大客車車身骨架輕量化改進設(shè)計

金宏宇+邵海良

【摘 要】車身輕量化設(shè)計是有效提高汽車性能的重要途徑，在車身強度和車輛安全性能得以保證的前提下，降低汽車的整備質(zhì)量將會顯著提高汽車的動力性、操控性、制動性以及經(jīng)濟性。相關(guān)試驗研究表明，若汽車整車重量降低 10%，燃油效率可以提升6%-8%，這顯示出汽車輕量化在降低燃料消耗、減少廢氣污染方面具有非常直接的效益。汽車設(shè)計的輕量化是我國節(jié)能減排戰(zhàn)略的需要，更是汽車制造企業(yè)提市場高競爭力的現(xiàn)實需求。

【關(guān)鍵詞】客車車身；輕量化；改進設(shè)計

前言

隨著現(xiàn)代交通的發(fā)展和汽車工業(yè)的進步，汽車已經(jīng)完全融入到我們的生活中。我國人口眾多，公共交通是我國發(fā)展的主流?？蛙嚥粌H具有及時迅速的特點，而且可以實現(xiàn)點對點的直線運輸，機動靈活性非常強。大客車作為公路客運最主要的一種形式，與航空、鐵路相輔相成，每年承擔(dān)著城鄉(xiāng)、城際等重要的載客任務(wù)。因此，客車的節(jié)能和環(huán)保直接影響著我國的能源和環(huán)境。據(jù)統(tǒng)計，客車質(zhì)量每降低 10%，相應(yīng)的耗油量減少 6%-8%，尾氣排放也會降低很多。客車車身質(zhì)量占整個汽車整備質(zhì)量的20%-30%，因此客車車身輕量化有助于客車油耗的降低和污染物排放的減少，對我國生態(tài)文明建設(shè)意義重大

一、輕量化設(shè)計方法分析

客車車身輕量化主要有三個途徑：新材料技術(shù)、先進的加工制造技術(shù)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法。結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法可以利用最少的資源（材料、造價、工藝等），實現(xiàn)結(jié)構(gòu)強度、剛度、穩(wěn)定性等各種最優(yōu)性能。國內(nèi)外大型設(shè)計案例表明，將優(yōu)化方法運用到設(shè)計中，不僅可以大大縮短設(shè)計周期，而且可以顯著提高設(shè)計質(zhì)量，解決一些傳統(tǒng)設(shè)計方法無法解決的問題。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計是以數(shù)學(xué)理論為基礎(chǔ)，將實際的物理模型轉(zhuǎn)變?yōu)橛嬎銠C可以識別的數(shù)學(xué)模型，運用最優(yōu)化的數(shù)學(xué)設(shè)計理論，結(jié)合相應(yīng)的計算機軟件，在滿足各種約束的前提條件下尋求滿足要求的最佳設(shè)計。有限元方法和最優(yōu)化技術(shù)結(jié)合產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)已發(fā)展成熟，廣泛應(yīng)用到產(chǎn)品設(shè)計的各個階段，并取得了很好的效果。優(yōu)化設(shè)計包括三個主要內(nèi)容：目標(biāo)函數(shù)、約束條件和設(shè)計變量。目標(biāo)函數(shù)是指在設(shè)計過程中所追求的最優(yōu)解，比如質(zhì)量最輕、體積最小等。約束條件是指，要達到所設(shè)定的優(yōu)化目標(biāo)所必需滿足的性能條件，比如：應(yīng)力小于材料的許用應(yīng)力、位移小于設(shè)定值等。設(shè)計變量是指在優(yōu)化過程中要改變的參數(shù)，如：桿件截面參數(shù)、單元厚度等。

二、典型結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法

一般客車車身骨架采用的主要材料有：鍛巧冷批板、冷靴鍋轎靜鋼板等。不同的鋼板材料由于巧強度和剛度的不巧被用在客車上不巧的部位，低破鋼一般被用在前后圍、地板等對剛度、強度耍求較低的部件；抗變形能為強、屈服極限化大的商強度鋼一般被用在底架等對剛度、強度耍求較高的部件對各構(gòu)件提取中面后，還需耍對構(gòu)件的一些微小細(xì)節(jié)，如倒角、微型孔等進行清理。這些在有限元網(wǎng)格劃分時會產(chǎn)生許多小單元，從而導(dǎo)致計算時問的增加。因此，在保證構(gòu)件完整形貌的前提下，對巧細(xì)微的倒巧和一些直徑小于20mm化非螺栓孔的結(jié)構(gòu)進行幾何處理。同時，對于而與面之間的問隙和一些自由邊等次耍細(xì)節(jié)也進行了幾何清理，保證網(wǎng)格劃分的質(zhì)量。在客車車身骨架結(jié)構(gòu)有限元模型建立的過程中，尤其是在網(wǎng)格劃分的過程中，一定要經(jīng)常、及時的進行網(wǎng)格質(zhì)量的檢査，W便使得所劃分的網(wǎng)格達到耍求。檢查網(wǎng)格的各項參數(shù)，找出不符合耍求的網(wǎng)格，并對其經(jīng)行修改。具體的檢查內(nèi)容：

