特種車輛車體結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)研究*

鞏 銳，侯步逸，陳 超，任 博，李 順

(北京北方車輛集團(tuán)有限公司，北京 100072)

0 引 言

自然災(zāi)害救援車主要用于應(yīng)急搶險(xiǎn)救災(zāi)，承擔(dān)確保人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全的重任。 開展高可靠性救援車的結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)是保證自然災(zāi)害救援車具備良好的抗沖擊能力和高承載能力，從而實(shí)現(xiàn)可以無視惡劣地形阻礙和天氣狀況，以最快速度到達(dá)災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)并展開救援的重要途徑。 車體結(jié)構(gòu)是救援車的關(guān)鍵承載部件。 車體結(jié)構(gòu)輕量化的途徑主要有兩種:①從新材料入手，廣泛采用輕金屬或現(xiàn)代復(fù)合材料等低密度材料作為原料，以達(dá)到減重的目的；②從優(yōu)化設(shè)計(jì)入手，對(duì)現(xiàn)有車體進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在保證承載能力和可靠性的前提下減輕其質(zhì)量。 前者輕量化效果明顯，減重幅度比較大，但存在研發(fā)成本高、工藝復(fù)雜等問題；后者成本低、容易實(shí)現(xiàn)，如果方法得當(dāng)，也能得到良好的輕量化效果[1-2]。 車體結(jié)構(gòu)輕量化的目的是在不改變材料且不犧牲任何剛強(qiáng)度特性及動(dòng)態(tài)特性的前提下實(shí)現(xiàn)車體結(jié)構(gòu)的質(zhì)量最小化。

筆者以救援車的車體結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，采用拓?fù)鋬?yōu)化、形貌優(yōu)化、尺寸優(yōu)化等方法對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，這對(duì)于實(shí)現(xiàn)救援車的輕量化、提高救援車的抗沖擊和承載能力具有重要的工程實(shí)用價(jià)值。

1 車體結(jié)構(gòu)輕量化總體設(shè)計(jì)技術(shù)途徑

結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)貫穿產(chǎn)品的原理樣機(jī)、初樣機(jī)、正樣機(jī)的整個(gè)設(shè)計(jì)過程。 對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)流程也可以分為概念優(yōu)化設(shè)計(jì)、局部?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)和詳細(xì)優(yōu)化設(shè)計(jì)3 個(gè)階段。 概念優(yōu)化設(shè)計(jì)階段適用于產(chǎn)品的原理樣機(jī)設(shè)計(jì)階段，通過建立概念設(shè)計(jì)模型，定義封閉的設(shè)計(jì)空間，在給定的邊界條件下，通過拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)尋找出該優(yōu)化空間中的最佳材料布局。 概念優(yōu)化技術(shù)主要包括拓?fù)鋬?yōu)化和形貌優(yōu)化等。 局部?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)階段適用于產(chǎn)品從原理樣機(jī)到初樣機(jī)的過渡階段，根據(jù)概念設(shè)計(jì)階段得出的材料布局可以獲得大體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路，但是材料的分布不夠清晰，因此在局部?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)中采用局部拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)，將該部位的設(shè)計(jì)空間重新定義再次進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)。 詳細(xì)優(yōu)化設(shè)計(jì)階段根據(jù)上兩步獲得清晰的材料布局，結(jié)合制造工藝設(shè)計(jì)，進(jìn)行最終的尺寸和形狀優(yōu)化[3]。

針對(duì)自然災(zāi)害救援車體結(jié)構(gòu)形式及承載特點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)過程3 個(gè)階段的主要工作如下。

(1) 概念優(yōu)化設(shè)計(jì)階段:主要對(duì)車體承載框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，找出框架結(jié)構(gòu)的空間布置樣式，并根據(jù)優(yōu)化計(jì)算結(jié)構(gòu)，抽象出離散的設(shè)計(jì)方案，為下一步的局部?jī)?yōu)化提供設(shè)計(jì)思路；對(duì)車體薄壁板殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行形貌優(yōu)化設(shè)計(jì)，找出表面沖壓筋的分布位置及分布樣式。

