特殊工況下貨車駕駛室的結構優化

劉春蕾 石琴

摘要：以某輕型載貨汽車為例，建立駕駛室有限元模型，通過實驗模態與數值模態對比進行模型驗證。駕駛室與車架通過翻轉機構連接，決定了載荷工況的特殊性。分析駕駛室的受力情況。在外載不變的情況下，基于各部件板厚的靈敏度值，對駕駛室進行輕量化處理。輕量化結果用于外部載荷大小的更新，計算得到結構改進后的駕駛室強度。分析結果表明：通過對靈敏部件的板厚修改，在總車身質量減小的情況下，白車身的強度也有一定提高。

關鍵詞：駕駛室；靈敏度；特殊工況

中圖分類號：U469.2 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2550（2012）02-0027-04

Structural Optimization of Truck Cab Based on Special Load Case

LIU Chun-lei， SHI Qin

（School of Machinery and Automobile Engineering， Hefei University of Technology， Hefei 230009， China）

Abstract: A finite element model for a light-duty truck cab is established， which is proved to be accurate by of experimental modal and numerical modal.Because the cab and the frame connect by the flip institutions，the load case is special and analyse the force of the cab.Under the same load case，based on the thickness of the sensitivity values of the various components，the cab is handled for light weight design.The result is used for the optimization of thickness and the update of external load value. The analysis results show that： the light weight process increases the strength of the white body significantly.

Key words: cab；sensitivity；special load case

目前輕型載貨汽車駕駛室廣泛應用扭桿翻轉機構，使其可向前翻轉，便于整車的維修和保養。扭桿機構作用在駕駛室的扭轉力矩在其所承受的外部載荷中占有很大比例。理想狀態下，扭桿的最大扭矩由駕駛室的重力矩決定，即由重心位置與重量共同決定。車身結構各部件參數的改變不僅影響整體結構參數，還會引起扭桿扭矩的變化。傳統結構優化方法是建立在載荷工況不變的條件下的，難以解決這類外部載荷與設計變量同步變化的結構優化問題。本文以某輕貨駕駛室為研究對象，將結構靈敏度分析理論應用到車身結構的優化設計中。采用結構鈑金件厚度為設計變量，約束駕駛室結構應力最大值，優化駕駛室的總質量。輕量化使得重力矩值減小，降低了扭桿的扭矩值，進而達到改善駕駛室應力狀態的目的［1，2］。

1 靈敏度分析及優化分析理論

1.1 靈敏度分析理論

車身結構靈敏度是指設計變量對所關注的結構性能指標的影響程度。結構靈敏度分析就是研究車身結構性能參數的變化對車身結構參數或周圍條件變化的敏感性。靈敏度的計算常用泰勒級數推導，過程如下。

假定我們想知道U隨b的變化關系，則：

式中：U為結構性能參數，有限元計算中可以定義的參數有質量、體積、重心、應力、剛度及模態頻率等；b為結構設計參數向量，可以采用鈑金件厚度、薄壁梁截面尺寸等；bi為第i個鈑金件的結構設計參數；e為與b同維度的向量［3，4］。

1.2 駕駛室理想解除鎖止狀態的受力分析

本文分析的輕貨駕駛室采用的是單扭桿翻轉機構（見圖1）。扭桿一端插入駕駛室左支承軸管內花鍵中，另一端由扭桿臂固定在前右支架上，駕駛室前支承臂與駕駛室的左右地板骨架連接。駕駛室為鎖止狀態時，扭桿的扭轉角為最大，此時扭桿的扭力矩最大；當鎖止解除后，扭桿的扭力矩作用于駕駛室前支承，克服駕駛室重力矩，并施加較小的向上推力可使駕駛室實現翻轉。

翻轉機構的工作特性要求駕駛室解除鎖止機構后，保證駕駛室翻轉到0°~5°內處于懸浮狀態，即理想狀態下扭桿的扭力矩與駕駛室重力矩達到平衡，這樣駕駛室在解除鎖止時，不會突然彈起或用較大的推力將其翻轉。圖2中駕駛室在鎖止狀態時，駕駛室重心距扭桿的水平距離為L。則有：

