基于剛度和強(qiáng)度性能的新能源城市客車車身輕量化研究

林標(biāo)華

摘? 要：建立12米城市客車骨架有限元模型，以剛度和強(qiáng)度性能為評(píng)價(jià)基礎(chǔ)，結(jié)合拓?fù)鋬?yōu)化和尺寸優(yōu)化的方法，并考慮生產(chǎn)及工藝要求，對(duì)車身底骨架進(jìn)行結(jié)構(gòu)和尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)。研究結(jié)果及實(shí)車制造表明，輕量化效果顯著，結(jié)構(gòu)安全可靠，同時(shí)剛度和強(qiáng)度性能得到提升。該優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果為同類車型的輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：新能源城市客車;車身骨架;輕量化;優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：U463.82+2? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B? ? ? 文章編號(hào)：1005-2550（2019）03-0087-05

Abstract： The finite element model for a bus body frame of an 12m city bus is built， based on Stiffness and Strength Performances， combining with the methods of topology optimization and size optimization， considering with the actual production and process requirements， then the structure and size of the body understructure are optimized. The results show that the effect of weight loss is remarkable， safe and reliable ，at the same time， the Stiffness and Strength Performances of bus structure are greatly improved. The results also provide a reference for lightweight optimization design of similar vehicles.

Key Words： new energy city bus; body frame; lightweight; optimal design

以純電動(dòng)和混合動(dòng)力為主的新能源城市客車已逐步替換燃油為燃料的傳統(tǒng)城市客車。而續(xù)航里程是新能源汽車關(guān)注的首要問題。研究車身結(jié)構(gòu)輕量化，降低整備質(zhì)量，是汽車企業(yè)提高續(xù)航里程的主要方法之一。車身骨架是整車主要的承載部件，骨架質(zhì)量在汽車整備質(zhì)量中的比例占30%-40%，一般汽車輕量化主要是指車身結(jié)構(gòu)的輕量化[1-3]。應(yīng)用輕質(zhì)材料、優(yōu)化設(shè)計(jì)以及輕量化制造工藝是車身結(jié)構(gòu)輕量化的三條主要途徑。車身骨架輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)主要是綜合拓?fù)鋬?yōu)化、形貌優(yōu)化和多目標(biāo)優(yōu)化等結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法來改變骨架的材料、結(jié)構(gòu)和尺寸，在保證其性能的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)減重的目的[4-5]。本文將介紹城市客車車身結(jié)構(gòu)輕量化的研究方法和思路，為同類客車車身結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)提供參考。

本文選取一款成熟的12米鋁合金車身純電動(dòng)公交車，車身骨架五大片為鋁合金材料，而底骨架為傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)材料。應(yīng)用鋁合金材料后，整車已減重約560Kg。車身五大片骨架已經(jīng)過材料輕量化（鋁合金）和結(jié)構(gòu)輕量化的方法實(shí)現(xiàn)減重，現(xiàn)需要對(duì)車身底骨架鋼結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)一步發(fā)掘輕量化的潛力?，F(xiàn)以實(shí)際車型的改進(jìn)設(shè)計(jì)為實(shí)例講解輕量化設(shè)計(jì)的方法和思路。

1? ? 建模

在UG中建立整車三維CAD幾何模型，再將模型導(dǎo)入到Hypermesh中，建立整車有限元CAE模型。如圖1所示為白車身CAE有限元模型。

2? ? 基于剛度性能的評(píng)價(jià)

設(shè)置相關(guān)計(jì)算參數(shù)及邊界條件，借用OptiStruct求解器計(jì)算整車原始剛度性能參數(shù)。

2.1? ?彎曲剛度

如圖2所示為集中力作用于簡(jiǎn)支梁時(shí)，其彎曲變形示意圖。當(dāng)客車車身作用有對(duì)稱垂直載荷時(shí)，結(jié)構(gòu)處于彎曲工況，其整體彎曲剛度可以有車身最大垂直擾度來評(píng)價(jià)[6-7]。此時(shí)客車車身骨架的整體彎曲剛度K為：

