朱紅軍，劉芳忠，吳 兵

(1.中車(chē)時(shí)代電動(dòng)汽車(chē)股份有限公司, 湖南 株洲 412000；2.長(zhǎng)沙中車(chē)智馭新能源科技有限公司，長(zhǎng)沙 410000)

對(duì)傳統(tǒng)汽車(chē)而言，輕量化能有效提高其動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，并降低排放[1-2]；對(duì)電動(dòng)汽車(chē)而言，降低重量將有助于提高續(xù)航里程、改善動(dòng)力電池的使用效能[3]，從而大大提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。本文采用有限元分析的手段，通過(guò)對(duì)某型純電動(dòng)客車(chē)多種工況下的應(yīng)力分布進(jìn)行分析，以車(chē)身骨架的截面尺寸為設(shè)計(jì)變量，以扭轉(zhuǎn)剛度和1階模態(tài)頻率為約束，以重量最小為目標(biāo)，對(duì)該型客車(chē)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，最終達(dá)到在滿足使用要求下降低車(chē)身重量的目的。

1 客車(chē)骨架結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1.1 尺寸優(yōu)化理論

尺寸優(yōu)化的設(shè)計(jì)變量可以是材料的密度、單元面積和梁截面的尺寸[4]，目標(biāo)函數(shù)可以是結(jié)構(gòu)的重量或結(jié)構(gòu)的體積。以xi表示各設(shè)計(jì)變量，以y表示目標(biāo)函數(shù)，則y與xi之間滿足一定的函數(shù)關(guān)系y=f(x1,x2,…xn)。為了使優(yōu)化問(wèn)題能夠收斂且優(yōu)化結(jié)果滿足實(shí)際需要，往往還需要添加一定的約束條件gi，使得gi(x1,x2,…xn)≤0。優(yōu)化過(guò)程的實(shí)質(zhì)就是各設(shè)計(jì)變量xi在允許的范圍內(nèi)，在滿足約束條件gi的同時(shí)使目標(biāo)函數(shù)y最小化或最大化。

1.2 客車(chē)骨架尺寸優(yōu)化

1.2.1 有限元模型建立及處理

該純電動(dòng)客車(chē)的前后懸架均采用板簧+吊耳的型式，電機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)后置。對(duì)于前后圍、左右側(cè)圍、頂蓋和車(chē)架等薄壁管梁件，采用2D殼單元進(jìn)行網(wǎng)格離散[5-6]，在完成各分總成的網(wǎng)格劃分后進(jìn)行整車(chē)骨架網(wǎng)格模型的組裝；對(duì)于前后懸架采用1D單元進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。建立的整車(chē)骨架有限元模型共包含365 928個(gè)單元和352 811個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖1所示。

圖1 整車(chē)骨架有限元模型

客車(chē)骨架的前后圍質(zhì)量較小，減重的空間不大[7]，因此將除前后圍外的骨架其他構(gòu)件厚度作為優(yōu)化設(shè)計(jì)變量，并允許各設(shè)計(jì)變量在初始厚度的基礎(chǔ)上有±20%的變化。將對(duì)稱(chēng)件、具有相同規(guī)格要求的構(gòu)件作為單一的設(shè)計(jì)變量，以rf作為頂蓋設(shè)計(jì)變量的名稱(chēng)前綴，以l作為左右側(cè)圍設(shè)計(jì)變量的名稱(chēng)前綴，車(chē)架各設(shè)計(jì)變量的名稱(chēng)前綴以c表示。處理完成的客車(chē)骨架共104個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)變量。

本文將基于整車(chē)骨架的扭轉(zhuǎn)剛度和1階模態(tài)頻率來(lái)設(shè)定優(yōu)化問(wèn)題的約束條件。扭轉(zhuǎn)剛度定義為：分別約束左后輪心的dof13自由度和右后輪心的dof123自由度，在左前輪和右前輪心間建立Z向的MPC約束，在左前輪心處施加沿-Z向的載荷F，滿足T=F·D/2=2 000 Nm，其中D為前軸左右輪心的輪距，單位為m。允許車(chē)身骨架的扭轉(zhuǎn)剛度下降10%，即約束扭轉(zhuǎn)工況下測(cè)量點(diǎn)的位移下限為-1.57 mm，同時(shí)約束車(chē)身骨架的1階模態(tài)頻率不低于9.2 Hz。將整車(chē)重量最小化設(shè)置為該優(yōu)化問(wèn)題的目標(biāo)函數(shù)。

