摘要：建立12米城市客車骨架有限元模型，以剛度和強(qiáng)度性能為評價(jià)基礎(chǔ)，結(jié)合拓?fù)鋬?yōu)化和尺寸優(yōu)化的方法，并考慮生產(chǎn)及工藝要求，對車身底骨架進(jìn)行結(jié)構(gòu)和尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)。研究結(jié)果及實(shí)車制造表明，輕量化效果顯著，結(jié)構(gòu)安全可靠，同時(shí)剛度和強(qiáng)度性能得到提升。該優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果為同類車型的輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。
以純電動(dòng)和混合動(dòng)力為主的新能源城市客車已逐步替換燃油為燃料的傳統(tǒng)城市客車。而續(xù)航里程是新能源汽車關(guān)注的首要問題。研究車身結(jié)構(gòu)輕量化，降低整備質(zhì)量，是汽車企業(yè)提高續(xù)航里程的主要方法之一。車身骨架是整車主要的承載部件，骨架質(zhì)量在汽車整備質(zhì)量中的比例占30%-40%，一般汽車輕量化主要是指車身結(jié)構(gòu)的輕量化[1-3]。應(yīng)用輕質(zhì)材料、優(yōu)化設(shè)計(jì)以及輕量化制造工藝是車身結(jié)構(gòu)輕量化的三條主要途徑。車身骨架輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)主要是綜合拓?fù)鋬?yōu)化、形貌優(yōu)化和多目標(biāo)優(yōu)化等結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法來改變骨架的材料、結(jié)構(gòu)和尺寸，在保證其性能的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)減重的目的[4-5]。本文將介紹城市客車車身結(jié)構(gòu)輕量化的研究方法和思路，為同類客車車身結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)提供參考。
本文選取一款成熟的12米鋁合金車身純電動(dòng)公交車，車身骨架五大片為鋁合金材料，而底骨架為傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)材料。應(yīng)用鋁合金材料后，整車已減重約560Kg。車身五大片骨架已經(jīng)過材料輕量化（鋁合金）和結(jié)構(gòu)輕量化的方法實(shí)現(xiàn)減重，現(xiàn)需要對車身底骨架鋼結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)一步發(fā)掘輕量化的潛力。現(xiàn)以實(shí)際車型的改進(jìn)設(shè)計(jì)為實(shí)例講解輕量化設(shè)計(jì)的方法和思路。
1建模
在UG中建立整車三維CAD幾何模型，再將模型導(dǎo)入到Hypermesh中，建立整車有限元CAE模型。如圖1所示為白車身CAE有限元模型。
2基于剛度性能的評價(jià)
設(shè)置相關(guān)計(jì)算參數(shù)及邊界條件，借用OptiStruct求解器計(jì)算整車原始剛度性能參數(shù)。
2.1彎曲剛度
如圖2所示為集中力作用于簡支梁時(shí)，其彎曲變形示意圖。當(dāng)客車車身作用有對稱垂直載荷時(shí)，結(jié)構(gòu)處于彎曲工況，其整體彎曲剛度可以有車身最大垂直擾度來評價(jià)[6-7]。此時(shí)客車車身骨架的整體彎曲剛度K為：
參照以上所述的彎曲剛度計(jì)算方法，結(jié)合實(shí)際情況，選擇整車模型為研究對象，設(shè)置相關(guān)載荷及邊界約束。經(jīng)計(jì)算獲得該車的整體彎曲剛度為：19.0×106N×m2。
2.2扭轉(zhuǎn)剛度
當(dāng)客車行駛于不平路面上，車輪不同時(shí)碰撞到障礙物時(shí)，車身上受到左右非稱垂直載荷的作用，車身結(jié)構(gòu)處于扭轉(zhuǎn)工況，產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，此時(shí)客車車身結(jié)構(gòu)應(yīng)有足夠的扭轉(zhuǎn)剛度來抵抗變形[8]。一般計(jì)算前扭轉(zhuǎn)剛度和后扭轉(zhuǎn)剛度。
以前扭轉(zhuǎn)剛度為例，流程：（1）選擇整車白車身骨架為研究對象。（2）約束后懸左右懸架安裝位置的中點(diǎn)。（3）在前懸架左右安裝點(diǎn)施加垂直載荷，載荷大小數(shù)值相同方向相反。（4）利用左右懸架安裝的支點(diǎn)Z向變形量計(jì)算整體的扭轉(zhuǎn)剛度GJ，如式（3）、式（4）。
式中，δL是前懸架左支點(diǎn)的測點(diǎn)Z向變形量，δR是前懸架右支點(diǎn)Z向變形量，T是施加的載荷，X是后懸支撐點(diǎn)到測點(diǎn)的距離，B是左右施力點(diǎn)的間距。
根據(jù)以上方法，獲得該車的前扭轉(zhuǎn)剛度為：9.11×106N×m2/rad。同理后扭轉(zhuǎn)剛度為：8.32×106N×m2/rad。
3基于強(qiáng)度性能的評價(jià)
3.1載荷提取
在HyperWorks軟件的多體仿真模塊MotionView中建立前、后懸架系統(tǒng)模型，通過添加工況條件和輸出項(xiàng)，計(jì)算懸架系統(tǒng)施加在車身上的作用力及力矩，為靜強(qiáng)度分析提供載荷輸入[9-10]。
因此，在MotionView中建立前、后懸架系統(tǒng)模型，結(jié)合實(shí)際情況，對各工況設(shè)置不同參數(shù)，計(jì)算獲取懸架系統(tǒng)與車身連接點(diǎn)的載荷。