參照以上所述的彎曲剛度計(jì)算方法，結(jié)合實(shí)際情況，選擇整車模型為研究對(duì)象，設(shè)置相關(guān)載荷及邊界約束。經(jīng)計(jì)算獲得該車的整體彎曲剛度為：19.0×106N×m2。

2.2? ?扭轉(zhuǎn)剛度

當(dāng)客車行駛于不平路面上，車輪不同時(shí)碰撞到障礙物時(shí)，車身上受到左右非稱垂直載荷的作用，車身結(jié)構(gòu)處于扭轉(zhuǎn)工況，產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，此時(shí)客車車身結(jié)構(gòu)應(yīng)有足夠的扭轉(zhuǎn)剛度來抵抗變形[8]。一般計(jì)算前扭轉(zhuǎn)剛度和后扭轉(zhuǎn)剛度。

以前扭轉(zhuǎn)剛度為例，流程：（1）選擇整車白車身骨架為研究對(duì)象。（2）約束后懸左右懸架安裝位置的中點(diǎn)。（3）在前懸架左右安裝點(diǎn)施加垂直載荷，載荷大小數(shù)值相同方向相反。（4）利用左右懸架安裝的支點(diǎn)Z向變形量計(jì)算整體的扭轉(zhuǎn)剛度GJ，如式（3）、式（4）。

式中，δL是前懸架左支點(diǎn)的測(cè)點(diǎn)Z向變形量，δR是前懸架右支點(diǎn)Z向變形量，T是施加的載荷，X是后懸支撐點(diǎn)到測(cè)點(diǎn)的距離，B是左右施力點(diǎn)的間距。

根據(jù)以上方法，獲得該車的前扭轉(zhuǎn)剛度為：9.11×106N×m2/rad。同理后扭轉(zhuǎn)剛度為：

8.32×106N×m2/rad。

3? ? 基于強(qiáng)度性能的評(píng)價(jià)

3.1? ?載荷提取

在HyperWorks 軟件的多體仿真模塊 MotionView中建立前、后懸架系統(tǒng)模型，通過添加工況條件和輸出項(xiàng)，計(jì)算懸架系統(tǒng)施加在車身上的作用力及力矩，為靜強(qiáng)度分析提供載荷輸入[9-10]。

因此，在MotionView中建立前、后懸架系統(tǒng)模型，結(jié)合實(shí)際情況，對(duì)各工況設(shè)置不同參數(shù)，計(jì)算獲取懸架系統(tǒng)與車身連接點(diǎn)的載荷。

流程：（1）根據(jù)實(shí)際情況簡(jiǎn)化模型。（2）借鑒MotionView模型庫(kù)中的模型，選擇相應(yīng)的模型模板，在此基礎(chǔ)上改進(jìn)模型。（3）建立前、后懸架動(dòng)力學(xué)模型。（4）校核模型、整車參數(shù)及工況設(shè)置。（5）求解計(jì)算。（6）仿真結(jié)果后處理。如圖3所示為彎曲工況下載荷示意圖。

3.2? ?強(qiáng)度數(shù)據(jù)

客車的使用工況是很復(fù)雜的，主要考慮使用過程中滿載彎曲、極限扭轉(zhuǎn)、緊急制動(dòng)、急轉(zhuǎn)彎等典型工況。在各工況下，骨架最大應(yīng)力需要小于材料的疲勞強(qiáng)度或屈服強(qiáng)度。結(jié)合以上方法，建立整車有限元模型，根據(jù)實(shí)際情況對(duì)整車骨架進(jìn)行配載。借助HyperWorks軟件，對(duì)車身骨架施加MotionView中獲取的邊界載荷，進(jìn)行靜態(tài)強(qiáng)度分析，考察車身骨架的強(qiáng)度性能[11]。

載荷處理：按照實(shí)車情況進(jìn)行配載，配載后模型重量加簧下質(zhì)量達(dá)到整車最大設(shè)計(jì)質(zhì)量。邊界約束：把MotionView中獲得的載荷輸入到強(qiáng)度計(jì)算模型中，利用慣性釋放的方法計(jì)算車身骨架在各工況下的受力情況。