1.連續(xù)性檢査：為保證網(wǎng)格連續(xù)W實現(xiàn)各節(jié)點問力的傳遞，對于重復(fù)的節(jié)點進行合井或刪除。

2.單元法向的檢查和調(diào)整：調(diào)整單元的法向量，使所有單元的法向量一致。

3.網(wǎng)格形狀檢查，包括單元長寬比、雅克比、單元翅曲巧、單元歪斜巧、單兀最大最小內(nèi)巧等。

4.H巧形網(wǎng)格單元所占比例檢查：Itl于相鄰兩個H巧形單元之問很容易產(chǎn)生應(yīng)力、應(yīng)變突變，所W在模型中盡量不耍出現(xiàn)過多的H巧形單元，一般耍求H巧形網(wǎng)格單元有網(wǎng)格單元數(shù)量的比例在3%W下。

5.交叉穿透檢査：整車模型中和鄰部件可能出現(xiàn)相互穿透，需進行檢查和調(diào)整，消除穿透現(xiàn)象。

以有限元為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化中，拓?fù)鋬?yōu)化、形貌優(yōu)化和尺寸優(yōu)化是最為常見的優(yōu)化方法，被廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品開發(fā)的各個階段。在產(chǎn)品的初始概念設(shè)計階段，可以采用拓?fù)洌═opology ）優(yōu)化、形貌（ Topography）優(yōu)化和自由尺寸（ Free Sizing）優(yōu)化技術(shù)得到初始結(jié)構(gòu)的基本形狀。本文主要采用拓?fù)鋬?yōu)化和尺寸優(yōu)化相結(jié)合的方法對客車車身桁架的位置和厚度進行優(yōu)化。拓?fù)洌═opology）優(yōu)化是一種數(shù)學(xué)方法，能在給定的空間結(jié)構(gòu)中生成優(yōu)化的形狀及材料的分布。通過將區(qū)域離散成有限元網(wǎng)格，OptiStruct為每個單元計算材料特性，在給定的約束條件下，改變材料的分布，優(yōu)化用戶給定的設(shè)計目標(biāo)。拓?fù)鋬?yōu)化基本思想是將尋求結(jié)構(gòu)最優(yōu)拓?fù)鋯栴}轉(zhuǎn)化為求解設(shè)計區(qū)域內(nèi)最佳材料分布的問題。其最大優(yōu)點是能在不知道結(jié)構(gòu)拓?fù)湫螤畹幕A(chǔ)上，根據(jù)已知載荷條件和邊界條件確定較合理的結(jié)構(gòu)形式。拓?fù)鋬?yōu)化不涉及具體結(jié)構(gòu)的尺寸設(shè)計，但可以提供滿足條件的最優(yōu)材料分布方案。

密度法把每個設(shè)計區(qū)域單元的材料密度定義為設(shè)計變量，在 0-1 之間連續(xù)變化。0和1分別代表空和實。密度法假象材料的剛度與密度成線性關(guān)系，既可用于各向同性的材料，也可用于各向異性的材料。密度法具有很好的有效性和普遍適用性，因此密度法是所有拓?fù)鋬?yōu)化默認(rèn)的方法。

均勻化法，結(jié)構(gòu)材料被表示為具有周期性的微觀結(jié)構(gòu)的多空連續(xù)體或不同密度的分層復(fù)合物。其基本思想是材料中引入單胞微結(jié)構(gòu)，優(yōu)化過程中以單胞尺寸為拓?fù)湓O(shè)計變量，建立材料密度與特性之間的關(guān)系。

三、結(jié)束語

對客車骨架進行靜力學(xué)分析，并且模擬了典型工況下客車骨架的應(yīng)力分布。通過這些研究，對客車骨架的局部結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化，使客車骨架的應(yīng)力分布更合理，提高了車身的剛度、強度，減少了車身所用的材料，到達輕量化的目的?？蛙嚨妮p量化提高了燃油的經(jīng)濟性，降低了客車的成本，在一定程度上提高了客車的整車性能與安全性能。

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