金宏宇 邵海良/廈門(mén)金龍聯(lián)合汽車(chē)工業(yè)有限公司紹興分公司

大客車(chē)車(chē)身骨架輕量化改進(jìn)設(shè)計(jì)

金宏宇 邵海良/廈門(mén)金龍聯(lián)合汽車(chē)工業(yè)有限公司紹興分公司

車(chē)身輕量化設(shè)計(jì)是有效提高汽車(chē)性能的重要途徑，在車(chē)身強(qiáng)度和車(chē)輛安全性能得以保證的前提下，降低汽車(chē)的整備質(zhì)量將會(huì)顯著提高汽車(chē)的動(dòng)力性、操控性、制動(dòng)性以及經(jīng)濟(jì)性。相關(guān)試驗(yàn)研究表明，若汽車(chē)整車(chē)重量降低 10%，燃油效率可以提升6%-8%，這顯示出汽車(chē)輕量化在降低燃料消耗、減少?gòu)U氣污染方面具有非常直接的效益。汽車(chē)設(shè)計(jì)的輕量化是我國(guó)節(jié)能減排戰(zhàn)略的需要，更是汽車(chē)制造企業(yè)提市場(chǎng)高競(jìng)爭(zhēng)力的現(xiàn)實(shí)需求。

客車(chē)車(chē)身；輕量化；改進(jìn)設(shè)計(jì)

前言

隨著現(xiàn)代交通的發(fā)展和汽車(chē)工業(yè)的進(jìn)步，汽車(chē)已經(jīng)完全融入到我們的生活中。我國(guó)人口眾多，公共交通是我國(guó)發(fā)展的主流?？蛙?chē)不僅具有及時(shí)迅速的特點(diǎn)，而且可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的直線運(yùn)輸，機(jī)動(dòng)靈活性非常強(qiáng)。大客車(chē)作為公路客運(yùn)最主要的一種形式，與航空、鐵路相輔相成，每年承擔(dān)著城鄉(xiāng)、城際等重要的載客任務(wù)。因此，客車(chē)的節(jié)能和環(huán)保直接影響著我國(guó)的能源和環(huán)境。據(jù)統(tǒng)計(jì)，客車(chē)質(zhì)量每降低 10%，相應(yīng)的耗油量減少 6%-8%，尾氣排放也會(huì)降低很多?？蛙?chē)車(chē)身質(zhì)量占整個(gè)汽車(chē)整備質(zhì)量的20%-30%，因此客車(chē)車(chē)身輕量化有助于客車(chē)油耗的降低和污染物排放的減少，對(duì)我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)意義重大

一、輕量化設(shè)計(jì)方法分析

客車(chē)車(chē)身輕量化主要有三個(gè)途徑：新材料技術(shù)、先進(jìn)的加工制造技術(shù)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法。結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法可以利用最少的資源（材料、造價(jià)、工藝等），實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性等各種最優(yōu)性能。國(guó)內(nèi)外大型設(shè)計(jì)案例表明，將優(yōu)化方法運(yùn)用到設(shè)計(jì)中，不僅可以大大縮短設(shè)計(jì)周期，而且可以顯著提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，解決一些傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法無(wú)法解決的問(wèn)題。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是以數(shù)學(xué)理論為基礎(chǔ)，將實(shí)際的物理模型轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)可以識(shí)別的數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用最優(yōu)化的數(shù)學(xué)設(shè)計(jì)理論，結(jié)合相應(yīng)的計(jì)算機(jī)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(shè)計(jì)。有限元方法和最優(yōu)化技術(shù)結(jié)合產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)已發(fā)展成熟，廣泛應(yīng)用到產(chǎn)品設(shè)計(jì)的各個(gè)階段，并取得了很好的效果。優(yōu)化設(shè)計(jì)包括三個(gè)主要內(nèi)容：目標(biāo)函數(shù)、約束條件和設(shè)計(jì)變量。目標(biāo)函數(shù)是指在設(shè)計(jì)過(guò)程中所追求的最優(yōu)解，比如質(zhì)量最輕、體積最小等。約束條件是指，要達(dá)到所設(shè)定的優(yōu)化目標(biāo)所必需滿足的性能條件，比如：應(yīng)力小于材料的許用應(yīng)力、位移小于設(shè)定值等。設(shè)計(jì)變量是指在優(yōu)化過(guò)程中要改變的參數(shù)，如：桿件截面參數(shù)、單元厚度等。

