某無(wú)人配送車(chē)鋁制結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)及優(yōu)化

李 妨

（阿爾特汽車(chē)技術(shù)股份有限公司，北京 100176）

0 前言

隨著電商產(chǎn)業(yè)的迅速崛起，人們對(duì)智能物流的需求越來(lái)越高，為解決快遞到家最后一公里及減少人力資源需求，無(wú)人配送車(chē)應(yīng)運(yùn)而生[1]。節(jié)能減排的目標(biāo)不僅適用于傳統(tǒng)汽車(chē)行業(yè)，物流車(chē)領(lǐng)域同樣適用。因輕質(zhì)車(chē)身結(jié)構(gòu)可降低能耗，提高配送效率，所以對(duì)車(chē)架的要求也越來(lái)越高[2]。要達(dá)到輕量化的要求，一般有兩種途徑：選材盡可能選用輕質(zhì)材料；在達(dá)到同等性能的前提下，通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)使材料利用率最大化[3]。在車(chē)身結(jié)構(gòu)中車(chē)架是其最主要的部分，必須保證有足夠的剛度才能承受載荷和外部的沖擊。在車(chē)身骨架的選材上，鋁合金因其獨(dú)特的性能優(yōu)勢(shì)被眾多制造商青睞。其密度僅為鋼材的三分之一，且表面有一層致密的氧化膜不易在空氣中銹蝕，服役壽命比較長(zhǎng)[4]。更為重要的是其成型性能比較好，可以加工成各種復(fù)雜的截面結(jié)構(gòu)。

本文將現(xiàn)有的鋼結(jié)構(gòu)骨架轉(zhuǎn)換為鋁結(jié)構(gòu)之后進(jìn)行剛度和模態(tài)分析，在滿足性能目標(biāo)值的前提下對(duì)鋁結(jié)構(gòu)車(chē)身進(jìn)行尺寸靈敏度分析，最后對(duì)優(yōu)化后的車(chē)身進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)證。結(jié)合輕量化材料的選取開(kāi)展結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，為后續(xù)鋁結(jié)構(gòu)車(chē)身的正向設(shè)計(jì)提供參考。

1 模型的建立

1.1 有限元模型

根據(jù)前期確定的電器安裝、底盤(pán)的運(yùn)動(dòng)形式及布置，確定該車(chē)的整體結(jié)構(gòu)和車(chē)架，如圖1 所示。車(chē)身滿載質(zhì)量500 kg，其中貨物質(zhì)量為150 kg，車(chē)架外廓尺寸為2 000 mm×1 200 mm×1 500 mm。其中車(chē)身為邊梁式車(chē)架結(jié)構(gòu)，車(chē)架由兩根貫穿的縱梁和若干橫梁焊接而成。以SHELL 單元來(lái)模擬，車(chē)身的連接形式主要有焊接和螺栓連接，主要由2D單元共節(jié)點(diǎn)和RBE2單元來(lái)模擬，鋼車(chē)架選用的材料為Q235，具體的材料參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 鋼車(chē)架材料參數(shù)

圖1 整車(chē)模型

1.2 剛度和模態(tài)分析方法

車(chē)架的剛性參數(shù)主要包括車(chē)架的剛度及車(chē)架的動(dòng)態(tài)特性[5]。剛度包括車(chē)架的彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度。車(chē)身彎曲剛度表征的是在正常行駛條件下車(chē)身抵抗變形的能力；扭轉(zhuǎn)剛度模擬的是在車(chē)輪懸空條件下車(chē)身抵抗變形的能力；模態(tài)分析是車(chē)身在動(dòng)載荷作用下的性能表征。為了與激勵(lì)頻率避頻，同時(shí)檢查模型的連接是否完整，須進(jìn)行自由模態(tài)分析。

考慮到車(chē)身框架的整體形式及車(chē)身布置等，初步確定車(chē)架的彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度的目標(biāo)值分別為6 000 N/mm和2 500 N·m（/°），其中剛度計(jì)算的邊界條件和計(jì)算公式如表2所示。無(wú)人配送車(chē)的服役工況主要是城市路面，避開(kāi)各系統(tǒng)部件的激勵(lì)頻率及路面激勵(lì)頻率，將扭轉(zhuǎn)模態(tài)和彎曲模態(tài)的目標(biāo)值分別定為45 Hz和50 Hz。

