龔玉婷，李楚琳

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院 汽車工程學(xué)院，湖北 十堰 442002）

純電動客車車身骨架的拓撲優(yōu)化設(shè)計

龔玉婷，李楚琳

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院 汽車工程學(xué)院，湖北 十堰 442002）

基于Hyperworks軟件對某純電動客車車身結(jié)構(gòu)進行有限元分析并采用拓撲優(yōu)化方法對車身結(jié)構(gòu)進行了輕量化研究。建立了大客車骨架結(jié)構(gòu)的有限元模型并對其進行靜力分析與模態(tài)分析。對大客車骨架結(jié)構(gòu)進行拓撲優(yōu)化設(shè)計并根據(jù)拓撲優(yōu)化分析結(jié)果、車身骨架的設(shè)計要求和制造工藝要求，獲得了拓撲優(yōu)化后的車身骨架結(jié)構(gòu)。對優(yōu)化前后的大客車骨架結(jié)構(gòu)性能進行對比分析，結(jié)果表明：在滿足工程要求的前提下，優(yōu)化后的車身骨架減重率為6.76%，取得了一定的輕量化效果。

有限元；Hyperworks；拓撲優(yōu)化；輕量化

汽車輕量化設(shè)計一直是人們探索、研究的重點課題。作為占據(jù)整車質(zhì)量20%～30%的車身結(jié)構(gòu)，若能在保證性能的前提下有效地降低質(zhì)量，將會對整車的輕量化起到重要的作用。拓撲優(yōu)化作為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的最常用和最有效手段，在結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計中有著非比尋常的意義。本文中采用基于Hyperworks拓撲優(yōu)化方法對長12m的EQ6120EV純電動客車車身結(jié)構(gòu)進行輕量化研究。

1 車身骨架有限元分析

1.1 有限元建模

對車身骨架進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格單元大小為20mm，單元類型為Pshell，在復(fù)雜結(jié)構(gòu)或者構(gòu)件連接等處的網(wǎng)格單元大小為10～15mm。所用材料為16 MnL合金鋼、Q235鋼，其力學(xué)特性如表1所示。

表1 材料屬性與力學(xué)特性

本文中所研究的客車在靜態(tài)時作用在車身骨架上的載荷有電池、空調(diào)、動力總成、人體座椅、乘客等。空調(diào)、蓄電池組、載客等大質(zhì)量對象都采用集中質(zhì)量處理。

1.2 工況確定

大客車在運行過程中，路面復(fù)雜多變，會出現(xiàn)多種受力工況，常見的有彎曲、制動、轉(zhuǎn)向和扭轉(zhuǎn)等［1］，因此本文中主要考慮靜態(tài)、制動、轉(zhuǎn)向及扭轉(zhuǎn)4種工況。當(dāng)車輛在水平路面上處于靜止?fàn)顟B(tài)下，x軸平行于地面指向前方，z軸通過質(zhì)心指向上方，y軸指向駕駛員的左側(cè)。

1.3 原始結(jié)構(gòu)靜力分析及模態(tài)分析

在靜態(tài)、制動、轉(zhuǎn)向和扭轉(zhuǎn)工況下對車身骨架進行靜力分析。從位移方面來看，在正常工況下即非跳動條件下，最大位移值5.70mm，位移在車架變形的接受范圍10mm內(nèi)，滿足剛度要求。從應(yīng)力方面來看，車身骨架應(yīng)力水平整體較低，在112MPa以下。在扭轉(zhuǎn)工況時，中門上方車頂梁和側(cè)圍梁的連接處出現(xiàn)較大集中應(yīng)力，應(yīng)力集中范圍符合實際情況。車身骨架采用Q235材料，所有工況條件下的最大應(yīng)力值為111.2 MPa，小于Q235的屈服強度，安全系數(shù)為2.11，車身強度滿足要求。車身底盤在扭轉(zhuǎn)和急轉(zhuǎn)彎工況時出現(xiàn)最大應(yīng)力，集中于底盤大梁中門與車身連接處和底盤大梁與懸掛的連接處，應(yīng)力集中范圍符合實際情況。車身底盤采用16MnL材料，所有工況條件下的最大應(yīng)力值為192.4MPa，小于16MnL的屈服極限345MPa，安全系數(shù)為1.79，滿足強度要求。