(2) 局部?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)階段:主要對(duì)概念優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行局部?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)，找出需要增加或者刪除的區(qū)域，確定結(jié)構(gòu)的最終布局。

(3) 詳細(xì)優(yōu)化設(shè)計(jì)階段:主要通過尺寸優(yōu)化確定各個(gè)部分的幾何尺寸、如板殼的厚度，梁結(jié)構(gòu)的截面形狀等；針對(duì)細(xì)部結(jié)構(gòu)可能存在的應(yīng)力集中問題，可以采用形狀優(yōu)化技術(shù)改變局部區(qū)域形狀，進(jìn)行倒角或者幾何光順處理，經(jīng)過詳細(xì)設(shè)計(jì)階段處理的結(jié)構(gòu)即為最終的設(shè)計(jì)方案。 車體結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 車體結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)的3 個(gè)階段

2 車體結(jié)構(gòu)輕量化綜合設(shè)計(jì)

2.1 車體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化

結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是尋找材料在空間中的最佳分布形式，從而確保其具有最好的結(jié)構(gòu)承載形式。 結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化本質(zhì)上是一種等剛度和等強(qiáng)度的設(shè)計(jì)方法，要求拓?fù)鋬?yōu)化的設(shè)計(jì)結(jié)果具備整體上的良好剛度和強(qiáng)度特性。

對(duì)于救援車體而言，其結(jié)構(gòu)是由外圍薄板殼和內(nèi)部支撐骨架焊接而成的空間框架形式，內(nèi)部骨架和板殼共同承擔(dān)各種外界激勵(lì)載荷沖擊作用，相對(duì)于骨架而言，外圍板殼主要起到形成車體封閉結(jié)構(gòu)、確保車體具備良好的外觀設(shè)計(jì)的作用，因此在結(jié)構(gòu)形式上變化較少。 而內(nèi)部骨架對(duì)于車體的整個(gè)承載力結(jié)構(gòu)形式起著非常重要的支撐作用，因此在拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)過程中，主要針對(duì)車體結(jié)構(gòu)的承載骨架進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，形成良好的車體骨架布局形式，保證車體的剛度和強(qiáng)度特性。

(1) 結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法

目前常用的結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化方法有變厚度法、變密度法及均勻化方法[4-5]。 文中主要采用變密度法。變密度法的基本思想是假設(shè)離散單元內(nèi)部的材料屬性為常數(shù)，設(shè)計(jì)變量定義為離散單元的相對(duì)密度，用xe來表達(dá)，設(shè)原始設(shè)計(jì)單元密度為ρ0，優(yōu)化后單元密度為ρ，則存在關(guān)系式:ρ＝xeρ0。 單元的材料屬性隨著單元相對(duì)密度的變化而變化，并且與單元相對(duì)密度成指數(shù)變化關(guān)系:

式中:E0、E分別為單元初始彈性模量和優(yōu)化后彈性模量；k0、k分別為結(jié)構(gòu)單元初始剛度陣和優(yōu)化后的剛度陣；m0、m分別為結(jié)構(gòu)單元初始質(zhì)量陣和優(yōu)化后的質(zhì)量陣；P為懲罰權(quán)因子，選擇懲罰因子的目的是對(duì)中間密度單元項(xiàng)進(jìn)行懲罰，以盡量減少結(jié)構(gòu)中間密度單元的數(shù)目。

在車體骨架結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)中，采用變密度法，以結(jié)構(gòu)分析模型每個(gè)單元的相對(duì)密度，x(x＝{x1，x2，…，xn}T)為優(yōu)化設(shè)計(jì)變量，考慮動(dòng)態(tài)響應(yīng)下的結(jié)構(gòu)平衡方程Kqqqi＝feq，并滿足約束條件g(u，x)≤0時(shí)，相應(yīng)的拓?fù)鋬?yōu)化數(shù)學(xué)模型可以表示為:

式中:q為等效靜態(tài)載荷工況的數(shù)量；m為約束條件的數(shù)量。

(2) 車體骨架結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化

根據(jù)車體結(jié)構(gòu)承載特性及結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度特性的分析，主要選擇車體底部骨架和車體頂部座圈支撐結(jié)構(gòu)作為拓?fù)鋬?yōu)化的設(shè)計(jì)空間。

采用三維實(shí)體單元對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)空間進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，填充整個(gè)設(shè)計(jì)空間，優(yōu)化計(jì)算時(shí)以設(shè)計(jì)區(qū)域內(nèi)每個(gè)單元的相對(duì)密度為設(shè)計(jì)變量，以多載荷工況下結(jié)構(gòu)柔度的加權(quán)和最小為目標(biāo)函數(shù)，以保留的結(jié)構(gòu)質(zhì)量百分比為約束條件。 采用OC 準(zhǔn)則優(yōu)化算法，在經(jīng)多次迭代后得到了車體頂部座圈支撐結(jié)構(gòu)及車底骨架結(jié)構(gòu)的單元密度云圖及單元密度值。 密度值越大的區(qū)域越重要，需要在優(yōu)化設(shè)計(jì)中保留，密度值較小的區(qū)域可以根據(jù)結(jié)構(gòu)輕量化程度在優(yōu)化設(shè)計(jì)中去除，圖2 中為將密度值為0.35 以下的單元去處之后保留的結(jié)構(gòu)材料分布圖。 圖3 為拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)的迭代歷程曲線，可以看出，經(jīng)過20 步迭代以后，目標(biāo)函數(shù)趨于收斂。

圖2 座圈支撐及車底骨架拓?fù)鋬?yōu)化密度云圖

圖3 拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)迭代歷程曲線

車體骨架結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過程，很難通過一次優(yōu)化就能取得比較滿意的結(jié)果，有時(shí)往往需要在前一次的優(yōu)化結(jié)果基礎(chǔ)上進(jìn)行幾次甚至幾十次的優(yōu)化設(shè)計(jì)才能達(dá)到優(yōu)化目的。

2.2 車體表面甲板結(jié)構(gòu)形貌優(yōu)化設(shè)計(jì)

(1) 結(jié)構(gòu)形貌優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

形貌優(yōu)化是一種形狀最佳化的方法，即在板形結(jié)構(gòu)中尋找最優(yōu)的加強(qiáng)筋分布的概念設(shè)計(jì)方法，用于設(shè)計(jì)薄壁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化壓痕，在滿足質(zhì)量指標(biāo)的要求下能滿足強(qiáng)度、頻率等要求。 與拓?fù)鋬?yōu)化不同的是，形貌優(yōu)化不刪除材料，而是在可設(shè)計(jì)區(qū)域中根據(jù)節(jié)點(diǎn)的擾動(dòng)生成加強(qiáng)筋。

救援車輛車體的外殼通常是由不同厚度的薄裝甲板焊接而成，為了增加甲板的剛度，一種方法是在甲板內(nèi)側(cè)布置很多支撐梁結(jié)構(gòu)，但是這樣做往往會(huì)大大增加車體的質(zhì)量，另一種方法是通過在甲板上沖壓加強(qiáng)筋的方式來增強(qiáng)剛度。 在設(shè)計(jì)和制造過程中，沖壓筋的分布位置及形狀主要是根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)確定，因此帶有一定的盲目性，無法確保車體結(jié)構(gòu)剛度的均勻性，造成有些區(qū)域剛度偏小，在不平路面激勵(lì)或者發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)作用下，容易產(chǎn)生局部振動(dòng)，引起車內(nèi)噪聲或者最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。 為了改善車體甲板整體剛度分布不均、局部區(qū)域容易出現(xiàn)剛度不足的狀況，采用形貌優(yōu)化技術(shù)對(duì)車體薄甲板表面沖壓筋的分布位置及形狀進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

