崔 玲，高云凱

CUI Ling1 , GAO Yun-kai2

（1.山東交通職業(yè)學(xué)院，濰坊 261206；2.同濟(jì)大學(xué)，上海 201804）

0 引言

汽車車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化是汽車車身輕量化工程的主要方面之一。車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，不僅可以節(jié)省材料、減輕自重，而且能提高整車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性并減少排放。但是，要同時(shí)保證車身結(jié)構(gòu)在多種工況下的強(qiáng)度、剛度、NVH、疲勞等性能指標(biāo)，進(jìn)行車身結(jié)構(gòu)綜合優(yōu)化分析是比較復(fù)雜的。目前，對(duì)多工況優(yōu)化結(jié)果綜合的方法有：將各工況優(yōu)化結(jié)果取均等的權(quán)重進(jìn)行綜合，確定優(yōu)化后結(jié)構(gòu)參數(shù)值[1]；或取同一設(shè)計(jì)變量在幾種工況優(yōu)化結(jié)果中最大者作為最終的綜合結(jié)果[2]。前者平衡考慮了各工況優(yōu)化結(jié)果，但沒有區(qū)別出各種工況優(yōu)化結(jié)果對(duì)綜合優(yōu)化結(jié)果影響的差異性；后者最大程度上保證了綜合后車身結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度，但沒有達(dá)到輕量化的最優(yōu)目的?？傊?，都不能最佳地實(shí)現(xiàn)車身輕量化。

本文首先應(yīng)用MSC Nastran軟件，分析了某客車車身骨架梁結(jié)構(gòu)在四種不同工況下的優(yōu)化截面尺寸[3-5]。然后采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法[6,7]，分析了四種優(yōu)化工況結(jié)果在綜合優(yōu)化分析中影響因素的大小及其在綜合中各應(yīng)占的最優(yōu)權(quán)重，確定了該客車車身最優(yōu)的綜合優(yōu)化方案。通過對(duì)綜合優(yōu)化后的車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度、剛度和模態(tài)的分析校核，可以確認(rèn)，在客車車身結(jié)構(gòu)綜合優(yōu)化中引入正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，能夠在確保大客車車身剛度、強(qiáng)度和模態(tài)等性能指標(biāo)的前提下，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)多工況優(yōu)化和車身結(jié)構(gòu)的輕量化。

1 截面尺寸優(yōu)化

考慮到客車實(shí)際運(yùn)行工況要求及車身骨架的近似對(duì)稱性，選取四種工況進(jìn)行優(yōu)化：彎曲工況、右前輪懸空工況、右后輪懸空工況、臺(tái)架試驗(yàn)扭轉(zhuǎn)工況。四種優(yōu)化工況使用同一個(gè)優(yōu)化有限元模型，約束和載荷處理根據(jù)各工況的要求及特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)置。

1.1 有限元模型

使用前處理軟件MSC.Patran建立有限元模型，骨架有限元?jiǎng)澐謺r(shí)采用基本單元尺寸為50mm的Bar單元，車身骨架底架焊接板的單元?jiǎng)澐植捎没境叽鐬?0mm的shell單元。模型共有25926個(gè)單元，其中Bar單元14021個(gè)，shell單元11905個(gè)。有限元模型如圖1所示。

圖1 優(yōu)化分析有限元模型

1.2 優(yōu)化參數(shù)的設(shè)置

四種工況的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)和設(shè)計(jì)變量的設(shè)置都是相同的。考慮車身輕量化目標(biāo)，目標(biāo)函數(shù)選為車身總質(zhì)量最小。設(shè)計(jì)變量為梁截面的高和寬。其中，支架梁等一些非承載零部件，由于沒有承載，在優(yōu)化中易導(dǎo)致錯(cuò)誤的截面尺寸減小，因此不作為設(shè)計(jì)變量；另外考慮到制造成本問題和優(yōu)化方案可行性，底架截面尺寸較大的熱沖壓縱梁與橫梁也不作為設(shè)計(jì)變量進(jìn)行優(yōu)化?？紤]以上因素，該優(yōu)化分析中共取了301組梁的截面寬和高為設(shè)計(jì)變量，共602個(gè)設(shè)計(jì)變量。

約束條件根據(jù)各工況特點(diǎn)及工程要求分別設(shè)置。在四種工況的優(yōu)化中，約束所有梁的最大應(yīng)力不超過215MPa。在臺(tái)架試驗(yàn)扭轉(zhuǎn)工況優(yōu)化中，按照同級(jí)別大客車車身骨架的扭轉(zhuǎn)剛度值77000Nm/deg約束前、后橋?qū)?yīng)的車架位置Z向的位移為9.331mm。