模態(tài)分析作為動態(tài)分析的基礎(chǔ)，是動態(tài)分析的重要內(nèi)容。分析車身骨架頻率特性已經(jīng)成為車身設(shè)計過程中必要的工作。根據(jù)模態(tài)分析理論，一般大型工程結(jié)構(gòu)只需計算前幾階較低的固有頻率和振型，因為低階振動對結(jié)構(gòu)的影響較大，本文中將計算分析車身結(jié)構(gòu)前4階模態(tài)。

2 拓撲優(yōu)化方案的確定

拓撲優(yōu)化可采用殼單元或?qū)嶓w單元來定義設(shè)計空間，并用均勻化和密度2種方法定義材料的流動規(guī)律。通過OptiStruct中先進的近似法和可靠的優(yōu)化方法可搜索到最優(yōu)加載路徑設(shè)計方案［2］。

大客車骨架主要分為車頂骨架、左右側(cè)圍、前后側(cè)圍及車底骨架等，本文中主要對車頂骨架、左右側(cè)圍、前后側(cè)圍及車底骨架進行優(yōu)化分析。

在對該客車車身骨架靜力分析時，綜合考慮彎曲、制動、轉(zhuǎn)向及扭轉(zhuǎn)工況可知：對客車整體結(jié)構(gòu)而言，各分總成的危險工況都為扭轉(zhuǎn)工況。因此，在拓撲優(yōu)化中，綜合上述4種工況進行優(yōu)化計算時，需要增加扭轉(zhuǎn)工況的比重。4種工況的載荷與約束的施加方法如表2所示。

表2 各工況的載荷及約束

在拓撲優(yōu)化過程中，定義拓撲優(yōu)化設(shè)計空間和設(shè)計變量，以及綜合應(yīng)變能響應(yīng)和體積分數(shù)響應(yīng)，要求在體積分數(shù)不大于0.3的前提下，使客車骨架結(jié)構(gòu)的靜態(tài)應(yīng)變能最小。在大客車骨架結(jié)構(gòu)的拓撲優(yōu)化計算模型建立以后，還需要定義一些拓撲優(yōu)化參數(shù)以保證拓撲效果，便于制造。

3 車身骨架拓撲優(yōu)化分析

3.1 車頂骨架優(yōu)化分析

綜合衡量計算精度和分析效率，采用2維單元進行網(wǎng)格劃分，大部分網(wǎng)格單元大小為40mm，單元類型為Pshell四邊形。其中車頂與前后圍、左右側(cè)圍相連接的部分網(wǎng)格單元大小為20mm，單元類型為Pshell四邊形和三角形?？蛙囓図敼羌艿牟牧蠟镼235鋼。根據(jù)大客車設(shè)計規(guī)范，客車頂部需要設(shè)置2個緊急逃生窗口，所以在建立拓撲空間時應(yīng)該預(yù)留出該部分，并設(shè)為非優(yōu)化區(qū)域，如圖1 a所示。基于OptiStruct對車頂骨架拓撲優(yōu)化分析模型進行分析計算，結(jié)果如圖1 b所示。

拓撲優(yōu)化的結(jié)果只是一種概念性設(shè)計，僅供工程設(shè)計人員參考，不能作為最后的結(jié)果輸出。設(shè)計人員還要依據(jù)加工工藝、裝配、功能和連接需要、實際經(jīng)驗等對拓撲結(jié)果進行可制造化處理，以獲得合理的優(yōu)化結(jié)構(gòu)［3］。根據(jù)所研究的客車車頂骨架結(jié)構(gòu)特點，主要從閉環(huán)設(shè)計、橫梁優(yōu)先布置、使車身骨架桿件組成盡可能多的三角形、便于制造原則、客車頂骨架上需要裝配很多功能附件，如空調(diào)、安全天窗等方面進行設(shè)計。充分考慮以上條件，有利于簡化頂骨架結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)輕量化。參考優(yōu)化前客車車頂骨架，重新布置后的車頂骨架如圖2所示。

