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某8米客车车身骨架拓扑优化设计 |
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作者：郑冬黎 张胜兰 王若满 |
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摘要：论文分析了某8米客车车身骨架特点，借助HyperWorks分析平台，对该客车侧围和顶棚进行拓扑优化，得到优化后的侧围和顶棚拓扑结构。根据优化结果对侧围及顶棚骨架结构进行二次设计，分析比较了二次设计前后骨架的结构性能，结果表明新骨架在保持原有骨架动态和静态性能的同时，重量减轻了44.9kg，占骨架总成质量的4.7%。
前言
客车车身骨架是客车的主要承载结构，其质量约占客车整车整备质量的三分之一左右。车身骨架的重量和结构直接影响整车的寿命和各项性能，如动力性、燃油经济性等。随着汽车技术发展的日趋完善，低的排放污染、安全性好、用途广泛的汽车成为人们的首选。要达到这一目的，必须在满足车体刚度和强度基础上，尽量减少整车质量[1]。
汽车轻量化的方法有许多种，其中合理的结构设计能使汽车在满足性能要求的前提下降低汽车质量，是汽车实现轻量化设计主要途径之一。拓扑优化作为一种日益成熟的结构设计方法，是近年来结构优化研究领域中的前沿课题和热点问题。本文基于HyperWorks对某8米客车进行拓扑优化设计，实现车身的轻量化，不仅可以为客车的改进和优化提供实际的参考和指导，其研究方法也可以为客车新产品的研发提供借鉴。
1 客车车身骨架有限元模型的建立
1.1车身骨架结构
本文研究的客车为某公司新开发的一款中档旅游客车，长约8米，采用发动机后置的布置形式，车身结构是半承载式。车身整体为一层半结构，即车身上部为乘客舱，下半部分为行李舱，客车设有前置气动外摆单扇乘客门。车身地板为高地板结构，地板中部为乘客站立走动区，车身骨架结构如图1所示。座椅布置形式为31+1+1，两侧靠窗布置座椅，车身后部布置一排座椅可坐五人，左、右两侧均布置为双位座椅，左侧共有6排，右侧有7排，总共31个座位，另外再加上司机和导游的位置，一共33个座位，座椅布置如图2。
为了获得较为准确的应力分布，车身骨架采用壳单元方式进行模拟。在进行网格划分前，首先对结构进行以下简化：
1）省去了一些非承载构件，如：前、后保险杠，踏板支架，风窗玻璃的鼻梁等。
2）车身蒙皮的承载远小于骨架的承载，在建立计算模型时不考虑。
3）将两个靠得很近而又不重合的交叉连接点简化为一个节点处理。
1.2网格划分
为便于管理，将客车骨架模型分为前后围、左右侧围、顶棚和底骨架六个部分分别进行网格划分，之后再整合装配到一起。
1）改善几何拓扑关系 梁与梁之间的接头处有很多不同的面相交，为保证网格的连续性，确保几何模型相邻面的连接处为共享边；有些骨架焊接处结合面的边没有对齐，为了划分网格时能获取高质量的网格，需对这些部分进行面的切分，改善几何拓扑关系；去除一些梁的尖角部分，保证网格质量。
2）网格类型和尺寸 该客车骨架大部分使用40mm*40mm的Q235矩形钢管，采用四边形壳单元划分网格；综合考虑单元规模和计算环境，设定element size为20mm，保证有足够的计算精度。在一些几何关系较复杂的局部，采用单元合并、单元分割、调整单元节点位置和数量等措施进行网格调整，以保证网格质量。
1.3 约束和载荷处理
本文对该客车骨架的优化是不连接车架模型的前提下，半承载式车身的特点是车身骨架与车架刚性连接，车身也承受部分载荷，为了较为准确的模拟客车实际工作情况，在此只模拟客车静止时的工况。
1）约束 对客车骨架约束在客车底骨架与车架需焊接部分（与横梁、牛腿焊接的地方），限制这些节点的3个平动自由度。
2）载荷 作用在客车车身骨架上的载荷主要为两种：其一是客车骨架的质量；其二是外加质量，即：乘客及座椅的质量（后排5个位置各60kg，其余28个位置75kg）、地板质量、空调的质量（150kg）等。客车静止工况下，把空调、乘客、导游和司机的质量等效为均布于安装板上的压力。
1.4原车身骨架静力和模态分析
1.4.1模态分析
对原车身骨架进行自由模态分析，计算了前七阶模态值。得到的模态频率值及振型见表1。从整车振动的角度考虑，为了避免发生整车共振，车身低阶主要振型应控制在3～25Hz之间。同时，为了防止一阶弯曲模态和一阶扭转模态的耦合效应，一般希望这两种模态频率至少错开3Hz以上。由计算结果可见，该客车骨架前几阶固有频率处于要求的频率范围内，在发动机激励和路面激励下具有较好的振动特性。表1 原车身骨架模态频率和振型
 1.4.2静力分析