1.3 優(yōu)化結(jié)果分析

四種工況的優(yōu)化結(jié)果都不相同，但都不同程度的實(shí)現(xiàn)了車身骨架結(jié)構(gòu)質(zhì)量的明顯減小，同時(shí)也分別滿足應(yīng)力和撓度等約束條件。四種工況優(yōu)化結(jié)果如表1所示?？梢?，同一設(shè)計(jì)變量在四種工況優(yōu)化結(jié)果中的增減趨勢(shì)不完全相同，每一工況優(yōu)化結(jié)果只滿足該工況的優(yōu)化約束要求。為同時(shí)滿足該客車實(shí)際運(yùn)行多工況的要求，需要進(jìn)行多工況優(yōu)化的綜合分析，采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，確定各工況優(yōu)化結(jié)果在綜合優(yōu)化分析中的權(quán)重。

表1 四種工況優(yōu)化結(jié)果

2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

所謂正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)就是一種利用正交表來合理地安排試驗(yàn)，利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的原理科學(xué)地分析試驗(yàn)結(jié)果，處理多因素試驗(yàn)的科學(xué)方法。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是，能通過代表性很強(qiáng)的少數(shù)次試驗(yàn)，摸清各個(gè)因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響情況，確定因素的主次順序，找出較好的生產(chǎn)條件或最優(yōu)參數(shù)組合。經(jīng)驗(yàn)證明，正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是一種解決多因素優(yōu)化問題的卓有成效的方法。而正交表是運(yùn)用組合數(shù)學(xué)理論在拉丁方和正交拉丁方的基礎(chǔ)上構(gòu)造的一種表格，它是正交設(shè)計(jì)的基本工具，它具有均衡分散，整齊可比的特性。

2.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

試驗(yàn)指標(biāo)設(shè)為車身骨架質(zhì)量，因素設(shè)為彎曲、右前輪懸空、右后輪懸空、臺(tái)架試驗(yàn)扭轉(zhuǎn)四種工況的優(yōu)化結(jié)果，水平設(shè)置為每種工況在綜合分析中所占的權(quán)重。由于四個(gè)因素的權(quán)重之間存在線性關(guān)系，又根據(jù)L9(34)的特點(diǎn)，首先選取了三水平三因素，即選擇正交表L9(33)的前三列，三因素為彎曲、右后輪懸空、臺(tái)架試驗(yàn)扭轉(zhuǎn)工況的優(yōu)化結(jié)果，如表2所示；三因素的三水平設(shè)置如表3所示，通過彎曲、右后輪懸空、臺(tái)架試驗(yàn)扭轉(zhuǎn)權(quán)重系數(shù)的線性關(guān)系即得到每組試驗(yàn)中右前輪懸空工況優(yōu)化結(jié)果在綜合分析時(shí)的權(quán)重系數(shù)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案如表4所示 。

表2 選用的正交表L9(33)

表3 各因素水平

表4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

用各工況的優(yōu)化結(jié)果乘以權(quán)重得到每次試驗(yàn)的綜合值，在MSC.Patran軟件中將綜合后的截面尺寸附給相應(yīng)的梁桿件，得到每次試驗(yàn)的車身骨架質(zhì)量。試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。由表5可以看出，彎曲和右后輪懸空列的正交試驗(yàn)極差都較大，說明彎曲工況和右后輪懸空工況因素水平的變化對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響較大。試驗(yàn)指標(biāo)車身骨架質(zhì)量是越小越好，因此對(duì)于每種因素不同水平對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響程度分析如下：第1列即彎曲工況第3水平所對(duì)應(yīng)的數(shù)值3.035為最小，所以取它的第3水平最好；第2列即右后輪懸空工況第1水平所對(duì)應(yīng)的數(shù)值3.038為最小，所以取它的第1水平為最好；第3列即臺(tái)架試驗(yàn)扭轉(zhuǎn)工況第1水平所對(duì)應(yīng)數(shù)值3.061為最小，所以取它的第1水平為最好。最優(yōu)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果是彎曲、右后輪懸空、臺(tái)架試驗(yàn)扭轉(zhuǎn)工況權(quán)重分別為0.3、0.4、0.3，相應(yīng)的前扭工況權(quán)重為0。但這種組合不在所選擇的九個(gè)試驗(yàn)中，故對(duì)該組合進(jìn)行一次試驗(yàn)得到試驗(yàn)后的車身骨架質(zhì)量為2.959t，優(yōu)于正交表所列的9次試驗(yàn)結(jié)果，可認(rèn)為該組合為最優(yōu)方案。

