靈敏度分析的客車車身模塊重構與結構輕量化優化設計

李奇，張勇，張成，周莎（華僑大學機電及自動化學院，福建廈門361021）

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靈敏度分析的客車車身模塊重構與結構輕量化優化設計

李奇，張勇，張成，周莎
（華僑大學機電及自動化學院，福建廈門361021）

摘要：提出基于靈敏度分析的車身模塊重構設計，結合結構優化方法開展客車車身的輕量化設計.通過車身模塊化減少靈敏度分析時的設計維度，并基于各子塊厚度對車身扭轉剛度的靈敏度系數進行車身的模塊重構和結構優化.通過對比優化前后整車的強度，驗證該方法對客車車身輕量化設計的可行性.結果表明：該方法使客車車身的質量降低了460kg，最大應力減少了14.26%，且降低了車身結構優化設計的復雜度.

關鍵詞：靈敏度分析；模塊重構；輕量化；客車車身；結構優化

客車的主要能源是石油，但有研究表明，到2085年世界石油資源將枯竭［1］.對于傳統的內燃機汽車，整車質量每減輕10%，可降低油耗8%左右，降低排放4%左右［2－3］.而客車整車質量中的1/3～1/2為車身質量，因此客車車身輕量化研究具有重要的意義.目前，對客車車身進行輕量化設計主要有兩個途徑：一是選用輕量化材料；二是改進零部件結構和工藝，設計受力承載更為合理的車身結構［4－5］.國內外學者對此也做了大量的研究.張大千等［6］提出了基于靈敏度分析的客車車身骨架輕量化設計的方法；那景新等［7］研究了從構件受力合理的角度實現客車車身骨架的輕量化；孟慶功等［8］通過結構優化實現客車的輕量化設計；Butdee等［9］通過新式的結構設計和新材料達到輕量化的目的.但是這些方法仍存在一些缺陷：使用新材料和改進工藝的方法會增加車身的制造成本；針對客車車身骨架的復雜空間高次超靜定結構的數值優化及結構分析，具有設計維度大、計算成本高的缺點.為了解決這些缺陷，研究者將模塊化的概念引入到客車車身的結構設計中.張玉津等［10］對客車車身的模塊化做了相應的研究，最終把車身骨架分成了40個模塊；戴聲良等［11］根據相似性的原理對客車車身進行了有限度的模塊化；此外，文獻［12－13］也都在汽車模塊化方面進行了相關的研究工作.通過模塊劃分雖然簡化了車身結構，對車身的結構設計具有非常重要的指導作用，但以上的模塊劃分原則仍具有一定的經驗性和局限性.因此，基于以上的研究成果，本文提出了基于靈敏度分析的車身模塊重構與結構優化方法.

1　功能相似性車身模塊化

結合功能相似性原則對6125型客車開展基于車身結構功能相似性原則的車身模塊化設計，從而減少設計變量.傳統的整車車身常劃分為5大主模塊：前圍、后圍、側圍、底架和頂棚.

前、后圍結構簡單，依據對稱及相似性的原則可把前圍分為3個模塊，后圍整體作為1個模塊，如圖1（a）所示.車身側圍依據對稱性及存異性原則將左右兩側對稱的結構歸為同一模塊，中門作為單獨的模塊.此外，兩側中間腰梁和底部縱梁分別作為單獨的模塊.因此，側圍一共分為9塊，如圖1（b）所示.依據對稱性原則，頂棚左右兩根處于對稱位置的縱梁作為一個模塊，其余桿件從前至后分成了6個模塊，共有7個模塊，其模塊分布如圖1（c）所示.

圖1　整車車身的分塊圖Fig.1　Block diagram of the whole vehicle body

圖2　底架分塊圖Fig.2　Chassis block diagram

由于車身底架結構較復雜且許多桿件都是主受力桿件，因此需對底架進行細分.底架先分成4大塊，每一大塊又按照功能相似原則分成若干模塊，如圖2所示.其中：地板分為11模塊；前段分為20模塊；中段分為12模塊；后段分為20模塊；整個底架共分為63模塊.

最終，整個車身分成了83個模塊：頂棚p1～p7；側圍p8～p16；前、后圍p17～p20；底架p21～p83，每個模塊所有桿件的厚度和材料都相同.然而，為了減少設計維度，降低車身輕量化設計的復雜度，需要進一步進行模塊的重構.

2　靈敏度分析和模塊重構設計

2.1 靈敏度分析

選用車身各塊的厚度作為設計變量對整車的扭轉剛度做靈敏度分析.車身各塊的厚度對車身扭轉剛度的靈敏度可以定義為式（1）中：uj為第j個函數，即扭轉剛度的約束函數和目標函數；xi為函數的第i個設計變量.

車身各塊厚度（d）對車身扭轉剛度響應的靈敏度系數，如表1所示.由表1可知：前圍、后圍、頂棚和側圍模塊的靈敏度系數較大（＞0.3），而底架模塊的靈敏度系數普遍偏小（＜0.3）.

