結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化與客車車身優(yōu)化設(shè)計

【摘要】客車車身在客車中不僅起覆蓋件的作用，還承擔(dān)了客車一部分的載荷，因此結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化對客車的設(shè)計中有著重要的意義。通過先介紹結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的基本理論， 然后在某客車車身概念設(shè)計階段引入拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計方法，達(dá)到優(yōu)化性能、降低質(zhì)量的目的。

【關(guān)鍵詞】拓?fù)鋬?yōu)化;車身結(jié)構(gòu);優(yōu)化設(shè)計;客車

1.引言

汽車已經(jīng)成為當(dāng)前國民經(jīng)濟的重要支柱產(chǎn)業(yè)，隨著社會對汽車的服務(wù)領(lǐng)域和多樣化要求越來越高，車身作為汽車外觀的直接表現(xiàn)，成為吸引市場的重要因素，在汽車設(shè)計中已經(jīng)逐步處于主導(dǎo)的地位。據(jù)統(tǒng)計，客車、轎車和多數(shù)專用汽車的車身質(zhì)量約占整車質(zhì)量的40%以上，貨車的車身質(zhì)量約占整車質(zhì)量的20%以上，車身的設(shè)計及制造成本在汽車總成本中占有相當(dāng)大的份額。因此，僅從這個意義上來衡量汽車車身，其經(jīng)濟效益也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它方面。國內(nèi)外汽車生產(chǎn)的實踐一再表明：整車生產(chǎn)能力的發(fā)展取決于車身，在基本車型達(dá)到飽和的情況下，只有依賴車身改型或改裝才能打開銷路。輕量化設(shè)計可以提高車輛的動力性能，降低能源消耗，成為汽車設(shè)計需要考慮的主要因素之一。拓?fù)鋬?yōu)化方法是結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中有力的工具，并在汽車優(yōu)化設(shè)計中大量應(yīng)用。客車車身在客車中不僅起覆蓋件的作用，還承擔(dān)了客車一部分的載荷，因此對客車的設(shè)計中有著重要的意義。

2.拓?fù)鋬?yōu)化理論

結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化是近20年來從結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究中演化出來的一個重要分支。結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化研究在國內(nèi)起步較晚，而國外早在上個世紀(jì)初就已經(jīng)開始了，我們國家是從上個世紀(jì)八十年代才開始結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化領(lǐng)域的研究和探討工作。目前，國內(nèi)外學(xué)者研究的重點主要是連續(xù)體結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計。在這一領(lǐng)域的研究方向主要有兩個，局部應(yīng)力約束下的強度拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計在國內(nèi)研究較多，國外則是偏重于全局體積約束下結(jié)構(gòu)的剛度拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計。從20世紀(jì)80年代末期以來，產(chǎn)生了許多拓?fù)鋬?yōu)化理論和方法。其中，較為流行的有均勻化方法和人工材料密度方法。

2.1 均勻化方法

均勻化方法是M.P.Bendsoe和N.Kikuchi于1988年提出的一種拓?fù)鋬?yōu)化方法，此方法求解拓?fù)鋬?yōu)化問題分為三個步驟：①以復(fù)合材料力學(xué)為基礎(chǔ)，由最小勢能原理出發(fā)并結(jié)合均勻化理論的微元體假設(shè)，求得結(jié)構(gòu)的均勻化彈性張量國品（z）。②采用一定的優(yōu)化方法更新設(shè)計變量，并保證計算過程的收斂性和穩(wěn)定性。③用有限元方法求解結(jié)構(gòu)位移場和其他性能指標(biāo)。其中尤以均勻化彈性張量的求解最為復(fù)雜。

2.2 人工材料密度方法

人工材料密度方法（如圖1所示）最初由M.P.Belldsoe、G.I.N.Rozvany等提出，后來經(jīng)過Osigmund等的努力得到了進(jìn)一步發(fā)展。基于人工材料密度方法的思想和前提是：①在離散單元內(nèi)部的材料屬性為常數(shù)，設(shè)計變量定義為離散單元的相對密度，用r來表達(dá)，設(shè)原始設(shè)計單元密度為島，優(yōu)化后單元密度為p，則存在關(guān)系式：p=xp。②單元材料屬性隨著單元相對密度的變化而變化，并且是與單元相對密度成指數(shù)變化關(guān)系。設(shè)E0和E分別為單元初始彈性模量和優(yōu)化后彈性模量，則存在關(guān)系式：E=xpE0，磊，同樣設(shè)k0和ke分別是結(jié)構(gòu)單元初始剛陣和優(yōu)化后的剛陣，則可推得關(guān)系式：ke=xpk0，p為懲罰權(quán)因子，選擇懲罰因子的目的是對中間密度單元項進(jìn)行懲罰，以盡量減少結(jié)構(gòu)中間密度單元的數(shù)目，使結(jié)構(gòu)單元密度盡可能為0或l。

