客车车身结构轻量化设计探析

[摘 要]目前，汽车轻量化的主要途径有以下两种，一是采用轻量化材料，例如采用高强度钢，铝镁合金等新材料，在满足刚度强度的情况下，使得质量更轻；二是利用 CAE 技术进行客车结构的优化，使得材料分布和各零部件布局更加合理，在满足要求的情况下，最大限度的减重。文章就是基于拓扑优化的某客车车身结构设计，从而到达优化减重的目的。

[关键词]客车车身；拓扑模型；优化

中图分类号：U463.822 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）42-0287-01

1 拓扑理论简介与拓扑模型的建立

1.1 拓扑理论简介

拓扑优化（Topology）作为一种概念性的数学方法，是将一定设计空间内的连续体离散成有限单元网格，为每个离散单元附上合适的材料属性，给定合适的约束条件，利用OptiStruct自身的近似优化算法-根据结构自身的传力路径对材料分布进行重新布置，来完成设计人员给定的设计目标。

1.2 拓扑模型的建立

式中，表示不等式约束函数；m为不等式约束的数目；表示等式约束函数；l 为等式约束的数目。以拓扑优化设计理论为基础，参考实际工程规范要求建立合适的拓扑优化设计空间。设计人员在拓扑优化设计空间内布置材料的时候还必须考虑到客车的基本功能、性能和装配等实际情况的要求，车门及车窗的位置不发生变化，对一些关键部位着重考虑（对整车弯曲刚度影响较大的车身侧围，在侧翻过程中保证车身结构不会过大变形而导致车内生存空间变小的车身顶盖）。本次拓扑优化的设计空间确定为车身的侧围部分区域以及盖顶，以原始车型的数模为基础构建出的车身局部拓扑优化模型。

2 分析工况说明

2.1 强度分析

对于多种工况的强度分析通常会根据工程设计人员的实际经验以及对整车性能参数的把控给出适当的加权因子，再结合基础车型的应力水平，来对客车的总体强度进行评估。此次应力分析采用静力学的方法，以G作为标准载荷的方式来考核客车的车身强度。具体工况如下：

0.85G前向制动工况：客车在水平路面急停的时候要承受一定的惯性载荷，此处以0.85G向前惯性载荷模拟客车满载状况下在水平路面上的紧急停车情况，考察车身的应力分布情况。考虑到车身悬架的实际情况来进行有限元模型的加载，通过RBE2模拟出前后悬架的支撑点（即RBE2的主节点），并且对左侧前后悬架处的RBE2主节点约束其1、2、3自由度，对右侧前后悬架处的RBE2主节点约束其2、3自由度，再对客车的整体施加X方向的0.85G惯性力。在这种载荷作用下，客车主承载结构上的最大应力值应低于材料的屈服极限。

2.2 刚度分析

弯曲工况：良好路面上正常匀速行驶的客车其车身主要承受弯曲载荷，在此工况下分析车身骨架结构相应的变形用以评价其弯曲刚度。具体的约束及加载方式如下：对左前轮支撑点约束其3自由度，右前轮约束其2、3自由度，左后轮约束其1、3自由度，右后轮约束其1、2、3自由度。此处主要考虑的是客车的动力总成重量以及座椅、乘客的重量。这些重量以集中载荷的方式施加到相应的节点上。对于测量点的选取直接关乎到计算分析结果的可信度，此处的测量点严格按照工程实际规范进行选取，通常在客车底盘纵梁底面选取若干均匀分布点，用测量点的最大位移来评价其刚度特性。弯曲刚度E可通过测量点的最大位移计算得出：

式中，是测点的Z向变形量（单位：m）；是前悬支撑点到测点的距离（单位：m）；L是前后悬支撑点距离（单位：m）；P是施加的载荷（单位：N）；a是前悬支撑点至加载点的距离（单位：m），b=L-a。扭转工况：客车在低速通过不平路面的时候会出现车轮悬空的危险状况，扭转工况就是模拟这一情况的，具体表现为三个车轮着地一个车轮悬空。在这种状况下，车速较低，惯性较小，车身的受力特性完全可以当作是静态的。车身模型的具体约束及加载条件如下：约束左右两侧后悬架安装点1、2、3自由度，左右两侧前悬架安装点通过MPC的方式约束，同时任选一侧前悬在其安装点处施加一定的竖直方向的力（即沿Z方向的力） 以此获得30000Nm的转矩。测量点的选取依旧严格按照工程规范选取，通常在客车底盘纵梁底面选取加载面对应点 以及沿纵梁均匀分布若干测量点。扭转刚度GJ是通过加载面所对应的纵梁底面Z向的变形量来计算的。

式中，是左纵梁上的测点Z向变形量（单位：mm）；是右纵梁上的测点 Z向变形量（单位：mm）；T是施加的载荷（单位：Nm）；是后悬支撑点到测点的距离（单位：m）；是左右对称测点的间距（单位：m）。

3 拓扑优化计算和结果分析

拓扑优化计算

以已经构建好的拓扑优化设计结构模型为基础，结合客车的各种性能要求所需要满足的工况，施加相应的载荷，此处主要涉及到两个强度工况，两个刚度工况。以客车顶盖及其侧围为设计变量，以确定好的局部拓扑优化设计空间的质量比（mass fraction）0.2～0.3为约束条件，同时施加对称约束，以加权应变能最小min（wcomp）为目标函数完成拓扑优化计算的前处理工作。在模型测试没有问题的基础上通过OptiStruct提交计算，为保证拓扑结果的完整性，将相应的迭代次数增加为200次，经过若干次迭代之后可以得到在以上四种工况之下的拓扑优化结果。

4 有限元仿真分析结果验证

参考市面上钢材的规格以及性能参数，更新模型中的相应的材料和属性，再计算出新的车身结构的强度、刚度指标，对比优化前后的各指标变化情况。

对比表1中客车车身优化前后各种性能指标参数，可以看出，客车车身的减重效果特别明显，具体表现为质量减少了348kg，占原有车身结构质量的8.98%。在优化过程中对材料进行重新调整与布置使得刚度富余的情况大大减小，从而在一定程度上导致车身整体刚度的减小，但仍在满足性能要求的范围之类。至于两个强度工况，0.5G右转向工况其最大应力值降低，而0.85G前制动工况其最大应力值稍有所增加，不过都小于材料的许用应力，满足强度要求。

5 结束语

结合实际工程规范要求以及客车车身本身所具有的整体性能方面的相关要求，参考拓扑结果，优化设计出新的车身结构。对新车身的结构进行分析，对比优化前后所涉及到的各性能指标参数，结果表明，在满足性能要求的情况下，客车车身减重效果明显，从而进一步印证了拓扑优化设计方法的可行性和有效性。

参考文献

[1] 周伟.客车车身结构轻量化设计[D].吉林大学，2011.

[2] 王思祖，黄鼎友，曹佳，任明辉.全承载式客车车身结构轻量化设计[J]. 机械设计与制造，2014，10：73-75.

[3] 谭伟.轻型客车车身结构设计与优化[D].华中科技大学，2012.