基于概念設(shè)計(jì)的客車車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化系統(tǒng)＊

侯文彬，張紅哲，徐金亭，呼 和

（1.大連理工大學(xué) 工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，汽車工程學(xué)院，遼寧 大連 116024；2.大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 ，遼寧 大連 116024）

客車車身骨架是由薄壁桿件組成的復(fù)雜的空間高次超靜定結(jié)構(gòu)，是整車的關(guān)鍵總成.其受力情況復(fù)雜，結(jié)構(gòu)分析難度較大，并且其結(jié)構(gòu)性能的好壞與客車車身使用壽命直接相關(guān)[1－2].一般來(lái)說(shuō)客車車身結(jié)構(gòu)應(yīng)該滿足如下要求：具備足夠的靜態(tài)結(jié)構(gòu)剛度以滿足裝配及使用要求；強(qiáng)度上要能承受實(shí)際工況中出現(xiàn)的最大靜載荷及動(dòng)載荷，以保證其疲勞壽命；還應(yīng)具有合理的動(dòng)態(tài)性能以達(dá)到控制振動(dòng)和噪聲的目的[3－4].客車車身的開發(fā)流程可以分為：產(chǎn)品策劃、概念設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)、產(chǎn)品試制、產(chǎn)品試驗(yàn)和生產(chǎn)準(zhǔn)備6個(gè)階段.其中客車車身結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)階段對(duì)于整車開發(fā)具有重要意義，是保證整車性能、設(shè)計(jì)質(zhì)量及可靠性的重要階段，是集中體現(xiàn)創(chuàng)造性思維的階段.在實(shí)際應(yīng)用中，客車車身結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)一直是客車車身開發(fā)的薄弱環(huán)節(jié).隨著設(shè)計(jì)人員對(duì)概念設(shè)計(jì)階段重要性認(rèn)識(shí)的加深，歐美等主要客車廠商越來(lái)越注重概念開發(fā)階段的工作，但是總體說(shuō)來(lái)，客車車身結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的發(fā)展水平還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到轎車相應(yīng)水平[5].本文結(jié)合客車車身結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)階段的特點(diǎn)，開發(fā)了客車車身結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)系統(tǒng).該系統(tǒng)在概念設(shè)計(jì)階段引入?yún)?shù)化設(shè)計(jì)思想、CAE分析和優(yōu)化方法，將參數(shù)化建模、CAE分析和優(yōu)化計(jì)算集成為一體，實(shí)現(xiàn)了CAE分析的智能化和“分析驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)”的設(shè)計(jì)理念，并且對(duì)于實(shí)現(xiàn)客車車身輕量化具有重要意義.

1 BCD系統(tǒng)介紹

BCD系統(tǒng)是在Siemens NX件平臺(tái)進(jìn)行二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，為三層體系結(jié)構(gòu).最頂端的用戶層提供了供用戶操作的向?qū)浇缑?，該系統(tǒng)將客車車身結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)階段復(fù)雜的操作分解為24步簡(jiǎn)單操作，使用UI Styler創(chuàng)建了與操作步驟對(duì)應(yīng)的交互式操作界面，并通過(guò)底層知識(shí)庫(kù)將已有設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)作為默認(rèn)設(shè)計(jì)參數(shù)加載到對(duì)話框中，指導(dǎo)用戶操作.邏輯層分為4個(gè)模塊，包括幾何建模模塊、有限元建模模塊、求解與后處理模塊和車身參數(shù)優(yōu)化模塊.在幾何建模模塊中，用戶可以對(duì)系統(tǒng)提供的客車車身結(jié)構(gòu)概念模型的尺寸參數(shù)進(jìn)行編輯，以創(chuàng)建新的客車車身結(jié)構(gòu)概念模型；在分析模塊中用戶可以選擇分析工況類型，包括彎曲剛度計(jì)算、扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算和模態(tài)分析，系統(tǒng)自動(dòng)完成對(duì)概念模型的網(wǎng)格劃分，加載梁截面屬性和材料屬性，設(shè)置載荷值和約束條件，用戶既可以選擇接受系統(tǒng)提供的這些參數(shù)的默認(rèn)值，也可以根據(jù)實(shí)際分析需要自行設(shè)置需要的參數(shù)；在求解與后處理模塊，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)用NX Nastran求解器進(jìn)行計(jì)算，然后生成后處理視圖和分析報(bào)告；車身優(yōu)化模塊的主要功能是對(duì)概念車身進(jìn)行靈敏度分析并進(jìn)行尺寸和形狀優(yōu)化，獲得優(yōu)化的車身結(jié)構(gòu)參數(shù).物理層指進(jìn)行車身結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)時(shí)用到的各種數(shù)據(jù)庫(kù)，包括車身模板庫(kù)、梁截面庫(kù)等，具體指保存有相應(yīng)信息的電子表格.為了實(shí)現(xiàn)車身結(jié)構(gòu)概念模型的全參數(shù)化，在建立車身結(jié)構(gòu)概念模型時(shí)將所有參數(shù)信息都存儲(chǔ)在相應(yīng)的電子表格中，形成不同的參數(shù)庫(kù).系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)會(huì)自動(dòng)加載參數(shù)庫(kù)中的參數(shù)信息，也可以將新的設(shè)計(jì)參數(shù)保存到參數(shù)庫(kù)中.邏輯層和物理層通過(guò)NX／Spreadsheet電子表格技術(shù)建立聯(lián)系，在邏輯層和物理層之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞.