(2) 車體形貌優(yōu)化設(shè)計(jì)流程

車體甲板沖壓筋結(jié)構(gòu)的形貌優(yōu)化設(shè)計(jì)過程通常包括以下幾個(gè)步驟:①優(yōu)化設(shè)計(jì)區(qū)域選擇。 通過車體模態(tài)分析，找出裝甲板表面低頻局部振動(dòng)區(qū)域作為形貌優(yōu)化的設(shè)計(jì)區(qū)域；②裝甲板形貌優(yōu)化。 在形貌優(yōu)化過程中，以裝甲板質(zhì)量為約束條件，以最大化結(jié)構(gòu)第一階(或同時(shí)最大化前幾階)固有頻率為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)形貌優(yōu)化設(shè)計(jì)；③優(yōu)化設(shè)計(jì)方案對(duì)比與選擇。為了確保優(yōu)化結(jié)果便于設(shè)計(jì)和制造，可以在形貌優(yōu)化過程中考慮各種制造工藝要求，根據(jù)不同制造工藝下的優(yōu)化結(jié)構(gòu)進(jìn)行多種方案的對(duì)比，從中選出最優(yōu)結(jié)構(gòu)；④優(yōu)化結(jié)果成型處理。 根據(jù)形貌優(yōu)化得到的節(jié)點(diǎn)變形向量，自動(dòng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)修改。

(3) 車體甲板形貌優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果

以車體表面不同部位甲板為對(duì)象，采用形貌優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，優(yōu)化得到了不同部位的甲板沖壓筋結(jié)構(gòu)形式，如圖4 所示。

圖4 車體不同部位甲板形貌優(yōu)化結(jié)果

2.3 尺寸優(yōu)化

尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)是以結(jié)構(gòu)的尺寸厚度為變量開展結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。 在車體結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)中，選擇表1 所列部件的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。 經(jīng)過多次迭代以后，得到了各個(gè)部分的優(yōu)化尺寸，考慮到制造工藝，最后需要對(duì)優(yōu)化尺寸進(jìn)行圓整處理。

表1 車體尺寸優(yōu)化結(jié)果 /mm

續(xù)表1 車體尺寸優(yōu)化結(jié)果 /mm

3 優(yōu)化結(jié)果分析與比較

表2、3 分別對(duì)車體結(jié)構(gòu)優(yōu)化前、后的變形量和應(yīng)力進(jìn)行了對(duì)比分析。 從表中數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，在各典型工況下，車體最大變形量均減小35%以上，最大應(yīng)力幅值均減小25%以上。

表2 優(yōu)化前、后車體結(jié)構(gòu)變形比較

表3 優(yōu)化前、后車體結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力比較

4 結(jié) 語

圍繞自然載荷救援車的輕量化設(shè)計(jì)問題，以救援車的車體結(jié)構(gòu)為對(duì)象，開展了車體結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)研究。

提出了特種車輛車體結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)的總體技術(shù)途徑。 研究了拓?fù)鋬?yōu)化、形貌優(yōu)化設(shè)計(jì)、尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)等結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法在救援車車體結(jié)構(gòu)輕量化中的應(yīng)用。

實(shí)現(xiàn)了車體對(duì)象的骨架結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化、車體表面板殼結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化和車體骨架的尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到了輕量化的車體結(jié)構(gòu)。

通過對(duì)原始方案和輕量化設(shè)計(jì)方案結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)具有良好的輕量化設(shè)計(jì)效果。 此優(yōu)化方法對(duì)于實(shí)現(xiàn)特種車輛車體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和輕量化具有重要的研究意義和工程實(shí)用價(jià)值。