德州學(xué)院汽車(chē)工程學(xué)院 李敏 朱恒偉

新能源客車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度分析

德州學(xué)院汽車(chē)工程學(xué)院 李敏 朱恒偉

本文采用基于有限元法的新能源客車(chē)車(chē)身機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及強(qiáng)度分析，結(jié)合拓?fù)淅碚?，確定了汽車(chē)的結(jié)構(gòu)形式，對(duì)拓?fù)浜蟮能?chē)身結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析,保證了車(chē)身強(qiáng)度。分析證明：在保證車(chē)身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，做到了新能源客車(chē)車(chē)身的輕量化設(shè)計(jì)，為新能源客車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了一條有效途徑。

新能源客車(chē)；車(chē)身；拓?fù)鋬?yōu)化；有限元法

引言

目前，安全、節(jié)能、環(huán)保成為汽車(chē)工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要方向。大客車(chē)車(chē)身骨架作為主要承載結(jié)構(gòu)，其重量約占大客車(chē)總重量的30%～40%[1]，合理的汽車(chē)輕量化設(shè)計(jì)不但可以減重，有效地實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，還可以在一定程度上改善汽車(chē)性能。

1 拓?fù)鋬?yōu)化理論基礎(chǔ)研究

在拓?fù)鋬?yōu)化過(guò)程中首先應(yīng)建立基礎(chǔ)模型，然后通過(guò)優(yōu)化搜索方法保留結(jié)構(gòu)中必要部分，去掉非必要部分，以確定結(jié)構(gòu)的最優(yōu)布局，以整體結(jié)構(gòu)離散成n個(gè)單元，則每個(gè)單元為xi（i=1,2.3.... ..n），優(yōu)化后若第j個(gè)單元為非必要單元，則xj為0，反之則為1[2]。為更好做到優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用的優(yōu)化方法為變密度法[3]。

其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

其中：F（x）為目標(biāo)函數(shù)；gj（x）為約束條件；hk（x）為等式約束；

在連續(xù)體拓?fù)鋬?yōu)化過(guò)程中首先應(yīng)建立拓?fù)鋬?yōu)化空間，然后確定邊界條件及受載狀態(tài)，然后確定相應(yīng)的優(yōu)化算法進(jìn)行優(yōu)化，在優(yōu)化過(guò)程中軟件自動(dòng)刪除一些無(wú)關(guān)材料，最終達(dá)到最優(yōu)?？蛙?chē)骨架拓?fù)鋬?yōu)化流程如圖1所示。

圖1 客車(chē)骨架拓?fù)鋬?yōu)化流程

2 新能源客車(chē)車(chē)身受載分析及拓?fù)鋬?yōu)化

新能源客車(chē)優(yōu)化設(shè)計(jì)首先應(yīng)確定優(yōu)化空間，基于客車(chē)的全承載式結(jié)構(gòu)，客車(chē)車(chē)頂、底架、左右側(cè)面為拓?fù)鋬?yōu)化區(qū)域。大客車(chē)頂部需要設(shè)置兩個(gè)緊急逃生窗口，所以預(yù)留兩方形孔，左右側(cè)面窗口和車(chē)門(mén)均為必要結(jié)構(gòu)，所以在建立拓?fù)淇臻g時(shí)應(yīng)該預(yù)留出該部分，并設(shè)為非優(yōu)化區(qū)域[4,5]。

現(xiàn)有新能源客車(chē)車(chē)身是由Q235鋼材焊接而成，Hypermesh中定義其材料屬性和力學(xué)特性，如表1所示。

表1 車(chē)身材料屬性

根據(jù)實(shí)際模型需求，考慮到客車(chē)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，采用更易收斂的四邊形網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分后形狀見(jiàn)圖2。

圖2 客車(chē)車(chē)身網(wǎng)格劃分

根據(jù)車(chē)身結(jié)構(gòu)及受載情況對(duì)客車(chē)車(chē)身進(jìn)行加載，其中車(chē)身質(zhì)量均勻作用于客車(chē)前后輪部分，并對(duì)前輪施加電池箱載荷，乘客載荷根據(jù)客車(chē)車(chē)座位置設(shè)定，其它忽略。車(chē)身參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 車(chē)身參數(shù)

根據(jù)客車(chē)運(yùn)行情況，對(duì)客車(chē)前后車(chē)輪進(jìn)行全約束，以柔度最小為目標(biāo)，設(shè)置拓?fù)鋬?yōu)化體積預(yù)留量為0.2，經(jīng)過(guò)42次迭代，拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果如圖3所示。

圖3 新能源客車(chē)拓?fù)鋬?yōu)化模型

李敏，男，1994年5月出生，山東萊蕪人，本科在讀，研究方向：拓?fù)鋬?yōu)化車(chē)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。