圖1 BCD系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 BCD system structure diagram

2 客車車身結(jié)構(gòu)參數(shù)化的定義實(shí)現(xiàn)

在BCD系統(tǒng)中，客車車身參數(shù)化的實(shí)現(xiàn)主要依靠模板完成，模板是一個(gè)帶有若干產(chǎn)品屬性的參數(shù)化的車身幾何模型，其形狀是可調(diào)節(jié)的.系統(tǒng)通過(guò)模板可產(chǎn)生新的車身模型.下面介紹模板及設(shè)計(jì)參數(shù).

2.1 設(shè)計(jì)參數(shù)的確定

1）總體結(jié)構(gòu)參數(shù)：輪廓尺寸（車長(zhǎng)、車高、車寬）、軸距、前懸、后懸.因?yàn)閷?duì)于客車車身，接近角、離去角與車身蒙皮有關(guān)，車身結(jié)構(gòu)概念模型不考慮車身蒙皮，所以沒有選擇接近角、離去角作為結(jié)構(gòu)參數(shù).圖2為車身結(jié)構(gòu)概念模型長(zhǎng)度方向上參數(shù)定義.

圖2 概念車身長(zhǎng)度方向參數(shù)Fig.2 The bus body dimensions along length direction

2）外觀特征參數(shù)：前門寬度及高度、后門寬度及高度、前后輪輪框?qū)挾?、車窗高?前后輪輪框高度及車窗寬度通過(guò)調(diào)整梁位置實(shí)現(xiàn)尺寸調(diào)整.

2.2 概念模型的創(chuàng)建原則

建立概念車身參數(shù)化模型時(shí)，既要考慮車身概念設(shè)計(jì)階段的特點(diǎn)，也要考慮到后續(xù)參數(shù)化有限元模型的自動(dòng)生成，綜合考慮，提出了建立概念車身參數(shù)化模型應(yīng)遵循的原則為：

1）將車身結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為控件線框模型，在不改變車身結(jié)構(gòu)主要力學(xué)特性的前提下，忽略工藝孔、翻邊、小的肋板等對(duì)整體剛度影響較小的非承載件.在自動(dòng)建立有限元模型時(shí)，用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬計(jì)算.

2）對(duì)于同向焊接的兩根梁，因?yàn)槠浜附犹帍?qiáng)度近似等于材料內(nèi)部強(qiáng)度，故可將其簡(jiǎn)化為一根梁.

3）為了實(shí)現(xiàn)概念車身參數(shù)化模型的快速修改，需要給設(shè)計(jì)者提供合適的設(shè)計(jì)參數(shù)和約束條件，但是過(guò)多的約束將使模型過(guò)于詳細(xì)，不符合車身結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的要求，約束過(guò)少又難以滿足整體設(shè)計(jì)要求.