表1　各子塊對車身扭轉剛度的靈敏度系數Tab.1　Torsional stiffness sensitivity coefficient for each sub－block of bus body

2.2 基于靈敏度分析的模塊重構設計

通過靈敏度分析得到各模塊厚度對車身扭轉剛度的敏感系數，靈敏度系數的大小能反應各模塊厚度對車身扭轉剛度的敏感程度.因此，基于靈敏度系數（表1）開展了模塊化重構，其流程如圖3所示.

通過模塊合并法對模塊進行重構設計.由表1和圖3可知：模塊p1～p20中，只有頂棚子塊p4和p6的靈敏度系數相近且原始厚度都為1.5mm，所以這兩個模塊可以合并為模塊T1；模塊p21～p83為客車的底架部分，底架中靈敏度系數大于0.3的模塊共有10塊，p43，p52和p53這3個模塊合并為模塊T2；底架中靈敏度系數小于0.3的模塊共有53塊，對靈敏度系數和厚度相差不大的模塊進行合并，如表2所示.

通過模塊重構設計，原車身由83塊減少到51塊，有效地縮減了車身的模塊數量，降低了設計的維度.

圖3　模塊重構設計和結構優化流程圖Fig.3　Flow chart of module reconfiguration design and structure optimization

表2　模塊重構Tab.2　Module reconfiguration

3　整車模塊的結構優化

基于表1的靈敏度系數和模塊的重構設計，明確需要進行結構優化的模塊，并對其開展結構優化，從而最大限度的降低車身的質量，達到輕量化的目的.結構優化流程，如圖3所示.3.1 整車模塊的厚度優化

由表1，2和圖3可以得到整車模塊中需要進行厚度優化的模塊.在保證整車強度達標的情況下，對這些模塊的原始設計厚度進行減薄，如表3所示.表3中：dopt為優化厚度.

表3　模塊的優化厚度Tab.3　Optimized thickness of the module

3.2 車身冗余結構的優化

頂棚各模塊的編號為p1～p7，側圍、前圍和后圍各模塊的編號為p8～p20.由表1可知：模塊p4和p6的靈敏度系數小于0.3，可對其進行結構優化；除模塊p19，其余模塊的靈敏度系數都大于0.3，基于結構優化原則暫不對這些模塊進行結構優化.其中，模塊p19雖然靈敏度系數小于0.3，但因其結構較為簡單也不進行結構優化.刪除非主受力的冗余桿件，如圖4所示.

3.3 底架冗余結構的優化

底架各模塊的編號為p21～p83.由表1可知：底架模塊的靈敏度系數普遍較小，具有極大的結構優化空間.底架中段的初始結構，如圖5（a）所示，底架中段支撐桿的靈敏度系數較小，說明底架中段支撐桿對車身扭轉剛度不敏感.因此，對圖5（a）中矩形圈中的小角度斜撐，短橫梁和縱梁這些非主受力桿件進行刪除，并對其中橢圓處的大角度斜撐進行改進，優化改進后底架中段的結構，如圖5（b）所示.

由表1可知：底架后段和前段的各模塊靈敏度系數都小于0.3，有很大的結構優化空間.底架后段的初始結構和優化后的結構，如圖6所示.底架前段的初始結構和優化后結構，如圖7所示.

圖4　頂棚結構優化Fig.4　Ceiling structure optimization

圖5　底架中段結構優化Fig.5　Middle chassis structure optimization

圖6　底架后段結構優化Fig.6　Later chassis structure optimization

圖7　底架前段結構優化Fig.7　Front chassis structure optimization

由表1可知：底架地板的靈敏度系數大多在可優化范圍內.原設計為加強地板的強度，桿件之間增加了過多的支撐桿，如圖8（a）所示.因此，需要對整個地板進行結構優化，優化結果如圖8（b）所示.

圖8　地板結構優化Fig.8　Floor structure optimization

通過車身各模塊的結構優化后，車身質量進一步降低，由2.782t下降到2.322t.整車總質量下降了16.53%，降幅明顯，達到了輕量化設計的目的.

4　模塊化車身結構的強度驗證

在現代客車車身結構設計中，強度分析始終貫穿于車身結構設計的整個過程.因此，在客車車身的輕量化設計中，需要考慮車身的結構強度.結合強度分析驗證改進車型的合理性.原車型為某公司6125型全承載式大客車，車身和底架的材料均為Q345，其材料參數：密度為780kg.m－3；彈性模量為210 GPa；泊松比0.3；屈服極限為345MPa.通過調整各區域所加載的質量點的大小使車身質心位置和實車基本吻合，誤差在2%以內.配重后整車質量為12.691t.

彎曲工況和單輪懸空工況是客車整車結構強度分析的2種典型工況［14］.因此，選取彎曲和單輪懸空工況下對6125型客車的原車型和改進車型進行靜態分析.其中，單輪懸空工況包括左前輪懸空和右前輪懸空2種工況.