流程：（1）根據(jù)實(shí)際情況簡化模型。（2）借鑒MotionView模型庫中的模型，選擇相應(yīng)的模型模板，在此基礎(chǔ)上改進(jìn)模型。（3）建立前、后懸架動(dòng)力學(xué)模型。（4）校核模型、整車參數(shù)及工況設(shè)置。（5）求解計(jì)算。（6）仿真結(jié)果后處理。如圖3所示為彎曲工況下載荷示意圖。
3.2強(qiáng)度數(shù)據(jù)
客車的使用工況是很復(fù)雜的，主要考慮使用過程中滿載彎曲、極限扭轉(zhuǎn)、緊急制動(dòng)、急轉(zhuǎn)彎等典型工況。在各工況下，骨架最大應(yīng)力需要小于材料的疲勞強(qiáng)度或屈服強(qiáng)度。結(jié)合以上方法，建立整車有限元模型，根據(jù)實(shí)際情況對整車骨架進(jìn)行配載。借助HyperWorks軟件，對車身骨架施加MotionView中獲取的邊界載荷，進(jìn)行靜態(tài)強(qiáng)度分析，考察車身骨架的強(qiáng)度性能[11]。
載荷處理：按照實(shí)車情況進(jìn)行配載，配載后模型重量加簧下質(zhì)量達(dá)到整車最大設(shè)計(jì)質(zhì)量。邊界約束：把MotionView中獲得的載荷輸入到強(qiáng)度計(jì)算模型中，利用慣性釋放的方法計(jì)算車身骨架在各工況下的受力情況。
需要保證各工況下整車應(yīng)力水平需滿足材料的疲勞強(qiáng)度或者屈服強(qiáng)度。通過計(jì)算分析，車身骨架變形和應(yīng)力均在允許范圍內(nèi)，并驗(yàn)證本次建模的正確性。
4基于強(qiáng)度和剛度性能的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法
4.1拓?fù)鋬?yōu)化方法
車身骨架的拓?fù)渲饕捎米兠芏确ㄟM(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過查看材料密度，得到結(jié)構(gòu)的最佳布置方式[12]。
優(yōu)化過程是一個(gè)不斷尋優(yōu)的過程，因此選取可優(yōu)化區(qū)域，分階段拓?fù)洌罱K達(dá)到減重目的。本車底骨架斜撐、縱梁、加強(qiáng)梁等位置是拓?fù)鋵?yōu)的重點(diǎn)區(qū)域。
流程：（1）定義拓?fù)鋬?yōu)化區(qū)域。保留底骨架主要的橫梁和縱梁，刪除斜撐、加強(qiáng)梁等，用同等質(zhì)量殼單元的平板來替代該區(qū)域。（2）定義響應(yīng)。定義拓?fù)鋮^(qū)域的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和整車各強(qiáng)度分析工況加權(quán)值為拓?fù)浞治龅捻憫?yīng)。（3）定義約束。把（2）中定義的質(zhì)量分?jǐn)?shù)設(shè)置上限約束。（4）定義目標(biāo)。定義強(qiáng)度分析工況加權(quán)值的最小值作為目標(biāo)。（5）計(jì)算求解。圖4所示為中段底骨架拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果。
根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果，結(jié)合實(shí)際設(shè)計(jì)、工藝、生產(chǎn)進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整后重新計(jì)算拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)后車身骨架的剛度性能數(shù)據(jù)，需要保證優(yōu)化后的骨架彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度值不可低于原始值，最終確定出合適優(yōu)化方案。
4.2尺寸優(yōu)化方法
在尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)中，模型有了初步的幾何形狀、材料類型、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)后進(jìn)行的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，它通過改變結(jié)構(gòu)單元的塑性，如殼單元厚度、橫截面積等達(dá)到一定的設(shè)計(jì)要求[13]。
經(jīng)過拓?fù)鋬?yōu)化，對底骨架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重新優(yōu)化設(shè)計(jì)，已達(dá)到一定的減重效果。為更進(jìn)一步挖掘輕量化的潛力，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行靈敏度分析，尋求最優(yōu)的梁結(jié)構(gòu)尺寸。同拓?fù)鋬?yōu)化類似，選取可優(yōu)化區(qū)域，分階段尺寸優(yōu)化，最終達(dá)到減重目的。
流程：（1）定義設(shè)計(jì)變量。對需要尺寸優(yōu)化的梁定義為設(shè)計(jì)變量，優(yōu)化選擇的厚度需要考慮結(jié)構(gòu)和工藝上的可行性。（2）關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)變量與梁單元屬性之間的關(guān)系。（3）定義響應(yīng)。將所有需要尺寸優(yōu)化的梁定義質(zhì)量響應(yīng)及整車各強(qiáng)度工況加權(quán)值響應(yīng)。（4）定義約束。如對優(yōu)化區(qū)域的質(zhì)量、單元應(yīng)力定義上限約束。（5）定義目標(biāo)。定義各強(qiáng)度工況加權(quán)值的最小值為優(yōu)化目標(biāo)。（6）計(jì)算求解。如圖5所示為中段底骨架尺寸優(yōu)化結(jié)果。