圖1 車頂骨架拓撲空間模型及優(yōu)化結(jié)果

圖2 優(yōu)化前后車頂骨架結(jié)構(gòu)對比

3.2 側(cè)圍骨架優(yōu)化分析

建立側(cè)圍骨架拓撲空間時預(yù)留出前后車門及側(cè)窗結(jié)構(gòu)，其拓撲空間模型見圖3 a。網(wǎng)格尺寸平均為20mm，拓撲空間材料采用Q235?；贠ptiS?truct對側(cè)圍骨架拓撲優(yōu)化分析模型進行分析計算，經(jīng)過多次迭代后，獲得優(yōu)化結(jié)果如圖3 b所示。側(cè)圍總成分左右兩大片，主要構(gòu)成有前后門立柱總成、側(cè)窗立柱、側(cè)窗上下縱梁及縱梁之間加強車身支撐蒙皮的斜撐等。

本文中研究對象為全承載式大客車，側(cè)圍骨架作為重要的承載構(gòu)件，其優(yōu)化設(shè)計有著承上啟下的作用，是本次輕量化設(shè)計的關(guān)鍵部位。結(jié)構(gòu)抽取過程中要兼顧車頂骨架和車底骨架的橫梁位置，以實現(xiàn)閉環(huán)設(shè)計。除此之外，自身結(jié)構(gòu)也要滿足斜撐高寬比，加強門窗立柱，從整體考慮設(shè)計。

圖3 側(cè)圍骨架拓撲空間模型及優(yōu)化結(jié)果

1）右側(cè)圍結(jié)構(gòu)優(yōu)化 通過上述分析，重新布置后的右側(cè)圍骨架如圖4 a所示，對比優(yōu)化前結(jié)構(gòu)，由于側(cè)圍與頂骨架連接處的斜撐高寬比明顯較小，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，需要加強的部位改成直梁，不需要的部位直接刪除。特別地，右側(cè)圍后門頂部在各個工況下都會出現(xiàn)應(yīng)力集中，因此需要增加材料來強化其結(jié)構(gòu)。

2）左側(cè)圍結(jié)構(gòu)優(yōu)化 重新布置后的左側(cè)圍骨架如圖4 b所示，改進過程與右側(cè)圍相同。

圖4 側(cè)圍骨架優(yōu)化后結(jié)構(gòu)

3.3 車底骨架拓撲優(yōu)化分析

由于眾多總成或附件要裝配在車底骨架上，如座椅、蓄電池等，這樣就導(dǎo)致車底骨架中的很多構(gòu)造不能輕易改變。從優(yōu)化效率、制造成本及優(yōu)化的必要性等方面出發(fā)，建立車底骨架拓撲空間模型如圖5 a所示。將車底骨架拓撲空間分為前端、中部和后端拓撲空間。網(wǎng)格平均尺寸為20mm。車底骨架作為整車重要承載部分，采用高強度鋼16 MnL。基于OptiStruct對車底骨架拓撲優(yōu)化分析模型進行分析計算，結(jié)果如圖5 b所示。從圖5 b可以看出車身底架拓撲優(yōu)化結(jié)果有2根明顯的縱梁和幾根橫梁。材料主要集中在載荷較大的區(qū)域。

本文中所研究的客車車身采用全桁架式車底骨架，可以通過調(diào)整其桿件的位置，引導(dǎo)力流傳遞，有效避免車底骨架出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。同時，因為側(cè)圍骨架參與承載，所以除了車底骨架自身結(jié)構(gòu)合理外，優(yōu)化二者之間的連接方式也可以極大地提高承載能力。一般處理方法是通過合理布置車底骨架的外伸橫梁，使其與側(cè)圍立柱對接，形成環(huán)狀結(jié)構(gòu)；另外，車底骨架上需要安置蓄電池、座椅等附件；所以在盡量保證上述條件的基礎(chǔ)上，還應(yīng)該合理安排裝配結(jié)構(gòu)［4］。

圖5 車底骨架拓撲空間模型及優(yōu)化結(jié)果

1）車底骨架前端 根據(jù)車底骨架設(shè)計原則和骨架前端部分拓撲優(yōu)化結(jié)果，重新布置后的車底骨架前端見圖6a，刪除前端橫梁，添加1根斜撐。

