基于模塊分組與重構(gòu)的客車車身尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

朱銘

摘 要：客車車身尺寸優(yōu)化，是程序具體操作與管理的主要方式。為此，本文結(jié)合常規(guī)客車車身尺寸模塊分組與重構(gòu)的相關(guān)理論，著重通過結(jié)構(gòu)劃分、靈敏度評估等方面，探索客車車身尺寸優(yōu)化實(shí)踐要點(diǎn)，以達(dá)到明晰實(shí)踐條件，促進(jìn)國內(nèi)汽車生產(chǎn)技術(shù)手段不斷革新的目的。

關(guān)鍵詞：模塊分組與重構(gòu) 客車車身 尺寸優(yōu)化

1 引言

客車骨架結(jié)構(gòu)的調(diào)整，不僅可以降低客車運(yùn)行中的壓力，還可以降低客車行駛過程中的資源損耗，它是汽車結(jié)構(gòu)體系在日常應(yīng)用過程中不斷進(jìn)行優(yōu)化的具體方法。為了將客車結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整特征很好的體現(xiàn)出來，就需要在汽車技術(shù)開發(fā)過程中不斷的進(jìn)行結(jié)構(gòu)的對應(yīng)調(diào)節(jié)。

2 客車車身尺寸模塊分組與重構(gòu)

關(guān)于客車車身的探究，一般采取建模模擬、骨架基本性能評估法尋求問題產(chǎn)生的因素，再對應(yīng)給予優(yōu)化方法，本次進(jìn)行內(nèi)容系統(tǒng)化探索時(shí)，也是按照這一思路進(jìn)行。

2.1 仿真模型構(gòu)建與性能研究

按照普通客車車身結(jié)構(gòu)，在模型內(nèi)建設(shè)抽取中面、幾何清理、網(wǎng)絡(luò)劃分、部件連接、單元質(zhì)量分析五個(gè)部分[1]。同時(shí)，采用RBE2單元模式，將各個(gè)模型體進(jìn)行建設(shè)，從而形成四面體和三角形結(jié)構(gòu)。

客車車身骨架部分的分析，主要包括自由模型形態(tài)、彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度、以及車身骨架日常應(yīng)用期間的典型工況四部分，其中車身骨架日常應(yīng)用期間的典型工況包括左右彎折、骨架制動(dòng)等內(nèi)容。

2.2 客車車身模塊分組與重構(gòu)

模塊分組與重構(gòu)分析時(shí)，應(yīng)結(jié)合客車車身骨架的基本體系，將相關(guān)分析要點(diǎn)進(jìn)行綜合整理：

2.2.1 依據(jù)方鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分

客車車身骨結(jié)構(gòu)中，方鋼是其中最主要的支撐框架，如果方鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用時(shí)，在材質(zhì)、同截面厚度、以及結(jié)構(gòu)體系的對稱性、承載能力等方面均處于相似狀態(tài)，說明此時(shí)客車車身骨架的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較高。反之，說明客車車身骨架體系結(jié)構(gòu)部分的穩(wěn)定性相對較低，后續(xù)實(shí)行方鋼結(jié)構(gòu)調(diào)控與操作的效果作不佳。但從模擬仿真的反饋而言，當(dāng)前客車車身骨架中80%為四面體，20%為三角形[2]。相比之下，四面體的穩(wěn)定性要遠(yuǎn)不如三角形的穩(wěn)定性高，為此，如果單純依靠方鋼結(jié)構(gòu)作為客車車身骨架的支撐，客車運(yùn)行期間的平穩(wěn)度自然要相對較低。

2.2.2 車身結(jié)構(gòu)靈敏度分析

客車車身骨架結(jié)構(gòu)的尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)要點(diǎn)的探索，也可以通過模塊方鋼的界面壁厚度、方鋼結(jié)構(gòu)的彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)彎度、以及方鋼質(zhì)量方面條件進(jìn)行分析。