2.3 設(shè)計(jì)參數(shù)的確定

系統(tǒng)使用UG／KF技術(shù)建立客車車身結(jié)構(gòu)概念模型，模型屬性按照性質(zhì)的不同，可以分為兩部分，如圖3所示.一部分是用于創(chuàng)建幾何對(duì)象的子規(guī)則，另一部分是用于表達(dá)幾何對(duì)象間參數(shù)關(guān)系的屬性.子規(guī)則用來(lái)創(chuàng)建各種幾何對(duì)象，使用各種函數(shù)確定創(chuàng)建的幾何對(duì)象的參數(shù)關(guān)系.屬性用來(lái)創(chuàng)建主要參數(shù)，創(chuàng)建幾何對(duì)象時(shí)引用已建立的屬性，當(dāng)屬性值改變時(shí)即可改變幾何對(duì)象的參數(shù).在KF導(dǎo)航器中，建立新的子規(guī)則時(shí)，選擇ug＿point創(chuàng)建概念模型中的點(diǎn)，選擇nx＿line創(chuàng)建概念模型中的直線，選擇ug＿spline＿tru創(chuàng)建概念模型中的樣條線.直線和樣條線表示車身模型中的梁.綜合使用屬性和子規(guī)則可以實(shí)現(xiàn)各種參數(shù)化要求，達(dá)到參數(shù)化建模的目的.

圖3 參數(shù)化車身模型建模方法Fig.3 The modeling method of parametric body

2.4 客車概念模型的參數(shù)管理

BCD系統(tǒng)使用電子表格建立參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，保存和管理各種參數(shù)信息.這些參數(shù)信息通過(guò)UG／Spreadsheet接口導(dǎo)入到BCD系統(tǒng)中，通過(guò)調(diào)用相應(yīng)函數(shù)完成數(shù)據(jù)的讀寫及表單的建立、制作圖表等操作.電子表格中存儲(chǔ)的參數(shù)信息可以分為概念模型幾何信息和用于建立概念模型的有限元模型的信息.概念模型幾何信息包括車身主要尺寸參數(shù)、車身側(cè)圍梁位置、車身頂架梁位置信息、梁截面信息等.用于建立概念模型的有限元模型的信息包括默認(rèn)的載荷值和約束情況、梁?jiǎn)卧畔⒌?在創(chuàng)建參數(shù)化的概念模型時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)已有經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)的重用，將國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和一些學(xué)者的研究結(jié)果作為經(jīng)驗(yàn)，以約束和限制車身參數(shù)的修改范圍.

2.5 車身模板中梁的編輯

2.5.1 梁幾何位置調(diào)整

以梁B121位置調(diào)整的實(shí)現(xiàn)過(guò)程為例，在KF導(dǎo)航器中創(chuàng)建一個(gè)新的屬性b120＿location＿percent，其值為0.5.在KF導(dǎo)航器中創(chuàng)建一個(gè)新的規(guī)則，選擇Class選項(xiàng)中的ug＿point類，編輯其創(chuàng)建規(guī)則為ug＿curve＿askPointOnCurve（B121：，b120＿location＿percent：），將創(chuàng)建的點(diǎn)命名為b121＿p1，并創(chuàng)建其對(duì)稱點(diǎn)b121＿p1＿r，引用這兩個(gè)點(diǎn)創(chuàng)建梁B121.這樣通過(guò)改變屬性b120＿location＿percent的值可以改變點(diǎn)b121＿p1在梁B120上的位置，進(jìn)而改變梁B120的位置.圖4為梁位置調(diào)整示意圖.

2.5.2 梁的增加和刪除功能

BCD系統(tǒng)提供了梁的增加和刪除功能，便于用戶對(duì)模板的調(diào)整.梁的增加功能是通過(guò)增加一個(gè)NX Studio Spline曲線對(duì)象，然后附上相應(yīng)的截面、材料和有限元屬性.