需要保證各工況下整車應(yīng)力水平需滿足材料的疲勞強(qiáng)度或者屈服強(qiáng)度。通過計(jì)算分析，車身骨架變形和應(yīng)力均在允許范圍內(nèi)，并驗(yàn)證本次建模的正確性。

4? ? 基于強(qiáng)度和剛度性能的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法

4.1? ?拓?fù)鋬?yōu)化方法

車身骨架的拓?fù)渲饕捎米兠芏确ㄟM(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過查看材料密度，得到結(jié)構(gòu)的最佳布置方式[12]。

優(yōu)化過程是一個(gè)不斷尋優(yōu)的過程，因此選取可優(yōu)化區(qū)域，分階段拓?fù)?，最終達(dá)到減重目的。本車底骨架斜撐、縱梁、加強(qiáng)梁等位置是拓?fù)鋵?yōu)的重點(diǎn)區(qū)域。

流程：（1）定義拓?fù)鋬?yōu)化區(qū)域。保留底骨架主要的橫梁和縱梁，刪除斜撐、加強(qiáng)梁等，用同等質(zhì)量殼單元的平板來替代該區(qū)域。（2）定義響應(yīng)。定義拓?fù)鋮^(qū)域的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和整車各強(qiáng)度分析工況加權(quán)值為拓?fù)浞治龅捻憫?yīng)。（3）定義約束。把（2）中定義的質(zhì)量分?jǐn)?shù)設(shè)置上限約束。（4）定義目標(biāo)。定義強(qiáng)度分析工況加權(quán)值的最小值作為目標(biāo)。（5）計(jì)算求解。圖4所示為中段底骨架拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果。

根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果，結(jié)合實(shí)際設(shè)計(jì)、工藝、生產(chǎn)進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整后重新計(jì)算拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)后車身骨架的剛度性能數(shù)據(jù)，需要保證優(yōu)化后的骨架彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度值不可低于原始值，最終確定出合適優(yōu)化方案。

4.2? ?尺寸優(yōu)化方法

在尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)中，模型有了初步的幾何形狀、材料類型、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)后進(jìn)行的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，它通過改變結(jié)構(gòu)單元的塑性，如殼單元厚度、橫截面積等達(dá)到一定的設(shè)計(jì)要求[13]。

經(jīng)過拓?fù)鋬?yōu)化，對(duì)底骨架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重新優(yōu)化設(shè)計(jì)，已達(dá)到一定的減重效果。為更進(jìn)一步挖掘輕量化的潛力，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行靈敏度分析，尋求最優(yōu)的梁結(jié)構(gòu)尺寸。同拓?fù)鋬?yōu)化類似，選取可優(yōu)化區(qū)域，分階段尺寸優(yōu)化，最終達(dá)到減重目的。

流程：（1）定義設(shè)計(jì)變量。對(duì)需要尺寸優(yōu)化的梁定義為設(shè)計(jì)變量，優(yōu)化選擇的厚度需要考慮結(jié)構(gòu)和工藝上的可行性。（2）關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)變量與梁?jiǎn)卧獙傩灾g的關(guān)系。（3）定義響應(yīng)。將所有需要尺寸優(yōu)化的梁定義質(zhì)量響應(yīng)及整車各強(qiáng)度工況加權(quán)值響應(yīng)。（4）定義約束。如對(duì)優(yōu)化區(qū)域的質(zhì)量、單元應(yīng)力定義上限約束。（5）定義目標(biāo)。定義各強(qiáng)度工況加權(quán)值的最小值為優(yōu)化目標(biāo)。（6）計(jì)算求解。如圖5所示為中段底骨架尺寸優(yōu)化結(jié)果。

結(jié)合實(shí)際情況對(duì)尺寸優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整后重新計(jì)算優(yōu)化設(shè)計(jì)后骨架的剛度性能數(shù)據(jù)，需要保證優(yōu)化后的骨架剛度值不可低于原始值，最終確定出合適優(yōu)化方案，得到最終模型和減重值。

