基于以界面力度量的車身承載度的客車結構優化研究

張苗莉，任金東，周姍姍

(1.吉林大學汽車工程學院，長春 130022； 2.一汽轎車股份有限公司，長春 130011)

2016146

基于以界面力度量的車身承載度的客車結構優化研究

張苗莉1，任金東1，周姍姍2

(1.吉林大學汽車工程學院，長春 130022； 2.一汽轎車股份有限公司，長春 130011)

在傳統的評價方法基礎上，采用車身結構承載度的另一種度量方法——界面力法，對某半承載式客車的車身承載度進行了分析，并以提高車身承載度為目標，對該客車的結構進行了改進。首先，通過計算結構應變能密度發現車身結構承擔載荷較少，沒有充分發揮車身材料的性能，且不同環結構承擔的載荷不同，整車后部環的承載度大于前部的環。其次，根據應變能分析結果選定底架部分零件(前后縱梁和行李倉構件)作為優化對象，并以它們的截面尺寸和厚度作為優化變量，制定實驗方案并進行了優化。對改進后的結構與原結構的性能(強度、彎曲剛度、扭轉剛度和低階模態)進行了對比分析。結果表明，優化的結果比較理想，說明界面力法能準確地計算出車身各個環結構的承擔載荷和載荷在車身上的分布情況，為有針對性地進行結構改進提供了優化方向。文中采用的車身承載度指標能有效權衡車身和底架的材料分配，可作為衡量客車結構合理性的一個指標和結構優化目標。

客車；車身承載度；界面力；結構優化

前言

長途營運客車載客量大、運行頻繁、線路長，其安全性和能耗不容忽視，需要采用各種仿真方法對其結構進行優化[1-2]，尤其是在滿足功能的基礎上更加注重性能的優化。為此，子結構法[3]、多目標遺傳算法、移動最小二乘響應面法、序列響應面法等相繼出現和應用[4-12]；梁體混合建模[13]、靈敏度分析、應變能分析等技術層出不窮，用以鑒別優化方向，提高計算效率[14-16]。

客車結構按照車身參與承載的程度不同分為半承載式和全承載式。半承載式結構是在底盤基礎上焊裝車身，便于制造，但其前后縱梁較笨重，車身參與承載較少；且企業通過組裝方式制造整車，不利于整車的結構優化。全承載式結構由空間桁架式結構組成，材料利用率高[17-20]。目前，無論是半承載還是全承載結構，車身承擔的載荷所占比重仍不高，需要通過優化來充分發揮車身材料性能[17]。對于半承載式客車生產企業，如何在保持原有生產模式基本不變，改進現有的半承載式結構，提高車身的承載作用，非常值得研究。

車身結構承載度[21]用于描述整車結構中車身承載的比重。科學合理地度量車身承載度是明確車身材料利用狀況和有針對性地進行結構優化的前提。以往車身承載度的評價方法有以下幾種。

(1) 基于強度的評價[21]以某一應力水平為基準，分別計算出底架和整車的承載能力并進行對比。

(2) 基于剛度的評價[21]以整車剛度與底架剛度的比值來計算車身承載度。

(3) 基于變形比的評價[22-23]已知車身與底架的變形時，可用二者的變形比來評價車身承載度。

(4) 基于變形能的評價[22-23]用車身結構的變形能與整車結構總變形能之比來評價車身承載度。

車身承載度，顧名思義就是反映車身承擔載荷比重的指標。對于基于強度的評價方法，由于車身結構設計因素可能導致局部高應力區，因此該方法不能綜合反映車身的承載情況。基于剛度和變形比的評價方法與車身承載度有關系，但又不等同。基于變形能的方法能從宏觀上反映車身承擔的載荷比重，但不能反映具體細節。本文中采用界面力法[22]來評價車身承載度，對某半承載式客車的車身承載度進行分析，并以提高車身承載度為目標，對該客車的結構優化進行研究。

1 車身承載度評價的界面力法

界面力是車身與底架、底架與懸架連接部位所傳遞的力，這里主要指所傳遞的z向力，因為它占實際界面力的絕大部分。用這兩個力之比來評價車身承載度。客車車身結構的側圍立柱與上圍橫梁連接，構成環形結構。其中有些環結構可能斷開而并非貫通的。本文中只是借助于“環”結構特征來表達力的傳遞。底架通常通過外伸橫梁向車身傳遞力，且車身最大變形通常位于兩側圍上，因此選取側圍與底架連接的部分作為界面計算各個環的承載度。底架傳給車身的力主要是附近的懸架經由底架傳遞而來，因而評價車身承載度時應采用相臨的界面點(底架與車身和與之相鄰的懸架與底架界面點)進行計算。設Fmi為車身環i處受到的來自底架的界面力，Fnj為鄰近環處的懸架傳遞給底架的界面力，如圖1所示，則環i處的承載度為

pi=Fmi/Fnj

(1)