二、典型結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法

一般客車(chē)車(chē)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(qiáng)度和剛度的不巧被用在客車(chē)上不巧的部位，低破鋼一般被用在前后圍、地板等對(duì)剛度、強(qiáng)度耍求較低的部件；抗變形能為強(qiáng)、屈服極限化大的商強(qiáng)度鋼一般被用在底架等對(duì)剛度、強(qiáng)度耍求較高的部件對(duì)各構(gòu)件提取中面后，還需耍對(duì)構(gòu)件的一些微小細(xì)節(jié)，如倒角、微型孔等進(jìn)行清理。這些在有限元網(wǎng)格劃分時(shí)會(huì)產(chǎn)生許多小單元，從而導(dǎo)致計(jì)算時(shí)問(wèn)的增加。因此，在保證構(gòu)件完整形貌的前提下，對(duì)巧細(xì)微的倒巧和一些直徑小于20mm化非螺栓孔的結(jié)構(gòu)進(jìn)行幾何處理。同時(shí)，對(duì)于而與面之間的問(wèn)隙和一些自由邊等次耍細(xì)節(jié)也進(jìn)行了幾何清理，保證網(wǎng)格劃分的質(zhì)量。在客車(chē)車(chē)身骨架結(jié)構(gòu)有限元模型建立的過(guò)程中，尤其是在網(wǎng)格劃分的過(guò)程中，一定要經(jīng)常、及時(shí)的進(jìn)行網(wǎng)格質(zhì)量的檢査，W便使得所劃分的網(wǎng)格達(dá)到耍求。檢查網(wǎng)格的各項(xiàng)參數(shù)，找出不符合耍求的網(wǎng)格，并對(duì)其經(jīng)行修改。具體的檢查內(nèi)容：

1.連續(xù)性檢査：為保證網(wǎng)格連續(xù)W實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)問(wèn)力的傳遞，對(duì)于重復(fù)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行合井或刪除。

2.單元法向的檢查和調(diào)整：調(diào)整單元的法向量，使所有單元的法向量一致。

3.網(wǎng)格形狀檢查，包括單元長(zhǎng)寬比、雅克比、單元翅曲巧、單元歪斜巧、單兀最大最小內(nèi)巧等。

4.H巧形網(wǎng)格單元所占比例檢查：Itl于相鄰兩個(gè)H巧形單元之問(wèn)很容易產(chǎn)生應(yīng)力、應(yīng)變突變，所W在模型中盡量不耍出現(xiàn)過(guò)多的H巧形單元，一般耍求H巧形網(wǎng)格單元有網(wǎng)格單元數(shù)量的比例在3%W下。

5.交叉穿透檢査：整車(chē)模型中和鄰部件可能出現(xiàn)相互穿透，需進(jìn)行檢查和調(diào)整，消除穿透現(xiàn)象。

以有限元為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化中，拓?fù)鋬?yōu)化、形貌優(yōu)化和尺寸優(yōu)化是最為常見(jiàn)的優(yōu)化方法，被廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的各個(gè)階段。在產(chǎn)品的初始概念設(shè)計(jì)階段，可以采用拓?fù)洌═opology ）優(yōu)化、形貌（ Topography）優(yōu)化和自由尺寸（ Free Sizing）優(yōu)化技術(shù)得到初始結(jié)構(gòu)的基本形狀。本文主要采用拓?fù)鋬?yōu)化和尺寸優(yōu)化相結(jié)合的方法對(duì)客車(chē)車(chē)身桁架的位置和厚度進(jìn)行優(yōu)化。拓?fù)洌═opology）優(yōu)化是一種數(shù)學(xué)方法，能在給定的空間結(jié)構(gòu)中生成優(yōu)化的形狀及材料的分布。通過(guò)將區(qū)域離散成有限元網(wǎng)格，OptiStruct為每個(gè)單元計(jì)算材料特性，在給定的約束條件下，改變材料的分布，優(yōu)化用戶給定的設(shè)計(jì)目標(biāo)。拓?fù)鋬?yōu)化基本思想是將尋求結(jié)構(gòu)最優(yōu)拓?fù)鋯?wèn)題轉(zhuǎn)化為求解設(shè)計(jì)區(qū)域內(nèi)最佳材料分布的問(wèn)題。其最大優(yōu)點(diǎn)是能在不知道結(jié)構(gòu)拓?fù)湫螤畹幕A(chǔ)上，根據(jù)已知載荷條件和邊界條件確定較合理的結(jié)構(gòu)形式。拓?fù)鋬?yōu)化不涉及具體結(jié)構(gòu)的尺寸設(shè)計(jì)，但可以提供滿足條件的最優(yōu)材料分布方案。

密度法把每個(gè)設(shè)計(jì)區(qū)域單元的材料密度定義為設(shè)計(jì)變量，在0-1 之間連續(xù)變化。0和1分別代表空和實(shí)。密度法假象材料的剛度與密度成線性關(guān)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?fù)鋬?yōu)化默認(rèn)的方法。

均勻化法，結(jié)構(gòu)材料被表示為具有周期性的微觀結(jié)構(gòu)的多空連續(xù)體或不同密度的分層復(fù)合物。其基本思想是材料中引入單胞微結(jié)構(gòu)，優(yōu)化過(guò)程中以單胞尺寸為拓?fù)湓O(shè)計(jì)變量，建立材料密度與特性之間的關(guān)系。

三、結(jié)束語(yǔ)

對(duì)客車(chē)骨架進(jìn)行靜力學(xué)分析，并且模擬了典型工況下客車(chē)骨架的應(yīng)力分布。通過(guò)這些研究，對(duì)客車(chē)骨架的局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，使客車(chē)骨架的應(yīng)力分布更合理，提高了車(chē)身的剛度、強(qiáng)度，減少了車(chē)身所用的材料，到達(dá)輕量化的目的?？蛙?chē)的輕量化提高了燃油的經(jīng)濟(jì)性，降低了客車(chē)的成本，在一定程度上提高了客車(chē)的整車(chē)性能與安全性能。

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