M扭=M重力=9.8G·LFN=9.8G（4）

由公式（4）可知，理想狀態下，駕駛室在解除鎖止時，僅受扭桿施加的扭矩和支持力以及自身重力的作用。在質量基本不變的情況下，扭矩與重心距扭桿的水平位置呈正比關系。對于應用單扭桿翻轉機構的駕駛室來說，總質量和重心位置直接影響了車身結構強度與剛度［5］。

1.3 駕駛室優化分析模型

駕駛室靜態鎖止時，承受外部載荷（即扭桿的扭矩）隨重心位置與質量的變化而變化。在車身材料不變的情況下，本文選用總的車身質量為目標函數，設計變量為對結構應力最大值影響較為靈敏的零部件組的板厚，結構應力為狀態變量。保證應力不增加的前提下，通過靈敏度分析結果改變設計變量值，降低駕駛室白車身總質量，達到駕駛室結構改進的目的。

文中約束條件有兩類：一類是設計變量的約束；一類是狀態變量的約束。設計變量的約束常賦予設計變量h以上、下界，防止在優化過程中出現不切實際的量值，表示為：

hjmin≤hj≤hjmax， j=1，2，…，n （5）

式中： hjmin為變量的下限值；hjmax為變量上限值，n為設計變量總數。

狀態變量的約束應保證對駕駛室各零部件組板厚修改時，總質量不增加，表示為：

σ（b）-σ0≤0 （6）

式中：σ（b）為結構修改后的應力最大值：M0為原結構應力最大值。

駕駛室白車身的設計優化問題可表示為：

minf（b）g（hj）≤0，j=1，2，…，n（7）

式中：g（hj）是由設計變量和狀態變量的約束條件所構成的約束函數［3，4］。

2 有限元模型建立與靜強度分析

2.1 有限元模型的建立

在某輕貨駕駛室白車身幾何模型的基礎上，建立模態分析有限元模型（見圖3）。駕駛室白車身主要以鈑金件構成，鈑金件間連接方式有焊點連接和螺栓連接。在HYPERMESH中，以 20 mm的單位尺寸對幾何模型進行網格劃分，最后白車身共離散成 149 505個節點，77 419個單元，其中66 091個Shell63板單元，28個Cbeam梁單元，焊點用Weld單元模擬，螺栓連接用Rigids單元模擬。依實際結構確定各單元厚度。鋼材的彈性模量、泊松比及質密度為210 GPa、0.3及7 900 kg/m2。

為驗證有限元模型的正確性，做了模態試驗，識別前5階模態頻率。

對建立的模型進行低階模態分析，計算頻率從1~50 Hz，階數為5階。然后將計算結果和試驗結果的前5階振型與頻率作對比，如表1所示。

2.2 駕駛室白車身鎖止狀態靜強度分析

駕駛室前支承與駕駛室底部縱梁通過螺栓連接，前支承與翻轉機構軸管焊接為一體，扭桿左端通過花鍵與軸管連接，傳遞扭矩。前支承軸管兩端受左右支架的橡膠墊支承，可繞翻轉中心轉動，即前支承軸管兩端約束UX、UY、UZ、ROTX及ROTZ 5個自由度。駕駛室后懸置的全部自由度被約束。作用在前支承軸管左端的扭矩，通過重力矩的計算為109.9 N·m。駕駛室約束與加載具體情況見圖4。

對實際鎖止狀態下駕駛室車身進行靜強度計算，由結果知，白車身最大應力為174.8 MPa，出現在地板左前縱梁第一個螺栓孔附近；地板左前縱梁前連接板最大應力為148.7 MPa；地板左前縱梁內加強板最大應力為154 MPa。所使用材料SPCC的屈服極限一般為190~215 MPa，車身上最大應力小于屈服極限。

3 靈敏度計算及優化設計

3.1 靈敏度分析

由于該車車身部分強度指標未能滿足工程要求，通過改變組成駕駛室的鈑金件厚度進行結構優化設計。在靜強度分析基礎上對白車身板厚進行靈敏度的分析，可以確定結構修改的最佳優化參數。