整個車身的承載度定義為各環承載度的加權平均，即

(2)

式中：wi為車身各環承載度的權系數；pi為車身環i的承載度；n為環數。

半承載式客車結構主要由底架承擔載荷，車身參與承載較少，因此應著重對底架結構進行改進。界面力法尤其適合對半承載式客車結構進行優化。

2 某客車車身承載度分析

以某大型高二級長途客車為研究對象。該車總長12m，寬2.55m，高3.7m，軸距6.3m，空載總質量12t，最高車速120km/h，座位數49個。車身骨架采用冷彎型鋼組焊，構成半承載式車身，底架為三段式大梁結構。行李倉位于下部。車身左右側圍與上圍共形成9個環狀結構，每個環在側圍有左右2處與底架橫梁焊接，即圖2中的miL或miR點(i=1，2，…，9)，下標L或R表示左或右側(下同)；相應的界面力為FmiL或FmiR。懸架與底架的連接點為njL或njR點(j=1，2，…，4)，相應的界面力為FnjL或FnjR。底架受到懸架支撐點傳來的力，然后將這些力通過9個環傳遞至車身，于是，這9個環的承載度綜合反映了車身的承載程度。

依次計算單個環的承載度，將它們加權平均后得到車身承載度。各環承載度的權系數根據該環界面力占所有環界面力之和的百分比計算。利用MSC.Nastran計算得出各工況下各界面力和環的承載度。表1示出彎曲工況下各界面力的分布和各環承載度，最終車身承載度為12.2%。表2給出了其它工況的計算結果。由表1和表2可知：

表1 彎曲工況界面力計算結果

(1) 在不同工況下車身承載度不同，彎曲工況和扭轉工況的承載度小于制動和急轉彎工況。

(2) 車身承載度的整體水平偏低。每個連接點上底架向車身傳遞的力較小，使每個環的承載度偏小，導致車身承載度偏小。

(3) 不同環界面點所傳遞的力不同，主要原因是底架和車身結構材料分配不夠合理。圖3示出各工況下各環承載度，可見有的環傳遞的力大(如環7、5)，有的環傳遞的力小(如環8)，原因與其相對應的底架結構有關。

(4) 前五環分布于整車的前半部分，后四環分布于后半部分。后半部分環的承載比前半部分大，主要是由于后縱梁上安裝了動力總成等裝置，使受力偏大，向車身傳遞的力也較大。

(5) 同一工況下，同一個環左右兩邊傳遞的力不同，有的相差較大，與載荷邊界條件和結構不對稱有關。

3 面向車身承載度的結構優化

3.1 結構改進研究

3.1.1 確定優化方向

結構優化之前先要確定要優化的構件。靈敏度分析是常用的方法，以找出對結構性能影響較大的零件，作為優化對象[24-25]。但靈敏度分析要對大量的結構參數進行仿真實驗，才能找出對結構性能影響大的零件。事實上，靈敏度分析更適用于明確了要優化的結構之后，進一步找出要優化的參數。本文中采用應變能密度法，通過統計分析找出結構各零件在典型工況下的應變能密度分布情況，將應變能密度小的零件作為優化對象。

表2 其它工況的車身承載度計算結果

通過應變能分析發現，底架大部分構件應變能密度普遍很小，說明底架結構過于笨重，材料遠沒有充分利用。圖4示出整車彎曲和扭轉工況下底架零件的應變能密度分布，對應的零件位置見圖5。可見，很多底架構件應變能密度很小，結構比較笨重，使車身承擔載荷較小。因此，底架每一根桿件都可作為優化的對象。本文從中選擇應變能密度很小的前后縱梁和行李倉部分構件進行優化。

3.1.2 結構優化

縱梁常采用槽型截面或H形截面，其彎曲剛度較好[25]。考慮到底架縱梁主要承擔彎曲載荷，上面還要安裝其它總成，因此仍采用槽型截面，優化的目標是其截面尺寸。為簡化計算，用梁單元劃分網格，賦予相應的截面屬性，計算截面屬性與承載度的關系，選擇最優值作為縱梁截面尺寸。