從客車車身骨架尺的仿真結(jié)構(gòu)分析而言，當(dāng)車身方鋼界面的厚度增加時(shí)，車身骨架部分的靈敏度就會(huì)出現(xiàn)明顯的下降趨勢，但此時(shí)方鋼骨架結(jié)構(gòu)的彎度剛度卻明顯提升，扭轉(zhuǎn)彎度的支撐強(qiáng)度也會(huì)明顯提升。同時(shí)，當(dāng)客車車身骨架部分質(zhì)量產(chǎn)生變化，模塊結(jié)構(gòu)部分的密度等因素控制不到位時(shí)，方鋼框架扭轉(zhuǎn)彎度、剛度等都會(huì)出現(xiàn)弱化的趨勢，但此時(shí)與方鋼框架內(nèi)壁的厚度之間關(guān)聯(lián)不大。

2.2.3 方鋼模塊密度的分析

方鋼作為客車車身結(jié)構(gòu)的主要支撐體系，其結(jié)構(gòu)實(shí)際運(yùn)行與操作期間，如果模塊部分骨架的密度控制得當(dāng)，模塊各個(gè)部分的方鋼在車身整體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，產(chǎn)生位移的可能性就會(huì)大大降低。同時(shí)，仿真分析過程中發(fā)現(xiàn)，分析條件與彎鋼之間的位移方向變化之間也有著一定的相似之處。當(dāng)軸運(yùn)轉(zhuǎn)方向與扭轉(zhuǎn)條件之間不相對應(yīng)，客車車身進(jìn)行空間調(diào)整后，材料密度分析部分變頻條件也將隨之發(fā)生改變。

3 基于模塊分組與重構(gòu)的客車車身尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 方鋼結(jié)構(gòu)環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)

客車車身骨架尺寸部分的優(yōu)化調(diào)節(jié)，是為了進(jìn)一步減小汽車運(yùn)行過程中的沖擊力，保障客車運(yùn)行期間的穩(wěn)定程度，但若直接從客車車身骨架方鋼結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行調(diào)節(jié)，極易出現(xiàn)尺寸縮減，但汽車穩(wěn)定性較低的狀況。為此，在模塊分組與重構(gòu)具體工作安排時(shí)，就應(yīng)該著重通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方式，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性和骨架結(jié)構(gòu)部分的對應(yīng)化調(diào)節(jié)[3]。

比如，以上述客車車身骨架仿真虛擬模型為例，將具體的實(shí)踐要點(diǎn)歸納如下：（1）將客車車身骨架中車頭與車身部分分開重組;（2）車頭部分保留主方鋼四面體框架，剩余非核心部分采取間隔壓縮法，從尺寸上進(jìn)行縮減。同時(shí)，間隔性縮減方式的調(diào)整，主要是將四面體轉(zhuǎn)變?yōu)槿切?，因而，客車車身骨架調(diào)節(jié)后的穩(wěn)定性將不會(huì)產(chǎn)生較大的負(fù)面變化。（3）車身部分進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，可借鑒車頭部分方鋼?的壓縮方式，實(shí)行各項(xiàng)客車操控因素的對應(yīng)式調(diào)節(jié)。但車身部分與車頭部分主要區(qū)別在于，后者重組時(shí)分析的重力強(qiáng)度就是后續(xù)應(yīng)用時(shí)的強(qiáng)度，而前者需要在后續(xù)應(yīng)用時(shí)又一個(gè)重力承載方面的相應(yīng)調(diào)節(jié)。為此，車身部分的尺寸調(diào)節(jié)與規(guī)制，在于做好結(jié)構(gòu)承載體系部分的優(yōu)化調(diào)配。即，它是一個(gè)可變動(dòng)的數(shù)據(jù)空間。

客車車身骨架部分承載能力的詳細(xì)分析與最優(yōu)化調(diào)節(jié)，首先是要考慮客車車身骨架變化產(chǎn)生的承載結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的分析。其次是從客車車身骨架的基礎(chǔ)調(diào)控的重力承載壓力可變動(dòng)空間方面進(jìn)行探究，兩種因素缺一不可。