由于車身構件數量較多，不同位置的構件對駕駛室強度的影響程度不同。因此，對各構件進行靈敏度分析，找出對最大應力值影響較為顯著的設計變量就很有必要。根據靈敏度分析結果確定合適的設計變量。通過計算得到的部分對應力最大值較靈敏的部件見表2。

注：靈敏度系數為正值表示厚度增大，最大應力值增大；負值表示變化方向相反

從表2中可以看出，地板左前縱梁的厚度（變量h17）變化對駕駛室強度影響最大，即靈敏度最大；同時地板左前縱梁前連接板（h18）、前地板（h2）及其地板左前縱梁內加強板（變量h19）、前橫梁（變量h39）等的厚度變化對最大應力值大小影響較為靈敏。所以要減小目標函數值，就要減小正靈敏度系數的部件厚度，增加負靈敏度系數的部件厚度。

3.2 結果分析

根據靈敏度系數大小以及避免前后支承處連接部件及應力最大部件厚度減小等原則，選取設計變量（見表2）。利用HYPERMESH軟件對車身有限元模型進行靈敏度分析，目標為駕駛室白車身總質量最小，各部件厚度約束在±20%的變化范圍內，原駕駛室白車身應力最大值為178.4 MPa，約束其迭代目標值不大于178.4 MPa。根據靈敏度計算和初步迭代優化的結果，得到各零件新的板件厚度。綜合考慮兩種工況下靈敏度以及初步優化的計算結果，重新確定車身各零件的板厚［6-9］。對駕駛室白車身應力最大值影響較大的部分部件板厚變化情況見表3。

對綜合板厚修改后的有限元模型重新計算質量和重心位置，確定施加扭矩大小為900.5 N·m。進行強度計算，具體結果及其同優化前后情況對比見表4。

由表4可以看出，載荷工況不變的情況下，約束應力最大值不增加，對駕駛室車身進行輕量化，可以減小白車身總質量，從而降低作用在駕駛室上扭矩的大小，提高駕駛室車身強度。

4 結論

（1）通過與模態試驗數據的對比驗證了有限元模型的合理性，為修正和優化分析提供了依據。

（2）靈敏度值的計算結果為確定設計變量提供了有效方法。

（3）特殊工況下駕駛室的結構優化是采用扭轉翻轉結構的輕貨駕駛室設計中一種可供參考的方法，車身的輕量化帶來外部載荷的減小，從而一定程度提高白車身強度。

（4）該方法從優化外部載荷環境角度出發，為解決類似結構參數與某些外部載荷密切相關的結構優化問題提供一種思路。

參考文獻：

［1］ 張猛，陳勇敢，陳劍.靈敏度分析在車身結構優化設計中的應用［J］.汽車科技，2011，（2）： 22-24.

［2］ 黃金陵.汽車車身設計［M］.北京：機械工業出版社， 2007. ［3］ 石琴.大客車車身骨架結構強度分析及其改進設計［J］.汽車工程， 2007， 29（1）： 87-92.

［4］ 石琴，汪成明，劉釗.基于靈敏度分析的車身結構優化設計［J］.合肥工業大學學報，2009，32（7）：955-958.

［5］ 周福庚，張林濤. 輕型載貨汽車駕駛室翻轉機構的結構特點及設計［J］.農業裝備與車輛工程，2008，198（1）：13-19.

［6］ 譚繼錦.某型大客車車身骨架輕量化設計［J］.汽車工程，2006，28（4）：82-85.

［7］ 榮見華，鄭健龍，徐飛鴻.結構動力修改及優化設計［M］.北京：人民交通出版社，2002：75-204.

［8］ 高云凱，張海華，余海燕.轎車車身結構修改靈敏度分析［J］.汽車工程， 2007， 29（6）： 511-536.

［9］ 崔岸，王登峰，陳海潮，等. 基于模態靈敏度分析的商用車駕駛室結構優化［J］.汽車工程， 2010， 32（6）： 535-539.