槽形截面屬性簡化為厚度(T)、寬度(W)和高度(H)。計算出各自情況下的車身承載度，觀察其隨截面屬性的變化趨勢。限于篇幅，這里只給出前縱梁的結果。圖6為彎曲和扭轉工況下各環承載度隨截面尺寸的變化情況。縱梁截面厚度對車身承載度有一定的影響，對彎曲工況的影響大一些。隨著厚度的減小，車身承載度逐漸增大，所以，滿足強度、剛度要求前提下厚度小些為好。彎曲工況下的車身承載度受高度變化的影響較大。單獨改變前縱梁的寬度對車身承載度的影響不大；對扭轉工況而言，隨著寬度的減小，車身承載度甚至有減小的趨勢，但變化較小。考慮上述趨勢和工程實際即可確定縱梁截面尺寸。

在前后縱梁結構改進基礎上，對行李倉結構件進行優化。原始方案和改進方案的各零件截面規格列于表3。采用正交實驗設計確定仿真實驗方案，進行計算，選出一組最優的截面尺寸，結果如表4所示。可見，優化后扭轉和彎曲工況下車身承載度分別提高4.2%和3.9%，且大部分環的承載度都有所提高(環3、9承載度略有下降，但幅度不大)，說明結構的改進使底架向車身的傳力有了一定調整。

表4 改進前后承載度對比 %

3.2 優化前后結構性能對比

對修改后的模型進行基本性能分析，與原模型進行對比，計算結果如表5所示。結果表明，修改后結構1階彎曲和扭轉頻率都有所提高，整車剛度略有下降，質量約減輕了263kg，而車身承載度有一定提升，提高了材料利用率。

表5 結構改進前后基本性能對比

4 結論

(1) 提出了一種新型車身承載度指標，利用它對某半承載式客車的車身承載度進行計算分析，發現該客車的車身結構承擔載荷很少，沒有充分發揮車身部分的材料性能；同時，不同環承擔的載荷不同，整車后部分環的承載度大于前部的環，說明車身后部承擔的載荷較大，而前后部分骨架結構的截面尺寸一樣，表明底架和骨架的結構設計不完善，需要進行改進。

(2) 對結構進行了能量密度和靈敏度分析，選定前后縱梁和行李倉零件進行結構優化。改進后的結構顯著地提高了車身各環結構的承載度，從而提高了整個車身承擔載荷的比重，且在基本未降低原有性能的基礎上，將結構質量減輕很多，得到了良好的輕量化效果。

(3) 界面力法不僅能客觀地計算出車身結構承擔載荷的比重，而且能清楚地將車身各個環結構的承載情況計算出來，從而得知載荷在車身上的分布情況，為有針對性地進行結構改進提供了優化方向。同時，還能觀察各個車身與底架連接點處傳遞力的大小，從而可從力的傳遞路徑上判斷相關結構合理性，為結構優化提供依據。

(4) 該車身結構承載度計算的界面力法，以及在此基礎上的結構優化方法還處于探索階段，沒有考慮力矩的作用和側翻安全性的要求。今后擬進行有關的仿真與實驗研究來獲取理想情況下車身各環和車身整體承載度的經驗值，作為結構設計和優化依據。

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A Study on Coach Structure Optimization Based on Load Ratioof Vehicle Body Measured by Interface Force

Zhang Miaoli1, Ren Jindong1& Zhou Shanshan2

1.CollegeofAutomotiveEngineering,JilinUniversity,Chuangchun130022； 2.FAWCarCo.Ltd.,Changchun130011

On the basis of traditional methods, another measuring method for load ratio of vehicle body, i.e. interface force method is adopted to analyze the load ratio of a semi-monocoque body of a coach and modify its structure with increasing its load ratio as objective. Firstly it is found by the calculation of the strain energy density of structure that the body structure bears lesser load, its material insufficiently fulfills its function, and different rings bear different loads with the load ratio of rings in rear position higher than those in front position. Then based on the results of strain energy density analysis, some parts in under-frame, such as front and rear longitudinal rails and luggage compartment are selected to be optimized, with their section size and thickness taken as optimization variables, and the performances of structure modified (strength, bending stiffness, torsional stiffness and low-order modal frequencies) are analyzed and compared with those of original one. The results show that the outcome of optimization is satisfactory, demonstrating that interface force method can accurately calculate the loads borne by each ring structure of body and their distribution, guiding the direction of targeted structure modification and optimization. The load ratio indicator adopted can effectively judge the material distribution between the body and under-frame of vehicle and can be an indicator of measuring the rationality of coach structure and an objective of optimization.

coach; load ratio of vehicle body; interface force; structural optimization

原稿收到日期為2015年10月9日，修改稿收到日期為2015年12月29日。