結(jié)合實(shí)際情況對尺寸優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整后重新計(jì)算優(yōu)化設(shè)計(jì)后骨架的剛度性能數(shù)據(jù)，需要保證優(yōu)化后的骨架剛度值不可低于原始值，最終確定出合適優(yōu)化方案，得到最終模型和減重值。
4.3優(yōu)化效果及現(xiàn)狀
經(jīng)過拓?fù)鋬?yōu)化和尺寸優(yōu)化，結(jié)合生產(chǎn)、工藝等實(shí)際情況，獲得優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)模型。對優(yōu)化后的模型進(jìn)行剛度和強(qiáng)度性能分析，對比前后性能的變化。優(yōu)化設(shè)計(jì)后理論上減重約186Kg，如表1所示為輕量化前后性能對比表。仿真結(jié)果表明，優(yōu)化后的車身骨架的性能參數(shù)略有提高，強(qiáng)度分析也滿足材料設(shè)計(jì)使用要求，從而驗(yàn)證了本次輕量化設(shè)計(jì)的合理性和有效性。
將優(yōu)化后結(jié)果輸出成相應(yīng)設(shè)計(jì)及生產(chǎn)文件資料指導(dǎo)實(shí)際車型的輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)制造。如圖6所示為實(shí)車制造后照片。對比前后二批同配置純電動(dòng)公交車過線數(shù)據(jù)，最終實(shí)車可以減重178Kg，在誤差范圍內(nèi)基本同理論減重?cái)?shù)據(jù)相符。
當(dāng)前，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的純電動(dòng)公交車已生產(chǎn)制造出400多臺，服務(wù)于國內(nèi)大中城市。經(jīng)過市場運(yùn)行檢驗(yàn)反饋，該車型性能優(yōu)越，結(jié)構(gòu)安全可靠，整車質(zhì)量暫無發(fā)現(xiàn)問題。
5結(jié)束語
本文選取12米城市客車為研究對象，建立車身骨架有限元模型，以剛度和強(qiáng)度作為性能評價(jià)的基礎(chǔ)，結(jié)合拓?fù)鋬?yōu)化和尺寸優(yōu)化的方法，并考慮實(shí)際生產(chǎn)及工藝要求，對車身底骨架進(jìn)行結(jié)構(gòu)和尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)。研究結(jié)果及實(shí)車制造表明，輕量化效果顯著，結(jié)構(gòu)安全可靠，同時(shí)車身骨架的剛度性能得到提升，各工況強(qiáng)度性能也滿足設(shè)計(jì)要求。該優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果為同類車型的輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。
參考文獻(xiàn)：
[1]牛妍妍.新能源客車輕量化技術(shù)路徑研究[D].長春：吉林大學(xué)，2016.
[2]徐志漢，王澤平.純電動(dòng)城市客車車身有限元分析[J].客車技術(shù)與研究，2015（3）：11-13.
[3]劉顯春.純電動(dòng)客車車身骨架多目標(biāo)輕量化設(shè)計(jì)[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2015.
[4]毛愛華.純電動(dòng)大客車骨架結(jié)構(gòu)輕量化多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].長春：吉林大學(xué)，2015.
[5]黃石華.基于剛度特性的車身結(jié)構(gòu)輕量化研究[D].長沙：湖南大學(xué)，2011.
[6]趙振壘，洪金懷等.客車車身靜剛度計(jì)算及測試方法研究[J].客車技術(shù)與研究，2017（6）：48-51.
[7]那景新，何洪軍，閆亞坤.基于統(tǒng)計(jì)處理的車身彎曲剛度計(jì)算方法[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，9：21-23.
[8]王丹陽.承載式客車車身結(jié)構(gòu)剛度計(jì)算，方法研究[D].吉林：吉林大學(xué)，2009.
[9]高玉聰.客車空氣懸架多體性能仿真分析[D].西安：長安大學(xué)，2013.
[10]王東元.大客車空氣懸架多體動(dòng)力學(xué)及模態(tài)分析[D].西安：長安大學(xué)，2015.
[11]沈光烈，謝義杰.慣性釋放法在車輛有限元分析中的應(yīng)用及缺陷[J].客車技術(shù)與研究，2016（5）：1-3.
[12]姜衛(wèi)遠(yuǎn).基于拓?fù)鋬?yōu)化的電動(dòng)汽車先概念車身設(shè)計(jì)方法研究[D].北京：北京理工大學(xué)，2015.
[13]冶志亮.基于被動(dòng)安全性的轎車白車身結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)[D].長春：吉林大學(xué)，2017.
來源：汽車科技
注：文章內(nèi)的所有配圖皆為網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)載圖片，侵權(quán)即刪！