表2 剛度計(jì)算載荷約束條件

式中，Z1、Z2 分別為縱梁底面測(cè)點(diǎn)的Z向位移。

式中，Z3、Z4 分別為前減震器安裝點(diǎn)的Z向位移，L為兩測(cè)點(diǎn)之間的Y向距離。

2 結(jié)果分析

2.1 鋼車(chē)身結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)模態(tài)計(jì)算結(jié)果提取的關(guān)鍵振型如圖2 所示。一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)49.97 Hz，車(chē)身骨架后端發(fā)生了一定的扭轉(zhuǎn)變形；一階彎曲模態(tài)56.26 Hz，車(chē)架中部向上凸起。結(jié)合車(chē)身骨架設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[6]，該車(chē)架的一階全局模態(tài)頻率均滿足目標(biāo)值要求。

圖2 一階扭轉(zhuǎn)和一階彎曲振型圖

車(chē)身骨架的扭轉(zhuǎn)剛度應(yīng)力分布如圖3所示。從圖中可看出車(chē)身骨架在力偶的作用下發(fā)生了較為明顯的扭轉(zhuǎn)變形，其中前部車(chē)身變形較為顯著。從應(yīng)力云圖中可以看出除了約束點(diǎn)和加載點(diǎn)附近外，縱梁和前橫梁搭接位置應(yīng)力集中也比較嚴(yán)重。根據(jù)公式（2）可算出車(chē)身的扭轉(zhuǎn)剛度為2 624 N·m/（°）。

圖3 扭轉(zhuǎn)剛度應(yīng)力云圖

車(chē)身骨架的彎曲剛度應(yīng)力分布如圖4所示。從圖中可以看出車(chē)身中部有比較明顯的撓度變形，根據(jù)測(cè)點(diǎn)的Z 向位移可以得出車(chē)身的彎曲剛度為7 326 N/mm，滿足目標(biāo)值要求。與扭轉(zhuǎn)剛度相似，縱梁與前橫梁搭接位置應(yīng)力比較大，不同截面積支架的交匯導(dǎo)致縱梁前橫梁搭接位置局部剛度不足，該處的結(jié)構(gòu)有待進(jìn)一步優(yōu)化。

圖4 彎曲剛度應(yīng)力云圖

2.2 鋁車(chē)身結(jié)構(gòu)分析

在原來(lái)鋼車(chē)的基礎(chǔ)上，將車(chē)身結(jié)構(gòu)改為鋁車(chē)架。根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)骨架的分析結(jié)果對(duì)鋁結(jié)構(gòu)進(jìn)行如圖5~圖10 的改進(jìn)：縱梁鋪設(shè)形狀變更，以緩解該位置的應(yīng)力集中；部分承重的縱梁和橫梁截面形狀變更，采用形狀更為復(fù)雜的一體成型閉口截面；在立柱與縱梁連接位置增加斜支撐以增強(qiáng)局部剛度；立柱與橫梁連接區(qū)域增加三角板等。車(chē)架選用的材料為Al6061-T6，其力學(xué)性能參數(shù)如表3所示。

圖5 鋼結(jié)構(gòu)縱梁

圖6 鋁結(jié)構(gòu)縱梁

圖7 鋁結(jié)構(gòu)斜支撐

圖8 鋁結(jié)構(gòu)三角板

圖9 鋼結(jié)構(gòu)縱梁截面

圖10 鋁結(jié)構(gòu)縱梁截面

表3 鋁車(chē)架材料參數(shù)

計(jì)算得出的鋁結(jié)構(gòu)車(chē)身的剛度和模態(tài)結(jié)果如表4所示。從表中可以看出，與鋼結(jié)構(gòu)車(chē)身相比，在質(zhì)量減輕50%的前提下，鋁車(chē)身的固有頻率和剛度均有大幅度提升。從圖11 的扭轉(zhuǎn)剛度應(yīng)力云圖可以看出，替換后的縱梁與橫梁搭接位置附近的應(yīng)力集中得到緩解，證明了此縱梁結(jié)構(gòu)的有效性。

表4 鋼車(chē)身和鋁車(chē)身剛度、模態(tài)結(jié)果對(duì)比

圖11 鋁結(jié)構(gòu)車(chē)身扭轉(zhuǎn)剛度應(yīng)力云圖

2.3 尺寸靈敏度優(yōu)化

與目標(biāo)值相比，鋁車(chē)身的剛度和模態(tài)頻率存在較大的輕量化空間。由于扭轉(zhuǎn)剛度的工況更為苛刻，選擇車(chē)身的扭轉(zhuǎn)剛度模型做靈敏度和離散變量?jī)?yōu)化分析。以車(chē)身質(zhì)量最小為目標(biāo)函數(shù)，骨架各組分件的截面厚度為設(shè)計(jì)變量，扭轉(zhuǎn)剛度值和測(cè)點(diǎn)在Z向的位移作為響應(yīng)和約束。

