客車車身結構拓撲優化設計

周 偉，宋學偉

（1.安徽江淮汽車股份有限公司，合肥 230601；2.吉林大學汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130022）

1 概述

現代汽車工程師認為，在車身結構設計的初始階段應引入拓撲優化設計，而不是由經驗來設計或改造結構[1]。拓撲優化設計屬于概念設計范疇，開展于概念設計的早期，為設計者提供合理的結構布局形式。應用拓撲優化技術得到產品的最優拓撲，使材料分布達到最優，可極大地提高材料利用率，從而降低質量優化性能。客車車身是由桿件焊接而成的結構，通過拓撲優化得到車身桿件的布局形式，在車身概念設計階段發揮很好的作用[2]。

車身設計一般以剛度為指標，滿足剛度要求的車身，強度等一般都能滿足要求。所以本文綜合考慮彎曲剛度和扭轉剛度，對大客車車身進行拓撲優化設計，根據拓撲優化結果，完成客車車身骨架桿件的布置。并對拓撲后的車身骨架進行有限元分析，以驗證其性能是否滿足要求。

本文研究的是一款12 m 長、三段式底盤的客車車身。這種車身結構屬于半承載式，把三段式車架與地板結合在一起，經過合理的結構設計使整個底架部分的桿件盡量承受軸向力，從而可以避免采用貫通前后規格很大的縱梁，減少材料使用量，并使承載式車身的各種優良性都能得到很好的體現。

由力學特性可知，桿件軸向承載能力強于非軸向。要保證半承載式車身具有足夠的彎曲剛度和扭轉剛度，車架的縱梁都取得較大。所以彎曲剛度和扭轉剛度是半承載式車身結構的重要指標，只要剛度滿足要求，其強度和疲勞性能一般都能滿足要求。因此，本文對半承載式車身進行拓撲優化設計以剛度作為約束條件[3-5]。

2 拓撲優化設計

2.1 車身拓撲優化空間的建立

優化問題的三要素是設計變量、目標函數和約束函數，根據三要素拓撲優化的數學模型可以表述為[6-9]

設計變量：X=（x1，x2，…xn）T

目標函數：F（X）

約束函數：gj（X）≤0（j=1，2…，m）

hk（X）=0（k=1，2，…，l）

式中：gj（X）表示不等式約束函數；m 為不等式約束的數目；hk（X）表示等式約束函數；l 為等式約束的數目。

拓撲優化首先要建立車身拓撲優化空間，選取盡可能大的區域作為拓撲空間，以充分挖掘拓撲優化的潛力。頂棚有兩個天窗，把整個頂棚作為一個拓撲空間，優化結果處理時再預留天窗的位置；前圍預留前風窗的位置，其余部分作為拓撲優化區域；后風窗相對前風窗要小得多，因此，把整個后圍作為一個拓撲區域，優化結果處理時再預留后風窗的位置；左右側圍構建拓撲區域時預留各側窗的位置，右圍還要預留前門和中門的位置。另外，左右側圍還要預留行李門的位置，其余部分作為優化空間；整個地板作為一個拓撲區域，地板與左右側圍采用共節點的方式連接；三段式底盤的前后段不做拓撲優化設計，主要是由于前后懸架需要復雜工裝模具，費用高，保留三段式底盤的前后段以保證前后懸架的工裝模具不變。車身拓撲優化空間見圖1。

2.2 載荷和約束的處理

客車在行駛過程中最常見的是彎曲工況和彎扭組合工況，因此，以這兩種工況對車身進行拓撲優化設計[10-11]。本文在Hyperworks/Optistruct 模塊中進行拓撲優化設計。

彎曲工況主要模擬客車在水平良好的路面上勻速行駛，客車車身骨架主要承受的載荷是彎曲載荷，車身骨架發生彎曲變形。主要的載荷及加載方式：座椅、乘客的重量以集中載荷的形式施加到車架座椅安裝點附近的節點上；行李的質量以均布載荷的形式加載到行李架上；動力總成的重量以靜力等效的原則加載到相應的節點。約束左后輪支撐點X、Y、Z 三個方向的平動自由度；約束右后輪支撐點X、Z 兩個方向的平動自由度；約束左前輪支撐點Y、Z 兩個方向的平動自由度；約束右前輪Z方向的平動自由度。

