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客车车身轻量化分析 |
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作者：沈浩 陈昌明 姚晓冬 周正飞 赵吉文 |
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摘要：以某车型为例，分别从优化流程、优化分析模型、分析工况等方面研究车身轻量化方法，提出一套切实可行的技术路线。
关键词：车身；结构；轻量化；优化技术
轻量化设计是当今汽车设计中的主题之一，它可以提高车辆的动力性，降低成本，减少能源消耗并相应降低污染。然而，轻量化结构是一双刃剑，不仅对车辆强度和刚度将产生影响，也对结构寿命有影响，这两方面需要协调处理。目前关于这方面研究大多集中于采用轻型材料，但由于成本、加工工艺、环保等方面的问题[ 1，2 ] ，这些材料还很难用于一般车辆，而从结构角度方向优化却更具有实际意义。
结构轻量化本质上是一优化问题，现有优化技术已大规模应用于工程设计领域，但客车结构的特殊性使现有优化方法必须加以改进才具有可行性，其中优化流程、控制工况、约束条件、优化模型等均是非常关键的技术问题，在现有可参考的文献中，关于这方面的系统研究很少。
1 优化流程确定
优化分析模型一般由目标函数、约束方程、优化设计变量三个方面组成。如果能将这三个方面以解析数学函数的形式书写，在现有计算机技术和优化理论的条件下可以借助相关软件，能比较简单地完成，但由于客车结构轻量化设计的许多特殊条件，这种方法不适用。
首先，在轻量化分析过程中，一般选取目标函数为车身总质量最小。对于现有的分析软件可以实现此目标函数的定义，前提是在分析环境中建立参数化几何模型，但是现有分析用几何模型大多来自于CAD 软件，其通过一定格式进入分析软件中，丧失了一些特征参数，从而无法实现优化。若在分析软件中进行几何建模，对于梁单元尚可，对于板壳单元则不现实。所以，基于车身近似建模的梁单元模型是这种优化方法的唯一模型。其次，约束条件主要包括合理的车身动刚度(主要指前几阶振型对应的固有频率控制在一定范围之内)、各工况下车身结构件应力不大于屈服极限、在扭转工况下各车窗的变形控制在一定范围之内等，这些方程在软件中可以定义。最后，优化设计变量可以选择板件壁厚、杆件长度等，此优化数值是连续变量。
从上述这些因素分析可知，使用软件中提供的算法可以在理论上完成梁单元模型的客车结构优化工作，但在实际使用过程中无法实现，主要有以下几方面的原因：
(1) 此优化计算量极大，现有的硬件条件还不足以完成这样的优化工作。即使对计算机技术发展速度充满信心，在短期内完成这些优化工作还相当困难；
(2) 不能进行拓扑优化，只是在现有结构基础上改变型材的厚度；
(3) 优化结果一般不具有实际意义，如型材的厚度是离散的且规格较少，优化结果值一般在实际型钢中很难选取；
(4) 很难考虑工艺因素，不能充分运用工程师的经验等，这是软件提供优化方法的致命弱点。
所以对现有的优化分析过程加以改进，用于客车车身的轻量化分析：采用基于传统经验的优化流程，即总布置优化、拓扑结构优化、几何形式优化、截面参数优化等，其目标函数、约束条件和上述软件优化方法相同，设计变量主要基于客车制造企业较通用的型材库。其具体优化流程如下：
(1) 总布置优化。通过改变部分部件的连接位置，减少集中出现双重力矩(弯矩和扭矩) 并导致局部应力较大的可能，在能够实现总布置的情况下，使载荷分布均匀化。
( 2) 拓扑结构优化，进行功能件、加强件分类。功能件主要指为满足结构布置需要及工艺需要所使用的构件；加强件指为满足强度需要而额外添加的构件。在优化过程中，分别采用加法设计和减法设计的方式。所谓加法设计即在功能件结构的基础上添加加强件，而减法设计即在原有车辆结构的基础上减少构件，最终使结构在少构件数、最小质量的基础上，满足约束条件，从中选取较优方案。理论上讲，这两种方法得到的结果应该相似。
(3) 截面几何形式优化。在较优方案中，提取各构件的变形情况，以列表形式表示，确定各构件的危险工况，确定选取抗弯型、抗扭型或抗拉压型，从而选取截面几何形式；
