(zhì)量，對(duì)于鋁合金頂蓋骨架而言指的是角接頭和粘膠的質(zhì)量。結(jié)果表明，車身頂蓋采用鋁合金結(jié)構(gòu)減輕質(zhì)量達(dá)22.3%。

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（責(zé)任編輯斛畔）

修改稿收到日期為2016年2月2日。

中圖分類號(hào)：U463.83+1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-3703（2016）06-0011-04

Optimization Design of Roof Frame for Hybrid Aluminum Bus

Hao Shouhai，Hu Rong，Xu Maolin，Liu Xiaoming
（Dongfeng Commercial Vehicle Technical Center of DFCV，Wuhan 430056）

【Abstract】In this paper，roof frame design process of all-aluminum bus is discussed，with a steel structure bus as a reference model，after analysis of the topology optimization and size optimization，we complete the aluminum roof frame design.We emphasize on the optimization design process of fillet roof frame transition extrusions，and point out the design ideas of partial frame structure：take out the optimization area，make topology optimization analysis and structural reproduction according to the topology results，and use size optimization of the reproduction model to determine thickness of the structure，then put the optimized structure into the entire model for analysis to verify.The results show that the modal analysis results of the body frame structure with transition fillet is better than that of the original car structure，the lightweight effect of roof structure is obvious.

Key words:Aluminum alloy，Bus body，Roof frame，Optimization design