基于模塊分組與重構(gòu)的客車車身尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)

王文甲

(廈門金龍聯(lián)合汽車工業(yè)有限公司， 新能源客車電控與安全技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室， 福建 廈門 361023)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，汽車質(zhì)量每減少10%，能耗就會(huì)降低6%～8%[1-2]。車身骨架作為客車的主要承載部件，質(zhì)量約占客車總質(zhì)量的20%～40%[3-4]。由此可見(jiàn)，車身骨架輕量化對(duì)降低客車能耗具有重要意義。

結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化是一種應(yīng)用最早，也是應(yīng)用最成熟的汽車輕量化技術(shù)[5-6]。一般來(lái)說(shuō)，尺寸優(yōu)化的方法是以零件的截面壁厚為設(shè)計(jì)變量，在滿足具體要求下獲取較優(yōu)截面壁厚的一種方法。由于車身骨架是由大量方鋼焊接成的復(fù)雜的桁架結(jié)構(gòu)，直接采用尺寸優(yōu)化方法對(duì)方鋼截面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)勢(shì)必面對(duì)眾多的設(shè)計(jì)變量，增加計(jì)算的工作量。本文選取某12 m承載式電動(dòng)城市客車，對(duì)車身骨架進(jìn)行分組和重構(gòu)，并應(yīng)用多目標(biāo)尺寸優(yōu)化的方法對(duì)方鋼截面壁厚進(jìn)行輕量化改進(jìn)，有效減少了尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)變量的數(shù)目。

1 車身骨架仿真模型的建立與分析

1.1 有限元仿真模型的建立

對(duì)車身骨架建立數(shù)值模型，建模過(guò)程主要包括抽取中面、幾何清理、網(wǎng)格劃分、部件連接、單元質(zhì)量的檢查等，各總成內(nèi)部的方鋼通過(guò)共節(jié)點(diǎn)的方式進(jìn)行連接，各總成之間多采用RBE2單元的方式來(lái)模擬焊接。得到最終的有限元分析模型如圖1所示。該模型的單元總數(shù)為1 726 751個(gè)，其中，四面體單元47 504個(gè)，四邊形單元1 665 825，三角形單元13 422個(gè)。三角形單元占總單元數(shù)目的0.77%，小于5%，符合建模的要求。

圖1 車身骨架有限元模型

該車車身骨架主要采用Q700高強(qiáng)鋼材料，其密度為7 850 kg/m3，泊松比為0.3，屈服強(qiáng)度為700 MPa，彈性模量為210 GPa 。

1.2 車身骨架的基本性能分析

對(duì)車身骨架的各項(xiàng)基本性能參數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算，主要包括：自由模態(tài)分析、彎曲剛度與扭轉(zhuǎn)剛度分析以及車身骨架在典型工況(彎曲、左扭轉(zhuǎn)、右扭轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)彎和制動(dòng))下的強(qiáng)度分析等，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1和表2。

表1 車身骨架的模態(tài)、剛度、質(zhì)量

表2 車身骨架在不同工況下的最大應(yīng)力 MPa

分析結(jié)果表明，原車基于經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的骨架結(jié)構(gòu)滿足基本性能要求；由表2可知，各工況最大應(yīng)力值遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到所用材料Q700的屈服強(qiáng)度700 MPa，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為保守，有待進(jìn)行后續(xù)的輕量化改進(jìn)。

2 車身骨架的模塊化劃分及重構(gòu)

2.1 車身骨架的初步模塊化劃分

采用模塊化分組的辦法，將車身骨架的方鋼根據(jù)同材質(zhì)、同截面壁厚、結(jié)構(gòu)對(duì)稱及承力特點(diǎn)相似的原則，進(jìn)行初步的模塊化分組，相鄰的模塊賦予不同的顏色。通過(guò)初步的模塊劃分，將組成車身骨架的500多根方鋼劃分于80個(gè)模塊中。車身骨架各個(gè)總成的模塊化劃分如圖2所示。

(a)前、后圍和頂蓋的模塊化劃分

(b)左、右側(cè)圍的模塊化劃分

(c)底架的模塊化劃分

2.2 基于靈敏度分析的模塊的重構(gòu)

選用各模塊方鋼的截面壁厚ti為設(shè)計(jì)變量對(duì)整車的彎曲剛度w、扭轉(zhuǎn)剛度n、質(zhì)量m作靈敏度分析，靈敏度計(jì)算公式分別為：

通過(guò)程序分別求出各靈敏度系數(shù)Kw、Kn、Km。為進(jìn)一步降低尺寸優(yōu)化的設(shè)計(jì)維度，本文引用兩個(gè)靈敏度的比值指標(biāo)：Kw/Km與Kn/Km，若Kw/Km≥1或Kn/Km≥1，則增加該模塊厚度能夠在不增加過(guò)多質(zhì)量的情況下有效地增加彎曲剛度或扭轉(zhuǎn)剛度。為綜合考慮設(shè)計(jì)變量對(duì)彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度及質(zhì)量的影響程度，引進(jìn)系數(shù)I(I=(Kw+Kn)/2Km)作為模塊化重構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)，后文稱為靈敏度的剛質(zhì)比，部分模塊的I值見(jiàn)表3。表中D表示模塊方鋼的截面壁厚。