(4) 截面参数优化。从建立的截面库中，选取相应型材进行试算。
2 优化模型建立
在车身梁单元有限元模型建立时，主要需要研究组合梁模拟、变截面梁模拟、焊接铆接模拟等。在本模型中，和一般参考文献相同，略去蒙皮的影响。
由于梁单元在计算中的应力和变形取决于截面形状、惯性矩和外部边界条件的相互作用，因此，组合梁简化后截面的截面形状和惯性矩应保证相同。文中对车身骨架结构中紧密相邻的多根梁进行合并，用一根梁代替，图1 所示为两根相互焊接、截面尺寸不同的矩形管；对于变截面梁，可以通过多段等截面梁模拟；对于焊接模拟，文中主要采用主从节点法，这样可以避免采用节点重合时所带来的模型几何误差(变长) ，但需考虑刚度等效和强度等效。基于上述简化原则，本文基于某豪华车CAD 模型，建立了车身梁单元有限元模型，所得简化模型如图2 所示。
图1组合梁截面定义
图2梁单元有限元模型
发动机、压缩机等重量质量利用主从节点方法将其分摊到各受载节点上；电瓶、电视机等对整车刚度影响较小的重量/质量被平均分配至车身结构中与其相连的节点上。
本文以行驶工况和试验工况作为分析工况，行驶工况包括直线行驶、驱动、制动、转向等4 个工况；试验工况为单轮悬空的扭转工况和弯曲试验工况。
约束条件主要是行驶工况下各构件的强度不超过屈服极限；前2 阶车身扭曲、弯曲模态固有频率相对原车型变化不超过10% (此约束条件仅从技术可行性考虑，不一定有实际意义) ；试验工况下车窗变形不超过5 mm。设计变量基于客车制造企业较通用的型材库。
3 优化结果
在优化工作开展前，首先要对分析模型进行确认。由于本车型为新开发车型，尚无足够的数据积累，文中采用类比方法，与已公开数据的同等车型结果比较及不同单元形式(板壳单元和梁单元) 模型比较，其结果显示此模型仿真结果可信，在此不详细叙述。
按照上述优化流程，进行整车结构优化，具体优化结果如下：
(1) 侧围中考虑工艺因素，窗框顶梁处不作修改，窗框底梁用50×50×115 型钢代替原来50×50×215 型钢，窗边梁用折弯件代替原有型钢；
(2) 顶盖中纵梁选用30×30×1. 5 型钢代替原有结构；
(3) 底架中去除中部交叉梁、纵梁竖向支撑间的斜撑、后部台阶上部分竖向支架，添加一纵梁间的竖向支撑、一连接后端底架与纵梁的支撑梁、后排座椅支座处一40×40×1. 75 横梁。
(4) 后围中去除纵向梁、后围与侧围连接板件，加四根侧围与后围底部连接梁特性相同的连接梁。
改进前后车身最大应力比较见表1。从表中可知，车身轻量化改进后，结构应力最大值为168M Pa，在所选材料的许用范围内；另外，原始结构中部分应力较大部位在改进后应力下降较多，部分应力较小部位在改进后应力显著增大，说明结构应用水平得到了较大提高。由于型材型号有限，即工艺方面的要求，许多在理论上可以实施轻量化的结构没有改进，如底架、侧围等结构的应力水平很低。
改进前后车身模态特性比较见表2。从上面分析可知，改进后结构的主要振型对应的频率变化较小，且符合设计要求。在标准试验工况中，门框、前后围风窗框对角线长度变化均不超过5 mm ，符合客车设计要求。通过计算得到，整车的质量减小了150 kg。
4结束语
(1) 梁单元模型对客车轻量化分析实用可行，板壳单元模型分析耗费较大，不适合作为轻量化设计用模型；
(2) 基于总布置优化、拓扑结构优化、几何形式优化、截面参数优化的优化流程，对于客车轻量化有效且可取得较好的优化效果；
(3) 文中采用行驶工况和试验工况作为评价工况并将其分析结果作为约束条件，此法计算耗费较大。设定强度控制工况是下一步工作研究的关键。
参考文献：
[1 ]刘书城1 汽车的轻量化和冲压成形[J ]1 轻型汽车技术，1997 (1)
[2 ]李红玉1 新车新材料[J ]1 轻型汽车技术，1997 (2)(end)
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(9/9/2007) |
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