4.3? ?優(yōu)化效果及現(xiàn)狀

經(jīng)過拓?fù)鋬?yōu)化和尺寸優(yōu)化，結(jié)合生產(chǎn)、工藝等實(shí)際情況，獲得優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)模型。對(duì)優(yōu)化后的模型進(jìn)行剛度和強(qiáng)度性能分析，對(duì)比前后性能的變化。優(yōu)化設(shè)計(jì)后理論上減重約186Kg，如表1所示為輕量化前后性能對(duì)比表。仿真結(jié)果表明，優(yōu)化后的車身骨架的性能參數(shù)略有提高，強(qiáng)度分析也滿足材料設(shè)計(jì)使用要求，從而驗(yàn)證了本次輕量化設(shè)計(jì)的合理性和有效性。

將優(yōu)化后結(jié)果輸出成相應(yīng)設(shè)計(jì)及生產(chǎn)文件資料指導(dǎo)實(shí)際車型的輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)制造。如圖6所示為實(shí)車制造后照片。對(duì)比前后二批同配置純電動(dòng)公交車過線數(shù)據(jù)，最終實(shí)車可以減重178Kg，在誤差范圍內(nèi)基本同理論減重?cái)?shù)據(jù)相符。

當(dāng)前，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的純電動(dòng)公交車已生產(chǎn)制造出400多臺(tái)，服務(wù)于國(guó)內(nèi)大中城市。經(jīng)過市場(chǎng)運(yùn)行檢驗(yàn)反饋，該車型性能優(yōu)越，結(jié)構(gòu)安全可靠，整車質(zhì)量暫無(wú)發(fā)現(xiàn)問題。

5? 結(jié)束語(yǔ)

本文選取12米城市客車為研究對(duì)象，建立車身骨架有限元模型，以剛度和強(qiáng)度作為性能評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)，結(jié)合拓?fù)鋬?yōu)化和尺寸優(yōu)化的方法，并考慮實(shí)際生產(chǎn)及工藝要求，對(duì)車身底骨架進(jìn)行結(jié)構(gòu)和尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)。研究結(jié)果及實(shí)車制造表明，輕量化效果顯著，結(jié)構(gòu)安全可靠，同時(shí)車身骨架的剛度性能得到提升，各工況強(qiáng)度性能也滿足設(shè)計(jì)要求。該優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果為同類車型的輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]牛妍妍.新能源客車輕量化技術(shù)路徑研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2016.

[2]徐志漢，王澤平.純電動(dòng)城市客車車身有限元分析[J].客車技術(shù)與研究，2015（3）：11-13.

[3]劉顯春.純電動(dòng)客車車身骨架多目標(biāo)輕量化設(shè)計(jì)[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2015.

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

[5]黃石華.基于剛度特性的車身結(jié)構(gòu)輕量化研究[D].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2011.

[6]趙振壘，洪金懷等.客車車身靜剛度計(jì)算及測(cè)試方法研究[J].客車技術(shù)與研究，2017（6）：48-51.

[7]那景新，何洪軍，閆亞坤.基于統(tǒng)計(jì)處理的車身彎曲剛度計(jì)算方法[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，9：21-23.

[8]王丹陽(yáng).承載式客車車身結(jié)構(gòu)剛度計(jì)算，方法研究[D].吉林：吉林大學(xué)，2009.

[9]高玉聰.客車空氣懸架多體性能仿真分析[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2013.

[10]王東元.大客車空氣懸架多體動(dòng)力學(xué)及模態(tài)分析[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2015.

[11]沈光烈，謝義杰.慣性釋放法在車輛有限元分析中的應(yīng)用及缺陷[J].客車技術(shù)與研究，2016（5）：1-3.

[12]姜衛(wèi)遠(yuǎn).基于拓?fù)鋬?yōu)化的電動(dòng)汽車先概念車身設(shè)計(jì)方法研究[D].北京：北京理工大學(xué)，2015.

[13]冶志亮.基于被動(dòng)安全性的轎車白車身結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2017.