基于剛度和強度性能的新能源城市客車車身輕量化研究

林標華

摘? 要：建立12米城市客車骨架有限元模型，以剛度和強度性能為評價基礎，結合拓撲優化和尺寸優化的方法，并考慮生產及工藝要求，對車身底骨架進行結構和尺寸優化設計。研究結果及實車制造表明，輕量化效果顯著，結構安全可靠，同時剛度和強度性能得到提升。該優化設計結果為同類車型的輕量化優化設計提供參考。

關鍵詞：新能源城市客車;車身骨架;輕量化;優化設計

中圖分類號：U463.82+2? ?文獻標識碼：B? ? ? 文章編號：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

以純電動和混合動力為主的新能源城市客車已逐步替換燃油為燃料的傳統城市客車。而續航里程是新能源汽車關注的首要問題。研究車身結構輕量化，降低整備質量，是汽車企業提高續航里程的主要方法之一。車身骨架是整車主要的承載部件，骨架質量在汽車整備質量中的比例占30%-40%，一般汽車輕量化主要是指車身結構的輕量化[1-3]。應用輕質材料、優化設計以及輕量化制造工藝是車身結構輕量化的三條主要途徑。車身骨架輕量化優化設計主要是綜合拓撲優化、形貌優化和多目標優化等結構優化方法來改變骨架的材料、結構和尺寸，在保證其性能的基礎上實現減重的目的[4-5]。本文將介紹城市客車車身結構輕量化的研究方法和思路，為同類客車車身結構的輕量化設計提供參考。

本文選取一款成熟的12米鋁合金車身純電動公交車，車身骨架五大片為鋁合金材料，而底骨架為傳統的鋼結構材料。應用鋁合金材料后，整車已減重約560Kg。車身五大片骨架已經過材料輕量化（鋁合金）和結構輕量化的方法實現減重，現需要對車身底骨架鋼結構部分進行優化設計，進一步發掘輕量化的潛力。現以實際車型的改進設計為實例講解輕量化設計的方法和思路。

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? ? 基于剛度性能的評價

設置相關計算參數及邊界條件，借用OptiStruct求解器計算整車原始剛度性能參數。

2.1? ?彎曲剛度

如圖2所示為集中力作用于簡支梁時，其彎曲變形示意圖。當客車車身作用有對稱垂直載荷時，結構處于彎曲工況，其整體彎曲剛度可以有車身最大垂直擾度來評價[6-7]。此時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算方法，結合實際情況，選擇整車模型為研究對象，設置相關載荷及邊界約束。經計算獲得該車的整體彎曲剛度為：19.0×106N×m2。

2.2? ?扭轉剛度

當客車行駛于不平路面上，車輪不同時碰撞到障礙物時，車身上受到左右非稱垂直載荷的作用，車身結構處于扭轉工況，產生扭轉變形，此時客車車身結構應有足夠的扭轉剛度來抵抗變形[8]。一般計算前扭轉剛度和后扭轉剛度。

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

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

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

8.32×106N×m2/rad。

3? ? 基于強度性能的評價

3.1? ?載荷提取

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

因此，在MotionView中建立前、后懸架系統模型，結合實際情況，對各工況設置不同參數，計算獲取懸架系統與車身連接點的載荷。

流程：（1）根據實際情況簡化模型。（2）借鑒MotionView模型庫中的模型，選擇相應的模型模板，在此基礎上改進模型。（3）建立前、后懸架動力學模型。（4）校核模型、整車參數及工況設置。（5）求解計算。（6）仿真結果后處理。如圖3所示為彎曲工況下載荷示意圖。

3.2? ?強度數據

客車的使用工況是很復雜的，主要考慮使用過程中滿載彎曲、極限扭轉、緊急制動、急轉彎等典型工況。在各工況下，骨架最大應力需要小于材料的疲勞強度或屈服強度。結合以上方法，建立整車有限元模型，根據實際情況對整車骨架進行配載。借助HyperWorks軟件，對車身骨架施加MotionView中獲取的邊界載荷，進行靜態強度分析，考察車身骨架的強度性能[11]。