3.車身結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的一般流程

3.1 問題的提出

優(yōu)化問題貫穿在概念設(shè)計到細(xì)節(jié)設(shè)計整個過程的各個階段。其目標(biāo)是開發(fā)出一種新型的車身結(jié)構(gòu)，在承受相同載荷的情況下，使用材料達(dá)到相對較少的水平。

3.2 優(yōu)化問題的設(shè)定

優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)：min mass。即，使車身重量達(dá)到最小化。當(dāng)車身重量最小時，其材料用量也為最小。

約束條件為：1）能承受既定的扭轉(zhuǎn)和彎曲;2）剛度達(dá)到既定的要求;3）第一階到第四階固有頻率小于要求的值。

約束條件的處理方法可采用具體位置位移的測量量小于規(guī)定的要求。具體的做法為：在受動態(tài)彎矩和扭矩的作用下，位移最大點小于標(biāo)準(zhǔn)所要求的值。在靜載的狀態(tài)下，剛度所在的軸向位移小于標(biāo)準(zhǔn)所要求的值。在既定的約束情況下，固有頻率值小于既定的值。

應(yīng)用的方法：設(shè)計空間范圍是整車輪廓以及固定的被包裹的子系統(tǒng)構(gòu)筑的空間，載荷由分析確定;結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化（topology optimization）技術(shù)用于創(chuàng)建初始的概念設(shè)計;概念設(shè)計中考慮可加工制造性;尺寸/形狀優(yōu)化（Size/Shape optimization）用于轉(zhuǎn)化概念設(shè)計。

3.3 設(shè)計空間和載荷的確定

依據(jù)已有的客車參數(shù)得到客車車身的CAD模型，并對車身幾何模型進(jìn)行簡化。對客車模型進(jìn)行有限元的建模，金屬板件之間的點焊連接、少數(shù)螺栓連接采用梁單元模擬;保留尺寸較大的孔，忽略細(xì)微局部結(jié)構(gòu)特征，如尺寸較小的孔、倒圓倒角、加強筋等。離散車身結(jié)構(gòu)幾何模型，得到白車身有限元模型（已隱藏網(wǎng)格）（如圖1所示）。客車車身的載荷由ADAMS進(jìn)行多體動力學(xué)仿真得到，將仿真數(shù)據(jù)加載在有限元模型上。根據(jù)設(shè)計需要，將客車車身定義為優(yōu)化區(qū)域，其余位置，如底板等不作處理。

圖1 離散車身結(jié)構(gòu)有限元模型

3.4 結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化

利用人工材料密度方法對客車車身進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，為下一步的優(yōu)化確定拓?fù)淇臻g。拓?fù)涞慕Y(jié)果如圖2所示。

圖2 拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

3.5 概念設(shè)計

提取拓?fù)湓O(shè)計后的節(jié)點坐標(biāo)值，利用逆向工程得到CAD模型。并考慮工藝性等問題，修改客車車身的CAD模型。并將此模型劃分有限元網(wǎng)格。得到的CAD模型如圖3所示。有限元模型如圖4所示。

圖3 CAD模型

圖4 有限元模型

3.6 尺寸和形狀優(yōu)化

尺寸優(yōu)化的設(shè)計變量為殼單元的厚度以及梁管料的截面形狀。將個管件截面的長度和寬度、厚度設(shè)為設(shè)計變量后（如圖5所示），利用morphing技術(shù)和參數(shù)優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化。并將得到的結(jié)果導(dǎo)出節(jié)點信息，利用逆向工程得到車身的具體形狀，得到的結(jié)果如圖6所示。

圖5 尺寸優(yōu)化的設(shè)計變量為殼單元管件

圖6 新車身結(jié)構(gòu)

4.結(jié)語

客車的輕量化對客車有著重要的意義，但由于成本、制造工藝、環(huán)保等方面的原因，對于大型客車等車輛較難實現(xiàn)， 因此結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計將成為車輛輕量化最重要的手段， 具有廣泛的應(yīng)用前景。本文以某大客車車身的初步設(shè)計和總布置為依據(jù)，以CAD等 軟件為平臺，建立了客車車身拓?fù)鋬?yōu)化模型。根據(jù)汽車車身結(jié)構(gòu)的特點，參照拓?fù)鋬?yōu)化準(zhǔn)則法，提出客車車身的優(yōu)化流程，包括拓?fù)鋬?yōu)化及尺寸、形狀方法。經(jīng)有限元分析，優(yōu)化的結(jié)果均滿足實際需要。利用優(yōu)化算法縮短了客車車身開發(fā)的時間，節(jié)省了經(jīng)費，并設(shè)計出了較為合理的車身結(jié)構(gòu)，為工程師的進(jìn)一步設(shè)計提供了新的思路和可靠的依據(jù)。拓?fù)鋬?yōu)化分析方法為車身結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了一種可行的分析方法，不失為一種有效的方法。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：李禹琪（1992—），四川綿陽人，大學(xué)本科，現(xiàn)就讀于西華師范大學(xué)，研究方向：CAD結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化。