圖6 車底前、后端優(yōu)化后結(jié)構(gòu)

2）車底骨架中部 從車底骨架中部拓撲優(yōu)化結(jié)果可以看出車底骨架中部原結(jié)構(gòu)與優(yōu)化結(jié)果比較一致，因此底骨架中部結(jié)構(gòu)不做修改。

3）車底骨架后端 根據(jù)設(shè)計要求，提取優(yōu)化后的車底骨架結(jié)構(gòu)如圖6 b所示，主要變化是把后端兩邊相關(guān)斜撐梁刪除，保留豎直的支撐梁。

4 優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)性能對比

根據(jù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計結(jié)果，重建大客車骨架有限元模型，對優(yōu)化后的骨架結(jié)構(gòu)進行有限元分析，各工況的載荷處理及約束設(shè)置與優(yōu)化前相同。大客車骨架結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后應(yīng)力、位移和模態(tài)頻率結(jié)果對比如表3～5所示。結(jié)果表明：優(yōu)化后大客車骨架結(jié)構(gòu)的變形、強度、低階模態(tài)頻率和振型變化不大，均在工程要求的范圍內(nèi)，檢驗了本文中對車身骨架輕量化優(yōu)化設(shè)計結(jié)果的合理性。

表3 優(yōu)化前后客車骨架最大應(yīng)力值對比分析表

表4 優(yōu)化前后車身骨架最大位移值對比分析表

表5 優(yōu)化前后車身骨架前4階模態(tài)頻率

5 結(jié)論

對客車車身骨架結(jié)構(gòu)進行了有限元分析，并對拓撲優(yōu)化設(shè)計方法做了簡要介紹。綜合考慮研究對象的特點之后，依次對車頂骨架、左右側(cè)圍骨架及車底骨架進行了拓撲優(yōu)化分析，并根據(jù)拓撲優(yōu)化分析結(jié)果、車身骨架的設(shè)計要求和制造工藝要求獲得了車身骨架的拓撲結(jié)構(gòu)。對優(yōu)化前后的大客車骨架結(jié)構(gòu)性能進行了對比分析，結(jié)果表明：在滿足工程要求的前提下，優(yōu)化后車身骨架減重175kg，減重率為6.76%，取得了一定的輕量化效果。

［1］石琴，張代勝，谷葉水，等.大客車車身骨架結(jié)構(gòu)強度分析及其改進設(shè)計［J］.汽車工程，2007（1）：87-92．

［2］李楚琳，張勝蘭，鄭冬黎，等.基于HyperWorks的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2007．

［3］姚成，朱銘.全承載式客車車身結(jié)構(gòu)設(shè)計［J］.客車技術(shù)與研究，2008（2）：13-16.

［4］毛愛華.純電動大客車骨架結(jié)構(gòu)輕量化多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計［D］.長春：吉林大學(xué)，2015.

Topology Optimization Design of Body Frame for Pure Electric Bus

Gong Yuting,Li Chulin
（School of Automotive Engineering,Hubei University of Automotive Technology,Shiyan 442002,China）

The finite element analysis of the bus body skeleton was carried out by Hyperworks.The light?weight of the bus body skeleton was investigated based on the topology optimization techniques.The fi?nite element model of the body skeleton was built,and the static analysis and modal analysis were car?ried out.The topology optimization design for the bus body skeleton was performed.Based on the opti?mization result and design principles of the body skeleton,the bus body skeleton structure was extract?ed.The structural performance of the bus body skeleton before and after optimization was compared. The result shows the bus body skeleton,compared with the original one,gets 6.76%weight reduction, and meets the performance requirements..

finite element;Hyperworks;topology optimization;lightweight

U464；TK401

：A

：1008-5483（2016）04-0014-04

10.3969/j.issn.1008-5483.2016.04.004

2016-08-05

龔玉婷（1992-），女，湖北十堰人，碩士生，從事商用車輛設(shè)計與優(yōu)化技術(shù)研究。E-mail：279240737@qq.com