由于上面的正交試驗(yàn)只研究了彎曲工況、右后輪懸空工況、臺(tái)架試驗(yàn)扭轉(zhuǎn)工況不同水平對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響，無法得到右前輪懸空工況的不同水平對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響趨勢(shì)，因此進(jìn)行了第二次正交試驗(yàn)，試驗(yàn)的過程同上面試驗(yàn)，只是正交表中的1、2、3 因素改為彎曲、右前輪懸空、右后輪懸空，其他設(shè)置如前，臺(tái)架試驗(yàn)扭轉(zhuǎn)工況的權(quán)重由其與彎曲、右前輪懸空、右后輪懸空工況的線性關(guān)系確定。試驗(yàn)結(jié)果表明右前輪懸空工況試驗(yàn)指標(biāo)的較優(yōu)水平為其最小水平。

表5 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果分析

由上面兩次正交試驗(yàn)分析可知，對(duì)四種工況下優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行綜合的最優(yōu)方案為：彎曲工況占30%、右前輪懸空工況占0%、右后輪懸空工況占40%、臺(tái)架試驗(yàn)扭轉(zhuǎn)工況占30%。

3 綜合優(yōu)化分析

取前面正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)得到的最優(yōu)綜合方案，將綜合后的截面尺寸附給相應(yīng)的梁桿件，得到最優(yōu)綜合方案下該車車身骨架質(zhì)量為2.959t。對(duì)車身骨架模態(tài)較靈敏部件的截面尺寸進(jìn)行加強(qiáng)，并根據(jù)工程要求對(duì)截面尺寸進(jìn)行規(guī)范化處理，對(duì)修改后模型的模態(tài)、剛度、強(qiáng)度進(jìn)行反復(fù)校核，直至滿足各項(xiàng)指標(biāo)。優(yōu)化前、后，模型模態(tài)、剛度、強(qiáng)度性能對(duì)比見表6。

由表6可以看出，采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法確定各工況優(yōu)化結(jié)果的權(quán)重，進(jìn)而進(jìn)行綜合優(yōu)化分析后，車身骨架的一階扭轉(zhuǎn)和一階彎曲模態(tài)都有所提高，優(yōu)化前車身骨架應(yīng)力較大的部件也得到了加強(qiáng)，最大應(yīng)力值得到有效降低，扭轉(zhuǎn)剛度值較優(yōu)化前低但仍處于客車扭轉(zhuǎn)剛度合理范圍之中。

表6 優(yōu)化前、后模型模態(tài)、剛度、強(qiáng)度性能對(duì)比

4 結(jié)論

1）使用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法可以合理確定大客車車身多工況優(yōu)化結(jié)果在綜合分析中所占的最優(yōu)權(quán)重，為多工況車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果的綜合分析提供了一種方法。將正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法用于結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析中有利于實(shí)現(xiàn)車身結(jié)構(gòu)的輕量化。

2）在進(jìn)行客車車身骨架結(jié)構(gòu)的綜合優(yōu)化時(shí)，分別按40%、30%、30%的權(quán)重考慮右后輪懸空、彎曲及臺(tái)架試驗(yàn)扭轉(zhuǎn)工況，即可在滿足剛度、強(qiáng)度要求的條件下實(shí)現(xiàn)車身骨架質(zhì)量明顯下降。

[1] 江峰.城市公交大客車車身結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化研究[D].上海：同濟(jì)大學(xué),2007.3.

[2] 高云凱,姜欣,張榮榮.電動(dòng)改裝轎車車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)分析[J].汽車工程,2005,27(1)：115-117.

[3] T.Kim.Study on the optimization of bus body structure.SAE 923953.

[4] 隋允康,等.MSC.Nastran有限元?jiǎng)恿Ψ治雠c優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)用教程[M].北京：科學(xué)出版社,2004：166-168.

[5] 徐宏兵,葛如海,王懷.大客車車身骨架輕量化改進(jìn)設(shè)計(jì)[J].江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2003,24(6)：25-28.

[6] 曾小華,王慶安,等.正交優(yōu)化設(shè)計(jì)理論在混合動(dòng)力汽車設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2006,37(5)：26-28.

[7] 陳魁.試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析[M].北京：清華大學(xué)出版社,2005.