淺談客車車身結構輕量化設計

梁深

摘 要：客車車身既具有覆蓋、防護的作用，也能承載一部分客車載荷，在對其進行結構設計時，必須要進行拓撲優化，以指導客車車身的設計，確保車身材料利用和各項性能實現最優化，從而達到車身結構的輕量化。

關鍵詞：客車車身；車身結構；輕量化設計

1 建立拓撲模型

簡單來說，作為一種概念型的數學方法，拓撲優化主要指的是通過對某一設計空間當中的連續體進行離散，使之形成有限單元網格，然后再在此基礎上，來給每一個離散單元附上相對應的材料屬性與約束條件，然后再使用OptiStruct的近似優化算法，參考結構的傳力路徑，來進行材料分布的重新布置，以此實現最初設定的設計目標。就針對于傳統的產品設計而言，其在實際設計過程中所依賴的主要還是設計人員所掌握的設計經驗，而以拓撲優化的方法來進行產品設計，能夠通過運用HyperWorks與OptiStruct，來進行更加直觀的客車側圍與頂蓋的拓撲優化分析。然后再依據最終的分析結果，由相關的設計人員，來進行車身結構的二次優化設計，之后再對其進行有限元分析計算，最終實現車身結構的輕量化與性能優化目標。

一般情況下，工程領域的優化主要包含了以下3個方面的：第一，是設計變量；第二，是目標函數與約束條件；第三，是建立拓撲優化數學模型。這3個方面的數學模型為：

上式，所代表的是不等式約束函數；所代表的是等式約束函數；m代表的是不等式約束的數量；代表的是約束的數量。

通過把拓撲優化的設計理論當做設計基礎，并在此基礎上，根據工程的實際標準與規范需求，建立起一個科學合理的拓撲優化設計空間。當相關人員進行空間內的材料布置時，不僅僅要對客車的性能與功能進行充分的考慮，同時也要對車窗與車門的位置和一些比較關鍵的部位進行著重考慮。就針對于本次拓撲優化的設計空間而言，通過研究分析所建立起來的局部模型如圖1所示。

2 拓撲優化計算和結果分析

2.1 拓撲優化計算

在進行拓撲優化計算時，要求我們將構建起來的結構模型當做基礎，并以此充分結合客車所具有的性能需要，來為之施加適當的載荷。在這個過程中，所涉及的分別有兩個剛度和兩個強度工況。通過把客車的側圍與頂蓋當做基礎的設計變量，來根據實際情況，確定出設計空間的質量比，然后再對其進行對稱約束的合理施加，將加權應變能最小當做是最后的目標，來對其進行前期的計算處理風作。此外，再對模型進行科學的測試，并確保其不存在任何問題之后，來通過OptiStruct提交計算。與此同時，為了能夠有效確保拓撲結果的準確性與完整性，需要我們合理地增加迭代次數，這樣一來，就能夠獲得上述4種工況下的優化結果，具體情況如圖2和圖3所示。

2.2 優化結果分析

從本質上來說，拓撲優化是一種概念性的方法，通過運用該方法，可以幫助我們從設計空間當中進行材料的最優布置。但是，就針對于輕量化而言，其并不是說質量越小就越好，要想實現輕量化，還必須要保證其他性能能夠得到充分的展現。并且，就針對于車身的整體結構設計而言，還要求其不僅要充分考慮生產成本的可控性，同時也要確保生產制造的可行性。通過可行性分析之后的客車車身結構如圖 4 所示。

3 有限元仿真分析結果驗證

通過依照目前市面上的鋼材性能與規格，對模型中的屬性與材料進行更新之后，計算出全新的車身剛度與強度指標，然后再對其進行更進一步的優化對比。

從上表我們可以得出，優化之后的客車車身質量減少了 348kg，占原有車身結構質量的8.98%。并且，在優化之后，合理地降低了客車剛度的富余度，并且確保其處于標準要求之內。此外，0.85G前制動工況其最大應力值出現了上升，而0.5G左轉向工況其最大應力值則出現了明顯的下降，但是兩者都能夠滿足其對于強度所作出的標準要求。

參考文獻

[1]王思祖，黃鼎友，曹佳，等.全承載式客車車身結構輕量化設計[J].機械設計與制造，2014，（10）：73-75.

[2]李奇，張勇，張成，等.靈敏度分析的客車車身模塊重構與結構輕量化優化設計[J].華僑大學學報（自然科學版），2015，（4）：377-382.

（作者單位：河南鄭州宇通客車股份有限公司）