对原客车骨架模型进行有限元静力分析，正确施加载荷和约束后，进行静力计算，得到位移云图3和应力云图4。骨架位移最大值为6.717mm，出现在空调安装位置。骨架应力最大值为187MPa，出现在底骨架约束的位置，满足Q235强度要求。除此之外，底骨架后排座椅下方应力集中也比较明显。
2 EQ6800车身骨架拓扑优化
2.1侧围拓扑优化
1）优化模型建立
侧围上除车门、车窗、前后车轮、行李箱的空间外都作为设计空间。另外，图5红色圆圈标记区域的杆件是为了焊接后排座位的横梁用的，因此保留原有结构，侧围设计空间如图5所示。
2）优化问题描述
-目标：应变能最小（刚度最大）
-约束：设计域体积比下限0.1，上限0.2
-设计变量：单元密度
3）结果分析
经过优化计算，迭代29步得到优化结果，左右侧围结果对称。通过HyperView调整优化后参数，设计域单元密度大于0.35的单元保留材料，得到清晰的优化结果如图6所示。优化后的材料分布比较均匀，整体结构比较合理。
2.2顶棚优化
1）优化模型建立
构建顶棚拓扑空间时，先不考虑紧急出口和空调安装位置杆件分布，在二次设计时候根据优化结构再进行设计。将顶棚所有的空间都定义为设计域。如图7所示。
2）优化问题描述
-目标：二阶频率最大
-约束：设计域体积比下限0.2，上限0.4
-设计变量：单元密度
3）结果分析
经过优化计算，迭代43步得到结果。通过HyperView调整优化后参数，设计域单元密度大于0.35的单元保留材料，得到清晰的优化结果如图8所示。优化后，纵梁数目较少，横梁分布不均匀。
3 二次设计
3.1 二次设计模型建立
利用OSSmooth工具将优化结果转化为IGES文件，再利用CAD软件根据优化后的结果建立三维模型，考虑到可制造性，利用40mm*40mm的矩形管对有材料分布的区域进行模拟。参照优化结果，二次设计后侧围和顶棚结构如图9、图10所示。
3.2 新骨架静力和模态分析
3.2.1模态分析
对二次设计车身骨架进行自由模态分析，计算七阶模态值。得到的模态频率值及振型见表2。由计算结果可见，该客车骨架前几阶固有频率处于要求的频率范围内，在发动机激励和路面激励下具有较好的振动特性。表2 新车身骨架模态频率和振型
 3.2.2静力分析
对二次设计客车骨架模型进行有限元静力分析，正确施加载荷和约束后，进行静力计算，得到位移图11和应力图12。骨架位移最大值为9.36mm，出现在空调安装位置。骨架应力最大值为185MPa，出现在底骨架约束的位置，满足Q235强度要求。除此之外，底骨架后排座椅下方应力集中也比较明显。
3.3优化前后性能对比
1）对比优化前后的固有频率，车身骨架低阶频率几乎不变。因此，优化后的结构对于客车的动态性能改变很小，基本保持了原车的动态性能。
2）对比优化前后的静力分析结果，车身骨架的静力结果很一致。因此，优化后的结构对于客车的静态刚度和强度的性能改变很小，基本保持了原车的静态力学性能。
3.4优化前后质量对比
经过分析，优化后车身骨架基本保持了原车身骨架动态和静态性能。同时，侧围质量减轻了15.5kg，占原侧围质量的6.0%；顶棚质量减轻了29.4kg，占原顶棚质量的20.5%；整个车身骨架质量减轻了44.9kg，占骨架总成质量的4.7%。由此可见，优化结果可行，提高了材料的利用率，节省了成本。
4结论
本文借助HyperWorks平台，综合分析客车骨架载荷分布和骨架结构特点，结合拓扑优化结果，改善优化结果中的不足，同时考虑结构可制造性，对车身骨架进行二次设计。经过对比分析，二次设计结果对车身骨架静态和动态力学性能影响较小，同时还减轻了4.7%的车身质量，说明二次设计可行，不仅解决了实际问题，还为生产实践和以后车身轻量化的研究提供了参考和指导。
运用有限元分析技术，对客车结构进行分析优化，是现代客车设计的一种有效方式。运用拓扑优化技术，能够有效地改进结构性能，提高结构拓扑布局的合理性。但拓扑优化的结果好坏直接受分析工况、参数设置等的影响，这些因素都是需要一定的经验积累来不断完善和改进。
5参考文献
[1]赵永辉.大客车车身骨架结构拓扑优化设计[D]．武汉理工大学，20080410
[2]杨昆.客车车身骨架侧翻仿真的梁壳混合模型研究[D]．吉林大学，20080516
[3]周伟.客车车身结构轻量化设计[D]．吉林大学，20110601
[4]王怀.大客车车身骨架有限元分析与轻量化改进设计[D]．江苏大学，20030412
[5]吕品.汽车车架拓扑优化设计[D]．沈阳理工大学，20080105
[6]谷叶水.客车车身骨架结构有限元分析与研究[D]．合肥工业大学，20050501
[7]张胜兰,郑冬黎,郝琪,李楚琳.基于HyperWorks的机构优化设计技术[M]．北京：机械工业出版社，2008(end)
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(7/8/2013) |
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