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HFF6890型客车承载式车身结构优化设计 |
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作者：刘竹清 丁能根 潘为民 马建军 |
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近年来，我国部分大中型客车企业通过与国外合资、合作、采取技术引进、CKD 组装等方法，产品技术含量有了显著提高，车身结构开发也有了长足的发展，开发周期虽然有所缩短，但实际整个开放周期大大慢于国外，开发工作主要还是依赖经验和解剖进口结构进行类比设计，向静动态分析、动态优化及虚拟现实转变还有一段时间。
随着有限元技术的成熟和高速电子计算机的出现，车身骨架的静动态有限元分析及动态优化设计成为可能。以往成熟的静动态分析一般是在车身结构布局已经决定的情况下进行的，它对于查明车身的应力分布状况、变形状况以及固有频率具有指导意义。现在，许多专家认为，应该在客车车身结构开发过程引入结构优化，它包括初步设计阶段的静态优化和结构布局决定后的动态优化，车身结构动态优化是指车身在现有布局与生产条件下，要求在承受规定载荷的同时，对车身骨架截面参数及形状进行优化，以达到减轻客车自重、降低燃耗、减少排放的目的。
HFF6890 型客车是吸收国外先进技术后自主开发的一款新车型，车身是由骨架和蒙皮组成，骨架是由异型管和型钢拼成的空间薄壁杆系结构，蒙皮多数是焊接在骨架上，车身采用了承载式结构，经过早期的有限元分析，该车具有足够大的扭转刚度和弯曲刚度，但整车偏重，轻量化潜力很大。
本文基于ANSYS/APDL 平台对车身结构进行参数化分析设计，并采用ANSYS 提供的强大优化功能对骨架截面参数进行优化设计。
1 车身骨架参数化模型的建立
1.1 参数化优化模型
客车车身骨架结构分析文件生成是本次优化设计过程中的关键部分，本次优化采用了早期静态有限元模型，由于该模型的建立没有参数化，所以必须重新划分单元，简化模型，使骨架单元数控制在4000 个以下，模型的简化过程中保持计算偏差在8％以内，然后提取简化模型的节点、单元、形参、单元类型等模型信息，通过这些信息生成优化分析文件。ANSYS 程序运用分析文件来构造循环文件，进行循环分析。这样克服了生成分析文件时对ANSYS 命令集不熟悉的困难，同时也保证了计算时较高的计算精度及缩短了优化时间。
图1 弯扭联合工况下车身优化模型
1.2 计算工况
扭转刚度和弯曲刚度是客车车身的两个主要性能指标，理论分析和实验结果都表明，大客车车身弯曲刚度是足够大的，故此处只讨论其车身结构前后轴间的整体扭转刚度GJ，同时车身骨架的自振激励对汽车的平顺性和疲劳寿命也有很大的影响,必须优化车身结构来控制车身的模态频率与模态振型，因此，本文考虑以下两种工况对车身骨架截面参数进行优化。
(1) 弯扭联合工况。用作计算扭转刚度，客车满载水平放置，后两轮固定，一前轮悬空，模拟客车在崎岖不平的道路上低速行驶时产生的扭转载荷，优化模型见图1
(2) 扭转、自由组合工况。第一子步计算空载时的扭转刚度，第二子步解除约束，车身自由状态，计算固有频率，优化模型见图2：
图2 扭转、自由状态工况下车身优化模型
2 优化设计
2.1 优化方法
ANSYS 程序提供了零阶和一阶两种优化方法，这两种方法可以处理绝大多数的优化问题。零阶方法是一个很完善的处理方法，可以很有效地处理大多数的工程问题；一阶方法基于目标函数对设计变量的敏感程度，因此更加适合于精确的优化分析。从结构力学的观点来看，车身骨架是一个高次超静定的复杂空间杆系结构，各杆件截面形状并不相同，承受的载荷也非常复杂，如果将所有杆件截面参数都选取为设计变量，这是很不现实的，况且各杆件对车身扭转刚度及固有频率影响也各不相同，必须有针对性地选取那些对上述两个指标影响不大的杆件进行优化，因此在两种计算工况下都选用了一阶方法。为减少优化设计过程中涉及的变量数目，在分析过程中将车身结构分为7 个部分进行：底架、左右侧围、前后围、顶盖及顶盖蒙皮，同时将各部分中相同的截面参数归入同一设计变量。
2.2 弯扭联合工况下的截面优化
本步骤只考虑在弯扭联合工况下进行截面参数优化，优化的目标函数是客车车身骨架的总质量(WT)，状态变量是整车扭转刚度(GJ)。借鉴了一些成功的经验[ ] 4 , 1 ，通过客车车身各部分结构件对整车扭转刚度影响的分析，选取侧围搁梁、腰梁、侧围裙立柱、侧围裙边梁、侧围斜撑、顶盖横梁、顶盖纵梁、底架横梁的截面长度和宽度值作为优化分析的设计变量。车身骨架重量的收敛过程见图3。
图3 车身骨架重量WT 的收敛情况
2.3 扭转、自由组合工况下的截面优化
利用上一个步骤优化结果参数为初始值，分两个子步进行截面参数优化，优化的目标函数依然是客车车身骨架的总质量(WT)，状态变量是扭转工况下的整车扭转刚度(GJ)及自由状态下的一阶扭转频率(FREQ_NZ)和一阶弯曲频率(FREQ_WQ)。考虑到计算量大的原因，忽略顶盖蒙皮的影响，选取侧围搁梁、腰梁、侧围裙立柱、侧围裙边梁、侧围斜撑、顶盖横梁、顶盖纵梁、底架横梁的截面厚度值作为设计变量。车身骨架重量的收敛过程见图4，状态变量的收敛过程见图5。
图4 车身骨架重量WT 的收敛情况
图5 车身低阶固有频率的收敛情况
3 车身骨架优化结果分析
根据市场型材的规格及厂方实际生产条件，对以上优化结果进行标准化，表1 为主要型材优化前后截面参数对照表。通过调整骨架型材的截面参数后，车身主要性能参数变化见表2，经过优化HFF6890 型客车车身骨架总质量减少248kg，而整车的扭转刚度下降7184Nm/度，仍然高于大客车承载式车身扭转刚度的一般水平 。整车骨架总质量和整车扭转刚度下降的同时，车身的一阶扭转频率和一阶弯曲频率却几乎没有变化，分别下降了0.76%和0.13%。可见经过优化后，整车性能满足使用要求。
4.结论
本文应用了APDL 语言对承载式客车车身结构进行参数化分析设计，并采用ANSYS 提供的优化方法对骨架截面参数进行优化设计，结果表明，优化效果是十分明显的。车身自重减轻248 公斤，车身低阶固有频率变化不大，而整车扭转刚度下降不到12％，同时也应该得出结论，如能考虑骨架杆件的取舍等拓扑关系，减重还可进一步提高。国内在客车车身开发中采用计算机优化技术尚处于幼年期，随着有限元技术的成熟和大型优化软件的推出，其应用潜力将是非常大的。(end)
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(6/2/2005) |
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