大客車車身骨架輕量化改進設計

金宏宇+邵海良

【摘 要】車身輕量化設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，降低汽車的整備質量將會顯著提高汽車的動力性、操控性、制動性以及經濟性。相關試驗研究表明，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。汽車設計的輕量化是我國節能減排戰略的需要，更是汽車制造企業提市場高競爭力的現實需求。

【關鍵詞】客車車身；輕量化；改進設計

前言

隨著現代交通的發展和汽車工業的進步，汽車已經完全融入到我們的生活中。我國人口眾多，公共交通是我國發展的主流。客車不僅具有及時迅速的特點，而且可以實現點對點的直線運輸，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，每年承擔著城鄉、城際等重要的載客任務。因此，客車的節能和環保直接影響著我國的能源和環境。據統計，客車質量每降低 10%，相應的耗油量減少 6%-8%，尾氣排放也會降低很多。客車車身質量占整個汽車整備質量的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，對我國生態文明建設意義重大

一、輕量化設計方法分析

客車車身輕量化主要有三個途徑：新材料技術、先進的加工制造技術和結構優化方法。結構優化方法可以利用最少的資源（材料、造價、工藝等），實現結構強度、剛度、穩定性等各種最優性能。國內外大型設計案例表明，將優化方法運用到設計中，不僅可以大大縮短設計周期，而且可以顯著提高設計質量，解決一些傳統設計方法無法解決的問題。

結構優化設計是以數學理論為基礎，將實際的物理模型轉變為計算機可以識別的數學模型，運用最優化的數學設計理論，結合相應的計算機軟件，在滿足各種約束的前提條件下尋求滿足要求的最佳設計。有限元方法和最優化技術結合產生的結構優化設計技術已發展成熟，廣泛應用到產品設計的各個階段，并取得了很好的效果。優化設計包括三個主要內容：目標函數、約束條件和設計變量。目標函數是指在設計過程中所追求的最優解，比如質量最輕、體積最小等。約束條件是指，要達到所設定的優化目標所必需滿足的性能條件，比如：應力小于材料的許用應力、位移小于設定值等。設計變量是指在優化過程中要改變的參數，如：桿件截面參數、單元厚度等。

二、典型結構優化方法

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件提取中面后，還需耍對構件的一些微小細節，如倒角、微型孔等進行清理。這些在有限元網格劃分時會產生許多小單元，從而導致計算時問的增加。因此，在保證構件完整形貌的前提下，對巧細微的倒巧和一些直徑小于20mm化非螺栓孔的結構進行幾何處理。同時，對于而與面之間的問隙和一些自由邊等次耍細節也進行了幾何清理，保證網格劃分的質量。在客車車身骨架結構有限元模型建立的過程中，尤其是在網格劃分的過程中，一定要經常、及時的進行網格質量的檢査，W便使得所劃分的網格達到耍求。檢查網格的各項參數，找出不符合耍求的網格，并對其經行修改。具體的檢查內容：

1.連續性檢査：為保證網格連續W實現各節點問力的傳遞，對于重復的節點進行合井或刪除。

2.單元法向的檢查和調整：調整單元的法向量，使所有單元的法向量一致。

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

4.H巧形網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生應力、應變突變，所W在模型中盡量不耍出現過多的H巧形單元，一般耍求H巧形網格單元有網格單元數量的比例在3%W下。

5.交叉穿透檢査：整車模型中和鄰部件可能出現相互穿透，需進行檢查和調整，消除穿透現象。

以有限元為基礎的結構優化中，拓撲優化、形貌優化和尺寸優化是最為常見的優化方法，被廣泛應用于產品開發的各個階段。在產品的初始概念設計階段，可以采用拓撲（Topology ）優化、形貌（ Topography）優化和自由尺寸（ Free Sizing）優化技術得到初始結構的基本形狀。本文主要采用拓撲優化和尺寸優化相結合的方法對客車車身桁架的位置和厚度進行優化。拓撲（Topology）優化是一種數學方法，能在給定的空間結構中生成優化的形狀及材料的分布。通過將區域離散成有限元網格，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，優化用戶給定的設計目標。拓撲優化基本思想是將尋求結構最優拓撲問題轉化為求解設計區域內最佳材料分布的問題。其最大優點是能在不知道結構拓撲形狀的基礎上，根據已知載荷條件和邊界條件確定較合理的結構形式。拓撲優化不涉及具體結構的尺寸設計，但可以提供滿足條件的最優材料分布方案。

密度法把每個設計區域單元的材料密度定義為設計變量，在 0-1 之間連續變化。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撲優化默認的方法。

均勻化法，結構材料被表示為具有周期性的微觀結構的多空連續體或不同密度的分層復合物。其基本思想是材料中引入單胞微結構，優化過程中以單胞尺寸為拓撲設計變量，建立材料密度與特性之間的關系。

三、結束語

對客車骨架進行靜力學分析，并且模擬了典型工況下客車骨架的應力分布。通過這些研究，對客車骨架的局部結構進行了優化，使客車骨架的應力分布更合理，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。客車的輕量化提高了燃油的經濟性，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。

參考文獻：

[1]王登峰， 毛愛華， 牛妍妍， 等. 基于拓撲優化的純電動大客車車身骨架輕量化多目標優化設計[J].中國公路學報 ，2017（2）：136-143.

[2]龔玉婷， 李楚琳. 純電動客車車身骨架的拓撲優化設計[J].湖北汽車工業學院學報，2016（4）：14-17+23.

[3]毛愛華.純電動大客車骨架結構輕量化多目標優化設計[D].吉林大學，2015.

[4] 蘇瑞意，桂良進， 吳章斌， 田程， 馬林， 范子杰. 大客車車身骨架多學科協同優化設計[J]. 機械工程學報 ，2010（18）：128-133.

[5] 趙永輝.大客車車身骨架結構拓撲優化設計[D]. 武漢理工大學， 2008endprint