4.1 彎曲工況

彎曲工況整車VonMises應力云圖，如圖9（a）所示.由分析結果可知：原車型和改進車型在彎曲工況下，車身大部分的應力都小于32MPa，其中，原始車型最大應力為319.5MPa，改進車型最大應力為237.9MPa.原始車型和改進車型在此工況下的最大應力出現在同一位置，即右后輪后端懸架與車身連

接的支座處，其局部應力云圖，如圖9（b）所示.

圖9　彎曲工況應力云圖Fig.9　Stress nephogram of the bending working condition

4.2 左前輪懸空工況

左前輪懸空工況整車VonMises應力云圖，如圖10（a）所示.由圖10（a）可知：左前輪懸空工況下兩車型車身大部分區域應力也都較小，基本在39MPa以下.其中：原始車型最大應力為332.6MPa；改進車型最大應力為290.5MPa.此工況下，最大應力出現在右前輪前端懸架支撐梁處，其局部應力云圖，如圖10（b）所示.

圖10　左前輪懸空工況應力云圖Fig.10　Stress nephogram of the left front wheel dangling working condition

4.3 右前輪懸空工況

右前輪懸空工況整車VonMises應力云圖，如圖11（a）所示.由分析結果可知：此工況下，車身大部分地區應力在41MPa以內.其中：原始車型最大應力為314.1MPa；改進車型最大應力為269.3MPa.原始車型車身最大應力點位于中門底部橫梁處，改進車型車身的最大應力點位于中門上部的增強處，其局部應力云圖，如圖11（b）所示.

圖11　右前輪懸空工況應力云圖Fig.11　Stress nephogram of the right front wheel dangling working condition

通過對原始車型和改進車型車身結構的靜態分析可知：在3種工況下車身的最大應力由332.6 MPa下降到290.5MPa，小于材料屈服極限345MPa，結構優化后的車身整體強度和安全裕度有所提高.由以上分析可知，基于靈敏度分析的車身模塊重構和結構優化對客車車身輕量化設計是可行的，并取得較好的輕量化效果.

5　結論

研究和探討基于靈敏度分析的車身模塊重構和結構優化方法在車身輕量化設計中的應用.以功能相似性車身分塊原則和靈敏度分析為基礎，對車身進行模塊重構設計和以輕量化為目的車身結構優化設計，并以靜彎曲、彎扭兩種典型工況下的強度分析驗證模塊重構和結構優化的可行性.

通過的研究可以得到以下4點結論.1）通過對客車車身進行模塊化設計，可以將復雜的車身結構劃分為簡單的模塊單元，有助于車身的結構分析和輕量化設計.2）以各子模塊對車身扭轉剛度的靈敏度分析為車身模塊重構設計和結構輕量化設計的準則，不僅能較好地減少了初始模塊的數量，降低了設計維度，而且也為結構優化提供了依據.3）車身模塊化重構及結構優化使得客車車身的結構強度在2種典型工況下均有所提高，并使整車質量減輕了460kg，較好地達到了輕量化設計的要求.4）基于靈敏度的模塊重構和結構優化方法能夠有效地減輕車身的質量，為客車車身復雜系統的輕量化設計提供了一種新的思路，在車身的數值結構分析與優化設計中具有廣闊的應用前景.

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（責任編輯：黃曉楠 英文審校：楊建紅）

Module Reconfiguration and Structure Lightweight Optimization Design for Bus Body Based on the Sensitivity Analysis

LI Qi，ZHANG Yong，ZHANG Cheng，ZHOU Sha
（College of Mechanical Engineering and Automation，Huaqiao University，Xiamen 361021，China）

Abstract：A novel module reconfiguration design and structure optimization method of bus body are proposed based on sensitivity analysis in order to perform lightweight design of bus body.The design dimensions of the sensitivity analysis are reduced by using the body module，moreover，the module reconfiguration and the structure optimization of bus body are performed based on the sensitivity coefficient of each sub－block thickness for body torsional stiffness.Finally，the feasibility of this method to the lightweight design of bus body is verified by comparing the strength of the vehicle before and after optimization.The research results show that the method not only makes the weight and maximum stress of bus body decrease 460kg and 4.26%，respectively，but also reduce the complexity of body structure optimization design.

Keywords：sensitivity analysis；module reconfiguration；lightweight；bus body；structural optimization

通信作者：張勇（1980－），男，副教授，博士，主要從事汽車碰撞安全性的研究.E－mail：flashzy1980＠163.com.

中圖分類號：U 271.1

文獻標志碼：A

文章編號：1000－5013（2015）04－0377－06

doi：10.11830/ISSN.1000－5013.2015.04.0377

收稿日期：2014－06－17

基金項目：國家自然科學基金資助項目（51205141）；華僑大學中青年教師科研提升計劃資助（ZQN－PY202）；中國博士后科學基金項目資助（2014T70613）