結(jié)合車(chē)身總體布置及其他專(zhuān)業(yè)需求，選用以下幾組對(duì)扭轉(zhuǎn)剛度靈敏度較高的部件進(jìn)行離散變量?jī)?yōu)化分析。圖12 為選出的設(shè)計(jì)變量，將車(chē)身對(duì)稱(chēng)組件劃分為一組，所有變量都在給定的區(qū)間內(nèi)進(jìn)行計(jì)算和匹配[7]。表5 是經(jīng)過(guò)多次迭代并結(jié)合模具、制造工藝等因素得到的最優(yōu)尺寸設(shè)計(jì)方案，其中主要對(duì)縱梁及立柱進(jìn)行了加厚，其它件減薄處理。

圖12 離散變量?jī)?yōu)化分組

表5 扭轉(zhuǎn)剛度的尺寸優(yōu)化結(jié)果

更新目標(biāo)變量的厚度并驗(yàn)證車(chē)身骨架的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性，其中優(yōu)化后車(chē)架質(zhì)量減輕8 kg，降幅為13%。同時(shí)車(chē)身骨架的剛度和模態(tài)均有小幅下降，在目標(biāo)值以?xún)?nèi)，符合設(shè)計(jì)要求。分析表明，進(jìn)行合理的尺寸優(yōu)化可在保證整體性能的前提下進(jìn)一步提高輕量化水平。

表6 鋁車(chē)架原結(jié)構(gòu)與優(yōu)化后結(jié)構(gòu)分析結(jié)果對(duì)比

2.4 優(yōu)化后鋁制車(chē)身的強(qiáng)度驗(yàn)證

鋁車(chē)架優(yōu)化后質(zhì)量減重13%，但輕量化的前提不僅要?jiǎng)偠冗_(dá)標(biāo)，強(qiáng)度也要滿足使用要求。分別將電器、底盤(pán)件及內(nèi)外飾件、貨物的質(zhì)量通過(guò)集中質(zhì)量和均布載荷加在優(yōu)化后鋁車(chē)身骨架的相應(yīng)節(jié)點(diǎn)上，總載重500 kg，將載荷分解得到的力加在車(chē)身的對(duì)應(yīng)位置的硬點(diǎn)上，檢驗(yàn)車(chē)身的強(qiáng)度和塑性是否滿足要求。

車(chē)身的強(qiáng)度工況有許多種，這里采用服役條件下最?lèi)毫拥墓r[8]，即滿載時(shí)右前輪抬起150 mm時(shí)的工況。模擬的是無(wú)人配送車(chē)在行駛過(guò)程中單側(cè)輪受到較大沖擊時(shí)的應(yīng)力分布，如經(jīng)過(guò)減速帶、路基、井蓋等路況。對(duì)車(chē)身硬點(diǎn)施加MBD 分解的載荷，采用慣性釋放的方法計(jì)算該工況下的應(yīng)力分布。從圖13 的應(yīng)力云圖上看，最大應(yīng)力出現(xiàn)在車(chē)架前端的立柱與橫梁交界處，為60.7 MPa，小于鋁合金的許用應(yīng)力。其余位置應(yīng)力分布均勻，沒(méi)有明顯突變，滿足強(qiáng)度要求，證明了上述優(yōu)化方案的可行性。

圖13 右前輪抬起150 mm工況應(yīng)力分布圖

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)鋼制和鋁制車(chē)身的輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及尺寸靈敏度優(yōu)化可得出以下結(jié)論：

（1）由鋼結(jié)構(gòu)改進(jìn)為截面形狀更復(fù)雜的鋁結(jié)構(gòu)車(chē)身后，在車(chē)身剛度和模態(tài)滿足要求的條件下，重量降至原來(lái)的50%，實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)目標(biāo)。

（2）將鋁結(jié)構(gòu)車(chē)身進(jìn)行剛度靈敏度及離散變量?jī)?yōu)化分析，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后車(chē)身的剛度和模態(tài)滿足目標(biāo)要求，進(jìn)一步降低了車(chē)身重量。

（3）對(duì)新結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度校核，結(jié)果表明最大應(yīng)力低于鋁合金的許用應(yīng)力。優(yōu)化設(shè)計(jì)不僅滿足輕量化要求，還可使生產(chǎn)成本降低，能耗降低，增加該無(wú)人配送車(chē)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。