1.2.2 骨架尺寸優(yōu)化結(jié)果

經(jīng)5次迭代后優(yōu)化問(wèn)題得到收斂，約束條件和目標(biāo)函數(shù)的迭代過(guò)程如圖2所示?？梢钥闯觯O(shè)定的約束條件和目標(biāo)函數(shù)都得到滿足。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，骨架管梁的厚度一般都在特定的規(guī)格中進(jìn)行選擇，為了使優(yōu)化結(jié)果切實(shí)可行，需要對(duì)優(yōu)化后的各設(shè)計(jì)變量的厚度進(jìn)行圓整處理，部分結(jié)果見(jiàn)表1。圓整處理后的客車(chē)骨架減重135 kg,其中各分總成的質(zhì)量變化及減重量占骨架總減重量的比值見(jiàn)表2。

(a) 扭轉(zhuǎn)工況撓度變化

(b) 1階模態(tài)頻率變化

(c) 車(chē)身骨架質(zhì)量變化

表1 部分設(shè)計(jì)變量值變化及圓整 mm

表2 分總成質(zhì)量變化及減重占比

從表2數(shù)據(jù)看，車(chē)身重量的減少主要集中在車(chē)架和側(cè)圍，頂蓋的減重空間相對(duì)較小。因此，對(duì)客車(chē)車(chē)身進(jìn)行輕量化，車(chē)架和側(cè)圍是需要重點(diǎn)考慮的部位。

2 骨架強(qiáng)度校核及結(jié)構(gòu)改進(jìn)

2.1 強(qiáng)度校核

車(chē)身剛度的降低具體表現(xiàn)為管梁構(gòu)件壁厚的減少，勢(shì)必會(huì)降低客車(chē)骨架的承載能力，通過(guò)優(yōu)化過(guò)程的自動(dòng)迭代,在最大限度地降低客車(chē)骨架重量的同時(shí)，能確保骨架的扭轉(zhuǎn)剛度滿足約束要求，從而能降低因骨架壁厚的減薄而帶來(lái)的整車(chē)應(yīng)力風(fēng)險(xiǎn)。將前述經(jīng)優(yōu)化圓整后的整車(chē)骨架有限元模型進(jìn)行彎曲、扭轉(zhuǎn)、制動(dòng)和轉(zhuǎn)向工況的強(qiáng)度校核，可以對(duì)優(yōu)化結(jié)果的可行性進(jìn)行評(píng)估。

有限元強(qiáng)度校核發(fā)現(xiàn)：優(yōu)化圓整后的客車(chē)骨架在彎曲和扭轉(zhuǎn)工況下，客車(chē)骨架局部區(qū)域在優(yōu)化后應(yīng)力升高，局部應(yīng)力風(fēng)險(xiǎn)加大。其中，彎曲工況下后板簧后安裝板前端立柱應(yīng)力從186 MPa提高至253 MPa；扭轉(zhuǎn)工況下左側(cè)圍中部斜撐與立柱搭接部位應(yīng)力從221 MPa提高至343 MPa。優(yōu)化后的上述區(qū)域均超過(guò)相應(yīng)工況下Q345材料在考慮動(dòng)載系數(shù)下的許用應(yīng)力230 MPa。

2.2 局部結(jié)構(gòu)改進(jìn)

根據(jù)優(yōu)化圓整后的客車(chē)骨架強(qiáng)度校核結(jié)果，考慮進(jìn)行如下改進(jìn)：

1) 在后板簧后安裝板前端的立柱旁新增厚度為1.5 mm的加強(qiáng)角，左右對(duì)稱(chēng)布置，如圖3所示。

圖3 新增加強(qiáng)角示意圖

2) 將左側(cè)圍中部斜撐與側(cè)圍立柱搭接，改為斜撐同時(shí)與側(cè)圍立柱和P型腰梁搭接，如圖4所示。

(a) 改進(jìn)前

局部結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，彎曲工況下后板簧后安裝板前端立柱局部應(yīng)力由253 MPa降低至183 MPa；扭轉(zhuǎn)工況下左側(cè)圍中部斜撐與立柱搭接部位由343 MPa降低至174 MPa，均低于優(yōu)化前的水平，且滿足相應(yīng)強(qiáng)度工況對(duì)材料的使用要求。局部結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的客車(chē)骨架，在滿足多種強(qiáng)度工況的要求外，整體質(zhì)量相比尺寸優(yōu)化前減少134 kg。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文使用有限元分析方法對(duì)客車(chē)骨架進(jìn)行了尺寸優(yōu)化和圓整，并對(duì)優(yōu)化圓整后的客車(chē)骨架進(jìn)行強(qiáng)度校核和結(jié)構(gòu)改進(jìn)，最終得到的客車(chē)骨架在滿足多種強(qiáng)度工況的使用要求下取得了良好的減重效果。