彎扭組合工況是客車一個車輪懸空而其它三個車輪著地的工況，這是極其危險的行駛工況，主要模擬客車低速通過崎嶇不平路面的工作情況。此時作用在車架的載荷變化得非常緩慢，客車的慣性載荷很小，車身的受力特性可以看作是靜態的。彎扭組合工況分為左前輪懸空、右前輪懸空、左后輪懸空、右后輪懸空四種工況。本文以右前輪懸空為拓撲優化設計工況，載荷和彎曲工況相同，釋放右前輪支撐點處的所有自由度。

2.3 拓撲優化計算

以車身質量最小作為目標函數，分別以彎曲剛度和扭轉剛度為約束條件。優化時，對大客車車身前后圍以及地板施加左右對稱約束使拓撲優化結果具有對稱性。利用Hyperworks OptiStruct 模塊進行拓撲優化計算，車身主要部分的優化結果如圖2-圖6 所示。

從優化結果可以看出，載荷多的地方材料保留較多，載荷少的地方材料保留較少；載荷路徑明顯，左右側圍有幾根明顯的大梁，且大多數都與裙部立柱相接，這樣便于力的傳遞，不容易產生應力集中。整體上看拓撲優化的結果比較合理，力的傳遞路徑明顯，但在某些局部區域也有不夠合理的，如有些地方雖然保留了材料，但這些材料卻沒有和周圍的連接在一起，這樣就不能有效地進行力的傳遞，需要進行一定的處理。

2.4 拓撲優化結果處理

根據拓撲優化結果確定車身骨架結構，構造新客車車身結構時參照原車身骨架構件，依據原車身骨架桿件的截面參數確定新車身骨架桿件的截面參數。對拓撲優化結果處理時要遵循一定的原則，使新車身構件易于加工，保證新車身骨架整體受力協調。后圍在拓撲優化設計中沒有保留明顯的材料，這是由于拓撲優化是基于彎曲剛度和扭轉剛度設計的，說明后圍結構對車身彎曲剛度和扭轉剛度的影響很小，構建后圍主要考慮后風窗玻璃的安裝和保持整個車身骨架結構的協調性，得到新車身骨架如圖7 所示。從圖7 中可以看出，新車身骨架與原車身有較大的差別，主要體現在原車身骨架頂棚是由4 根縱梁和橫梁組成的格柵結構，新車身骨架頂棚沒有縱梁而是由斜梁組成的交叉結構，新車身骨架左右側圍裙部的支撐梁比原車身的密集。

2.5 新車身有限元分析

拓撲后新車身骨架的質量比原車身骨架降低241 kg。對新車身骨架進行有限元分析，以驗證新車身彎曲剛度、扭轉剛度和模態是否符合要求。拓撲前后車身的基本性能見表1。

表1 拓撲前后車身的基本性能

從表1 中看出，拓撲后的新車身骨架一階扭轉頻率和一階彎曲頻率提高明顯，說明新車身骨架的動態性能較好；彎曲剛度和扭轉剛度有所下降，但仍在滿足要求的范圍內。

3 結束語

以某大客車車身的初步設計和總布置為依據，以Hyperworks 軟件為平臺，建立了客車車身拓撲優化模型。以車身質量最小為目標，以彎曲剛度和扭轉剛度為約束條件，對車身進行拓撲優化設計，依據拓撲結果構建客車車身，使新車身桿件布局更加合理，提高材料利用率，輕量化效果顯著。并對拓撲后的車身與原車身進行性能對比分析，結果表明，拓撲優化設計是可行和有效的。

[1]Fukushima J.Shape and Topology Optimization of a Car Body with Multiple Loading Condtion-S[J].SAE Paper，2002.

[2]雷明準，陳劍，陳心昭，等.靈敏度分析方法在車身輕量化中的應用[J].汽車工程，2009，31(7)：682-685.

[3]張焱，姚成.客車車身骨架結構優化設計與先進技術應用[J].客車技術與研究，2007，29（2）：22-24.

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