圖4 梁位置調(diào)整Fig.4 Adjust the beam location

3 客車車身結(jié)構(gòu)分析

客車車身結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)系統(tǒng)（BCD）的一個(gè)重要的設(shè)計(jì)理念就是在車身結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)階段引入CAE分析，系統(tǒng)根據(jù)已經(jīng)建立的客車概念車身參數(shù)化模型及用戶輸入的設(shè)計(jì)參數(shù)自動(dòng)生成概念車身有限元模型和載荷及邊界條件[6]，用戶可以根據(jù)需要進(jìn)行車身結(jié)構(gòu)剛度計(jì)算和模態(tài)分析.

車身結(jié)構(gòu)剛度為：在不至于毀壞車身的外力的作用下，車身抵抗彈性變形的能力，是評(píng)價(jià)客車車身性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，對(duì)車身其他性能如NVH性能和車身結(jié)構(gòu)耐久性都有很大影響[7].客車在正常行駛中，受車內(nèi)乘員、貨物等載荷的作用引起車身彎曲變形，形成彎曲工況；在特殊情況下，如汽車單輪懸空、對(duì)角輪騎障等，車身扭轉(zhuǎn)變形，形成扭轉(zhuǎn)工控.車身結(jié)構(gòu)靜態(tài)結(jié)構(gòu)剛度分析包括車身彎曲剛度和車身扭轉(zhuǎn)剛度.

客車車身進(jìn)行彎曲剛度分析時(shí)，可以將車身整體簡(jiǎn)化為一根簡(jiǎn)支梁，對(duì)車架施加垂直載荷，使車身整體彎曲變形，測(cè)量最大撓度值，根據(jù)載荷和該撓度值就可以計(jì)算得到客車車身彎曲剛度.BCD系統(tǒng)使用客車車身在扭轉(zhuǎn)載荷作用下產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)角大小來(lái)評(píng)價(jià)車身扭轉(zhuǎn)剛度，即用單位軸距長(zhǎng)度軸間相對(duì)扭轉(zhuǎn)角評(píng)價(jià)整車的扭轉(zhuǎn)剛度[8－9].BCD系統(tǒng)由式（1）計(jì)算扭轉(zhuǎn)角，由式（2）計(jì)算車身扭轉(zhuǎn)剛度.

式中：θ為車身扭轉(zhuǎn)角；δL，δR分別為加載扭矩后車身左右測(cè)點(diǎn)的撓度；L為左右測(cè)點(diǎn)直接的距離.

式中：GJ為車身的扭轉(zhuǎn)剛度；M為車身所施加的扭轉(zhuǎn)載荷；φ為車身扭轉(zhuǎn)角.

客車在行駛時(shí)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)、路面不平等因素的存在，車身結(jié)構(gòu)會(huì)在這些振源的激勵(lì)下產(chǎn)生振動(dòng)，當(dāng)振源的激勵(lì)頻率接近車身整體或者局部的固有頻率時(shí)，會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象，出現(xiàn)劇烈的振動(dòng)和噪聲，甚至可能造成結(jié)構(gòu)破壞.BCD采用NX Nastran SQL103求解器可計(jì)算100階以下低階模態(tài).

4 客車車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)剛度和模態(tài)綜合多目標(biāo)優(yōu)化，BCD系統(tǒng)綜合了折中規(guī)劃法和評(píng)價(jià)頻率法[10]，采用式（3）作為綜合多目標(biāo)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，綜合了客車整車車身彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度和一階彎曲和扭轉(zhuǎn)模態(tài)4個(gè)目標(biāo).

式（3）中：μ為柔度目標(biāo)函數(shù)的權(quán)重系數(shù)；C1（ρ），C2（ρ） 分別為彎曲工況柔度值和扭轉(zhuǎn)工況柔度值，為對(duì)應(yīng)剛度值的倒數(shù)；分別為彎曲工況柔度的最小值與最大值和扭轉(zhuǎn)工況柔度的最小值與最大值；ω1，ω2分別為彎曲工況和扭轉(zhuǎn)工況的權(quán)重系數(shù).

Λ（ρ），Λmax，Λmin分別為平均頻率、最大頻率和最小頻率值.

在進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，一般要對(duì)客車車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行靈敏度分析，這樣可以掌握車身結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)對(duì)設(shè)計(jì)變量的靈敏度，選擇較靈敏的變量作為優(yōu)化變量.系統(tǒng)采用梯度法進(jìn)行靈敏度計(jì)算，集成了NX的Opt優(yōu)化迭代模塊，優(yōu)化變量可以為厚度和截面形狀因子.

