基于多目標優化的客車車身骨架輕量化設計探討

李江

（南京金龍客車制造有限公司，江蘇 南京 210000）

1 大客車車身骨架結構有限元分析

1.1 有限元建模

一些大型客車在整體結構布置上屬于全承載式車身結構，總體來說具，有一定的合理性，但在運行過程中逐漸發現，車身存在變形梯度和應力分布的不均勻性。為了提升客車運行過程中的安全性和穩定性，會對汽車車身采用局部加強的方法，以確保整車質量達到預期要求。在大型客車車身骨架輕量化設計時，運用有限元模型技術對車身骨架的設計和生產工藝進行分析，將客車整體細化分為組件和部件，單獨命名汽車的各個總成集合單元，按照前圍、側圍、底架、后尾、前后懸架、頂蓋和各個截面進行分類，合理設置每個梁柱的截面參數。而在這些部件和組件中，會將汽車車身骨架的關鍵點和單元等進行表現，從而使設計人員更好地對各個總成的受力進行分析，優化總成截面設計并對方案進行評價。對大客車車身骨架結構的有限元分析，符合汽車生產企業的設計和工藝流程。針對汽車車身骨架前后懸架結構的不同形式，可以建立等效的有限元模型，使車身骨架和等效懸架系統更加完整。圖1 所示為車身骨架各總成部件和組件層次之間的關系。

圖1 車身骨架各總成部件和組件層次之間的關系

1.2 載荷和邊界條件

在進行客車車身骨架輕量化設計的過程中，對邊界和載荷條件進行計算尤為關鍵，在計算荷載過程中，可以根據車身具體結構，將其劃分為骨架、設備質量、乘員、非結構和行李等內容，其中，非結構質量涉及內飾地板和玻璃等，此時，可以根據非結構因子乘以結構質量的方式對其進行計算。對客車車身骨架結構進行靜力分析主要目的在于對設計結果面臨最大承載和情況下的變形和應力進行計算，從而實現對材料剛度和強度的檢驗。一般來說，與車身骨架強度密切相關的因素有彎曲和扭轉，此時，可以根據緊急制動工況驗算骨架輕量化后的載荷。

1.3 強度和應力分析

在選擇客車車身骨架構件截面尺寸時，需要從剛度和強度進行分析和設計，但最主要的因素還是由強度進行控制。客車運行過程中的安全性能需求對車身的骨架結構和受力提出了嚴格的要求，在對其進行優化設計過程中，要對截面的各部分尺寸給予科學、合理的設計，并反復驗算所選截面的剛度和強度。在計算有限元應力過程中，如果選擇某一截面尺寸，將會導致整體尺寸設計存在盲目性，要對其進行多次反復的模擬和計算。因此，在這里選擇其他的設計思路，首先，將客車原車型構件尺寸作為初始的截面參數，并對各個梁柱的截面尺寸進行確認。之后，根據新的截面尺寸修改和優化不同單元集合的屬性，然后，借助有限元對其新的內力值進行計算。最后，再對確定的截面尺寸進行彎曲扭轉等工況的強度剛度驗算。為了提升客車車身骨架輕量化設計的可靠性，要做好輕量化效果的總體評價工作。

1.4 車身骨架剛度和變形分析

在客車運行過程中，受外界應力影響，會對客車骨架造成一定的扭曲，車身骨架變形通常包括彎曲變形、開口變形和扭轉變形，其與車身骨架的剛度質量有著非常密切的關系。因此，在進行客車車身骨架輕量化設計的過程中，需要對車身骨架的剛度和變形進行分析。對客車車身骨架結構有限元分析將計算過程和理論公式進行結合，從而實現對設計進程的量化控制，能夠更好地提升車身骨架輕量化設計的科學性和合理性，提升車輛運輸過程中的安全性。在進行車身骨架優化設計過程中，對局部的改進方案實施起來比較容易，但由于各方面因素的影響也存在一定的局限性，同時，由于型材規格和裝配工藝方面可能具備一定的局限，進而導致一些設計不能很好地進行實施和應用，無法達到預期的效果。

2 車身骨架輕量化設計方法分析

隨著社會經濟科技的迅猛發展，客運成為人們短途出行的重要選擇，汽車運輸也是物流的主要途徑之一，因此，對客車整體質量進行控制能夠有效地促進國內生態文明的建設。一般來說，客車車身的輕量化發展主要從三個途徑入手，第一是使用新材料技術，第二是使用先進的加工制造技術，第三是對客車的整體結構進行優化。綜合來看，結構優化的方法能夠有效減少客車生產使用的資源，這些資源包括材料造價以及設計工藝等，而通過科學的結構優化設計不僅能夠減少資源的浪費，還能有效提升客車車身的整體結構強度和剛度，以及運行過程中的穩定性和安全性。將結構優化的設計方法運用到客車車身輕量化發展中，能夠有效地縮短設計的周期，提升客車整體設計質量，并且改善傳統設計方法中存在的一些問題。結構優化設計是一種以數學理論為基礎的設計模型，通過計算機處理，可以將實際的物理模型轉變為數學模型，設計人員可以對數學模型進行分析和討論，從而應用先進的計算機軟件對數學模型進行最優化設計。當前，在進行客車車身骨架輕量化改進設計的過程立足于多目標優化的基礎，有限元方法和最優化技術所結合產生的結構優化設計技術逐漸成熟，并應用于產品設計的各個階段，優化后的結構設計也取得了很好的運行效果。客車車身輕量化的優化設計主要包括三個內容，分別為目標函數、約束條件和設計變量。簡單來說，目標函數就是進行優化設計所追求的最終目標，比如，客車車身骨架質量最輕或體積最小等。而約束條件指的是在滿足必要性能條件的基礎下實現所設定的最優化目標，比如，應力小于材料的許用應力、位移小于設定值等。而設計變量指的是在優化過程中對原有設計進行優化和改進的參數。

3 典型結構優化方法

當前國內常見的客車車身骨架材料主要由專用的汽車制造鋼板構建，不同的鋼板材料在強度和剛度上存在區別，因此，在進行客車車身骨架設計時會根據汽車強度性能需求在不同的部位選擇不同類型的鋼材。比如，在前后圍和地板等對剛度強度要求較低的部件上主要采用低破鋼，對強度和精度要求較高的部分，如低價的會采用抗變形能力強屈服極限化大的強度鋼。在客車車身骨架整體結構中，還需要對構建的細小細節進行處理，包括倒角和微型孔等。

4 結語

本文通過對客車骨架進行的靜力學分析，對客車骨架的局部結構進行了優化討論，在提升客車骨架應力分布合理性的同時，可以通過科學的設計方法提升車身的剛度和強度，并且有效地減少車身建設所使用的材料。客車的輕量化設計能夠有效促進國內汽車工業的深入發展，提高應用燃油能源的經濟性和安全性，有效降低了客車的使用成本，對國內能源節約和環境保護的目標有著一定的推動作用。