表3 部分模塊的截面壁厚與靈敏度的剛質(zhì)比表

根據(jù)得出的剛質(zhì)比I的值，將材質(zhì)相同、截面壁厚相同、剛質(zhì)比相差≤0.1的模塊合并成一個(gè)新的模塊，用字母Hi表示。由此，將車身骨架中的46個(gè)模塊重構(gòu)成16個(gè)新模塊，使整車骨架模塊數(shù)量由80個(gè)降低至50個(gè)，進(jìn)一步減少了后續(xù)尺寸優(yōu)化的設(shè)計(jì)維度，部分重構(gòu)的模塊見(jiàn)表4。

表4 車身骨架的模塊化重構(gòu)

3 車身骨架的尺寸優(yōu)化

3.1 尺寸優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型

完成模塊的重構(gòu)后，再以各個(gè)模塊方鋼的截面壁厚為設(shè)計(jì)變量，以彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度、一階扭轉(zhuǎn)頻率為約束條件，以車身骨架質(zhì)量最小為目標(biāo)函數(shù)，對(duì)車身骨架進(jìn)行尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

findx=[x1x2…xn]T

(1)

(2)

(3)

式中：xi表示第i個(gè)模塊的厚度；m表示骨架總質(zhì)量；m0表示非設(shè)計(jì)變量的質(zhì)量；Pi表示模塊i的材料密度；Ai表示對(duì)應(yīng)模塊的等效面積；b、t分別表示在彎曲剛度及扭轉(zhuǎn)剛度工況下響應(yīng)點(diǎn)Z軸方向的位移量；bmax、tmax表示原車響應(yīng)點(diǎn)在彎曲剛度及扭轉(zhuǎn)剛度工況下對(duì)應(yīng)的Z軸方向的最大位移量；f表示約束條件下一階扭轉(zhuǎn)頻率；f0表示原車一階扭轉(zhuǎn)頻率(由于一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)是典型的低階模態(tài)振型，所以本文將一階扭轉(zhuǎn)頻率作為約束條件)。

3.2 尺寸優(yōu)化分析

采用Optistruct的尺寸優(yōu)化模塊對(duì)車身骨架各個(gè)模塊的截面壁厚進(jìn)行尺寸優(yōu)化，經(jīng)過(guò)7次迭代運(yùn)算，得到的優(yōu)化結(jié)果如圖3所示，優(yōu)化后，各個(gè)模塊的截面壁厚被賦予新值，并根據(jù)厚度的大小用不同的顏色表示出來(lái)。

圖3 尺寸優(yōu)化結(jié)果

考慮到尺寸優(yōu)化后得到的方鋼截面壁厚不一定符合實(shí)際應(yīng)用的厚度標(biāo)準(zhǔn)，所以還需對(duì)優(yōu)化后的方鋼截面壁厚進(jìn)行進(jìn)一步的圓整化處理，以符合應(yīng)用實(shí)際。部分分組圓整化處理后所得的結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 部分模塊截面壁厚D及優(yōu)化圓整后截面壁厚Dopt mm

3.3 優(yōu)化前后車身骨架的性能對(duì)比

對(duì)優(yōu)化后的車身骨架進(jìn)行模態(tài)、彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度分析，優(yōu)化前后的對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 優(yōu)化前后車身骨架剛度、模態(tài)頻率、質(zhì)量的對(duì)比

從表6中數(shù)據(jù)的對(duì)比可以看出，優(yōu)化改進(jìn)后的車身彎曲剛度提升了4.62%，扭轉(zhuǎn)剛度略微下降，一階扭轉(zhuǎn)頻率和一階垂彎頻率均有所上升，骨架質(zhì)量減少了293 kg，約占原車總質(zhì)量的10.96%。

對(duì)車身骨架進(jìn)行靜強(qiáng)度分析，優(yōu)化后應(yīng)力水平表現(xiàn)較好，結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 優(yōu)化后車身骨架各工況的最大應(yīng)力值 MPa

對(duì)比表7和表2，尺寸優(yōu)化后的車身骨架最大應(yīng)力變化不大，均出現(xiàn)在客車底架上，均小于所用材料Q700的屈服極限700 MPa，改進(jìn)后客車骨架的強(qiáng)度都滿足要求。

4 結(jié) 論

本文根據(jù)方鋼截面壁厚、承力特點(diǎn)和對(duì)稱性對(duì)車身骨架進(jìn)行初步的模塊化分組，引進(jìn)靈敏度分析的方法，對(duì)模塊進(jìn)一步重構(gòu)，有效地降低了設(shè)計(jì)維度，并應(yīng)用多目標(biāo)尺寸優(yōu)化的方法對(duì)車身骨架進(jìn)行輕量化改進(jìn)，改進(jìn)后，車身的基本性能有些許提升，車身骨架質(zhì)量減少了293 kg，減重幅度達(dá)10.96%。該方法可有效減少尺寸優(yōu)化的維度，提升效率，實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)。