3.2 車身靈敏度調(diào)節(jié)優(yōu)化

客車車身骨架尺寸優(yōu)化之時(shí)，結(jié)合模塊分組與重構(gòu)的理論進(jìn)行梳理分析，可從車身骨架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析的角度上尋求探索的要點(diǎn)。

其一，客車車身部分內(nèi)部厚度越高，整體結(jié)構(gòu)就越顯得笨重，實(shí)際操作時(shí)的靈敏度就會(huì)大大降低。為適應(yīng)當(dāng)前客車車身骨架尺寸優(yōu)化的需要，針對框架體系進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，可將客車車身骨架部分的內(nèi)壁厚度控制在最小變化范圍之內(nèi)。比如，本次仿真分析發(fā)現(xiàn)，普通客車車身骨架的內(nèi)壁厚度在3-5mm之間，客車車身骨架部分結(jié)構(gòu)的重力承載能力即可達(dá)到最佳。此時(shí)客車車身骨架不僅滿足了車身整體承載能力好的優(yōu)勢，更能夠保障客車車身骨架的靈敏度。

其二，客車車身部分設(shè)計(jì)靈敏度調(diào)節(jié)期間，也可依據(jù)彎折度、扭轉(zhuǎn)彎度等方面，對客車車身結(jié)構(gòu)的靈活程度進(jìn)行相應(yīng)判斷。比如，客車車身骨架結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)期間，為避免模塊分組與重構(gòu)部分車身尺寸變化對其結(jié)構(gòu)造成的影響，實(shí)際操作過程中，可通過彎折度、扭轉(zhuǎn)彎度的分析，對客車車身骨架的尺寸進(jìn)行優(yōu)化，繼而達(dá)到各項(xiàng)因素有序化調(diào)節(jié)的效果。同時(shí)，依據(jù)當(dāng)前仿真實(shí)驗(yàn)分析的基本情況來說，當(dāng)車身部分設(shè)計(jì)滿足剛度與扭轉(zhuǎn)度的乘積≥1時(shí)，說明此時(shí)客車車身骨架部分的剛度信息變化已經(jīng)達(dá)到了最優(yōu)狀態(tài);當(dāng)剛度與扭轉(zhuǎn)度的乘積<1時(shí)，說明當(dāng)前客車車身部分的靈敏度就會(huì)大大降低，進(jìn)而也就出現(xiàn)了敏感度與其基本結(jié)構(gòu)不相適應(yīng)問題。為此，借助模塊分組與重構(gòu)的基本理論，對客車車身部分框架結(jié)構(gòu)逐步進(jìn)行優(yōu)化的過程，也就實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)控制與操控模式相互協(xié)調(diào)的狀態(tài)了。

3.3 密度因素的調(diào)控

客車車身尺寸靈活設(shè)計(jì)，在于結(jié)合基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行密度要部分的對應(yīng)調(diào)節(jié)，盡量減少汽車車身優(yōu)化期間，密度因素對車身的靈活程度產(chǎn)生負(fù)面干擾。

其一，依據(jù)骨架質(zhì)量分析法，分別將客車車身部分的骨架定為未知數(shù)，并將其放置在密度、模塊等效、以及方向軸位移分析結(jié)構(gòu)之內(nèi)，依據(jù)質(zhì)量參數(shù)的變化趨勢，確定方向軸位移的最大值，并對應(yīng)確定方鋼框架扭轉(zhuǎn)的頻率。當(dāng)兩者之間的數(shù)據(jù)差異控制到最低時(shí)，說明此時(shí)客車車身框架部分的優(yōu)化調(diào)控效果最佳。