5 設(shè)計(jì)實(shí)例

為了驗(yàn)證BCD系統(tǒng)，下面結(jié)合某款客車的骨架結(jié)構(gòu)和尺寸，采用該系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化過(guò)程，并進(jìn)行結(jié)果對(duì)比與分析.該車身結(jié)構(gòu)初次結(jié)構(gòu)分析結(jié)果如表1所示.與原車分析數(shù)據(jù)相比，分析最大誤差為扭轉(zhuǎn)剛度11.285%，其它誤差均在10%以內(nèi)，主要原因在于概念結(jié)構(gòu)模型省略了一些加強(qiáng)筋所致，導(dǎo)致剛度有所下降.

表1 客車車身結(jié)構(gòu)分析結(jié)果Tab.1 The result of bus body structural analysis

為了實(shí)現(xiàn)車身的輕量化，下面對(duì)車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用的優(yōu)化變量主要是尺寸厚度.優(yōu)化目標(biāo)選用了彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度、一階彎曲模態(tài)和一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)4個(gè)目標(biāo)值，設(shè)定該目標(biāo)值大于當(dāng)前值，即保持目前車身結(jié)構(gòu)性能不減弱.優(yōu)化約束為質(zhì)量小于當(dāng)前質(zhì)量，即車身變輕.在考慮對(duì)稱的情況下，優(yōu)化變量選擇梁B1等23根梁的截面厚度值作為初選優(yōu)化變量，如圖5粗線條梁所示.經(jīng)過(guò)靈敏度分析后，挑選11根影響較大的梁的厚度作為優(yōu)化變量.如圖6所示.

圖5 初選優(yōu)化變量Fig.5 The initial selected design variables

經(jīng)過(guò)15步優(yōu)化迭代后（見圖6），最終的優(yōu)化變量按照客車車架型材規(guī)格要求，重新確定梁截面厚度值見表2.相應(yīng)的設(shè)計(jì)結(jié)果表3.

圖6 最終確定優(yōu)化變量Fig.6 The final selected design variables

圖7 多目標(biāo)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)迭代過(guò)程Fig.7 Bluemonkey iterative process of muti－optimization objective

表2 優(yōu)化設(shè)計(jì)變量值及取用值Tab.2 The optimal design values and use values mm

通過(guò)驗(yàn)證值與優(yōu)化前指標(biāo)進(jìn)行的對(duì)比，結(jié)果顯示彎曲剛度值提高了2.489%，扭轉(zhuǎn)剛度值提高了0.531%，整體扭轉(zhuǎn)振型頻率提高了0.616%，整體彎曲振型頻率降低了0.282%，滿足優(yōu)化目標(biāo)所設(shè)定的值，在車身結(jié)構(gòu)性能不降低的情況下車身質(zhì)量減少17.095kg，達(dá)到了車身減重的目的.優(yōu)化結(jié)束后BCD系統(tǒng)使用優(yōu)化后的尺寸更新設(shè)計(jì)模型并產(chǎn)生車身的實(shí)體模型（見圖7），供后期設(shè)計(jì)使用.

表3 優(yōu)化后設(shè)計(jì)值Tab.3 The design values after optimization

圖8 客車車身實(shí)體模型Fig.8 The solid model of bus body

6 結(jié) 論

基于參數(shù)化模板技術(shù)開發(fā)實(shí)現(xiàn)了基于客車結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的車身結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)與優(yōu)化系統(tǒng)——BCD，實(shí)現(xiàn)了客車車身結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)和優(yōu)化的整個(gè)流程的一體化.這對(duì)于縮短車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)周期和車身輕量化具有實(shí)際意義.通過(guò)對(duì)某型號(hào)客車車身結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行的分析和優(yōu)化，驗(yàn)證了系統(tǒng)的正確性和有效性，該分析結(jié)果也可作為該客車車身后續(xù)設(shè)計(jì)階段的設(shè)計(jì)參考，以指導(dǎo)車身輕量化設(shè)計(jì).

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