載荷處理：按照實車情況進行配載，配載后模型重量加簧下質量達到整車最大設計質量。邊界約束：把MotionView中獲得的載荷輸入到強度計算模型中，利用慣性釋放的方法計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力水平需滿足材料的疲勞強度或者屈服強度。通過計算分析，車身骨架變形和應力均在允許范圍內，并驗證本次建模的正確性。

4? ? 基于強度和剛度性能的結構優化方法

4.1? ?拓撲優化方法

車身骨架的拓撲主要采用變密度法進行優化設計，通過查看材料密度，得到結構的最佳布置方式[12]。

優化過程是一個不斷尋優的過程，因此選取可優化區域，分階段拓撲，最終達到減重目的。本車底骨架斜撐、縱梁、加強梁等位置是拓撲尋優的重點區域。

流程：（1）定義拓撲優化區域。保留底骨架主要的橫梁和縱梁，刪除斜撐、加強梁等，用同等質量殼單元的平板來替代該區域。（2）定義響應。定義拓撲區域的質量分數和整車各強度分析工況加權值為拓撲分析的響應。（3）定義約束。把（2）中定義的質量分數設置上限約束。（4）定義目標。定義強度分析工況加權值的最小值作為目標。（5）計算求解。圖4所示為中段底骨架拓撲優化結果。

根據拓撲優化結果，結合實際設計、工藝、生產進行調整。調整后重新計算拓撲優化設計后車身骨架的剛度性能數據，需要保證優化后的骨架彎曲剛度、扭轉剛度值不可低于原始值，最終確定出合適優化方案。

4.2? ?尺寸優化方法

在尺寸優化設計中，模型有了初步的幾何形狀、材料類型、拓撲結構后進行的細節設計，它通過改變結構單元的塑性，如殼單元厚度、橫截面積等達到一定的設計要求[13]。

經過拓撲優化，對底骨架結構進行了重新優化設計，已達到一定的減重效果。為更進一步挖掘輕量化的潛力，對結構進行靈敏度分析，尋求最優的梁結構尺寸。同拓撲優化類似，選取可優化區域，分階段尺寸優化，最終達到減重目的。

流程：（1）定義設計變量。對需要尺寸優化的梁定義為設計變量，優化選擇的厚度需要考慮結構和工藝上的可行性。（2）關聯設計變量與梁單元屬性之間的關系。（3）定義響應。將所有需要尺寸優化的梁定義質量響應及整車各強度工況加權值響應。（4）定義約束。如對優化區域的質量、單元應力定義上限約束。（5）定義目標。定義各強度工況加權值的最小值為優化目標。（6）計算求解。如圖5所示為中段底骨架尺寸優化結果。

結合實際情況對尺寸優化后的結構進行調整。調整后重新計算優化設計后骨架的剛度性能數據，需要保證優化后的骨架剛度值不可低于原始值，最終確定出合適優化方案，得到最終模型和減重值。

4.3? ?優化效果及現狀

經過拓撲優化和尺寸優化，結合生產、工藝等實際情況，獲得優化后的結構模型。對優化后的模型進行剛度和強度性能分析，對比前后性能的變化。優化設計后理論上減重約186Kg，如表1所示為輕量化前后性能對比表。仿真結果表明，優化后的車身骨架的性能參數略有提高，強度分析也滿足材料設計使用要求，從而驗證了本次輕量化設計的合理性和有效性。

將優化后結果輸出成相應設計及生產文件資料指導實際車型的輕量化結構設計和生產制造。如圖6所示為實車制造后照片。對比前后二批同配置純電動公交車過線數據，最終實車可以減重178Kg，在誤差范圍內基本同理論減重數據相符。

當前，優化設計后的純電動公交車已生產制造出400多臺，服務于國內大中城市。經過市場運行檢驗反饋，該車型性能優越，結構安全可靠，整車質量暫無發現問題。

5? 結束語

本文選取12米城市客車為研究對象，建立車身骨架有限元模型，以剛度和強度作為性能評價的基礎，結合拓撲優化和尺寸優化的方法，并考慮實際生產及工藝要求，對車身底骨架進行結構和尺寸優化設計。研究結果及實車制造表明，輕量化效果顯著，結構安全可靠，同時車身骨架的剛度性能得到提升，各工況強度性能也滿足設計要求。該優化設計結果為同類車型的輕量化優化設計提供參考。

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