其二，客車車身密度因素調(diào)節(jié)時(shí)，關(guān)于骨架日常應(yīng)用期間的典型工況的調(diào)節(jié)，也是車身密度控制中不可忽視的內(nèi)容。一方面左右彎折調(diào)節(jié)時(shí)，客車車身部分框架密度也將發(fā)生變化，此時(shí)客車部分的密度調(diào)節(jié)效果就可以達(dá)到最佳;另一方面，客車車身骨架制動(dòng)部分的靈活度分析，也是客車操控過程中不可缺少的一部分。骨架結(jié)構(gòu)得以靈活式調(diào)節(jié)，與客車骨架尺寸調(diào)控不當(dāng)之間產(chǎn)生了諸多相似之處。當(dāng)骨架結(jié)構(gòu)相應(yīng)發(fā)生改變時(shí)，客車車身為了降低骨架短小而造成的坍塌情況，自然是要通過現(xiàn)有框架重力調(diào)節(jié)的方式進(jìn)行調(diào)整，但隨著現(xiàn)有骨架部分所擁有的穩(wěn)定度逐步減弱，想要避免結(jié)構(gòu)坍塌，就需要一個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行輔助。在模塊分組與重構(gòu)因素分析期間，客車因素要點(diǎn)的對應(yīng)調(diào)整與優(yōu)化安排時(shí)，若能夠在前期就針對材料質(zhì)量密度層面的問題給予對應(yīng)調(diào)節(jié)，則后續(xù)出現(xiàn)左右彎折、骨架結(jié)構(gòu)制動(dòng)體系局部坍塌的問題就會(huì)大大減少，從而也就出現(xiàn)了制動(dòng)組織體系運(yùn)行操控靈活程度增加，穩(wěn)定性適當(dāng)調(diào)節(jié)的效果了。

3.4 其他模塊調(diào)節(jié)法

除了以上提到的針對客車結(jié)構(gòu)操控管理的基本情況進(jìn)行相應(yīng)調(diào)節(jié)，還可以通過局部操控與管理的方法解決問題。即，為確保模塊分組與重構(gòu)的客車車身尺寸優(yōu)化效果達(dá)到最佳，后續(xù)進(jìn)行模塊分組調(diào)節(jié)時(shí)，也需要有序進(jìn)行分組因素的對應(yīng)調(diào)控與最優(yōu)化安排。比如，常見的局部邊緣調(diào)節(jié)法。某客車車身部分局部區(qū)域產(chǎn)生了嚴(yán)重的磨損、亦或者是局部發(fā)生位移，則后續(xù)進(jìn)行多重因素調(diào)節(jié)時(shí)，可以結(jié)合項(xiàng)目操控的基本結(jié)構(gòu)，進(jìn)行邊緣因素對應(yīng)調(diào)節(jié)，這也是基于模塊分組與重構(gòu)的客車車身尺寸優(yōu)化形式。

4 結(jié)論

綜上所述，基于模塊分組與重構(gòu)的客車車身尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)分析，是當(dāng)代汽車加工與生產(chǎn)手段實(shí)踐中優(yōu)化的理論歸納。在此基礎(chǔ)上，本文通過方鋼結(jié)構(gòu)環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)、車身靈敏度調(diào)節(jié)優(yōu)化、密度因素的調(diào)控、其他模塊調(diào)節(jié)法等方面，明確基于模塊分組與重構(gòu)的客車車身尺寸優(yōu)化形式。因此，文章研究結(jié)果，將為國內(nèi)汽車生產(chǎn)技術(shù)提供新思路。

參考文獻(xiàn)：

[1]王文甲.基于模塊分組與重構(gòu)的客車車身尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].客車技術(shù)與研究，2020，42（02）：23-25+44.

[2]范體強(qiáng)，周松，高翔，等.電動(dòng)客車結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和安全性能優(yōu)化分析[C]. 中國汽車工程學(xué)會(huì).中國汽車工程學(xué)會(huì)：中國汽車工程學(xué)會(huì)，2019：229-234.

[3]王晶.某純電動(dòng)客車骨架結(jié)構(gòu)有限元仿真分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].吉林大學(xué)，2018.