某電動(dòng)客車骨架綜合輕量化設(shè)計(jì)

曾業(yè)峰,陳則堯,吳柏生

(廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,廣州 510006)

相對(duì)于傳統(tǒng)城市客車,純電客車由于電池總質(zhì)量較大,導(dǎo)致整車骨架更重,而整車骨架質(zhì)量約占整車質(zhì)量的35%～40%[1]。目前,純電動(dòng)汽車主要存在續(xù)駛里程短、整備質(zhì)量較大等問(wèn)題,輕量化可以降低能耗,使續(xù)航里程增加。據(jù)統(tǒng)計(jì),電動(dòng)汽車質(zhì)量每減小100 kg,行駛里程可增加3%～5%[2]。因此電動(dòng)客車整車骨架的輕量化設(shè)計(jì)意義重大。目前,車輛結(jié)構(gòu)輕量化方法主要包括拓?fù)鋬?yōu)化、形貌優(yōu)化和尺寸優(yōu)化等。已有文獻(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的客車整車骨架的優(yōu)化一般僅采用一種優(yōu)化方法[3-5]。本文采用拓?fù)鋬?yōu)化和尺寸優(yōu)化相結(jié)合的方法對(duì)某油改電的客車整車骨架進(jìn)行綜合輕量化設(shè)計(jì)。

1 原整車骨架有限元分析

1.1 原整車骨架有限元模型

采用HyperMesh軟件對(duì)原整車骨架進(jìn)行有限元建模與分析。原整車骨架材料用Q345鋼,屈服極限為345 MPa,彈性模量為206 GPa,密度為7.85×103kg/m3,泊松比為0.3。整車骨架外形尺寸為8 m×2.85 m×2.35 m。因整車骨架結(jié)構(gòu)由矩形型材和板材焊接而成,故采用殼單元對(duì)整車骨架構(gòu)件進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分。根據(jù)整車骨架構(gòu)件尺寸,殼單元大小選用10 mm,最終劃分為664 370個(gè)二維殼單元。通過(guò)RBE2剛性單元模擬整車骨架構(gòu)件焊接。在客車其他功能部件以及乘客位置創(chuàng)建質(zhì)量點(diǎn),并添加到整車骨架相應(yīng)構(gòu)件上。整車有限元模型如圖1所示,在此基礎(chǔ)上建立自由模態(tài)分析模型和4種典型工況剛強(qiáng)度分析模型[6]。

圖1 整車骨架有限元模型

為了得到整車骨架結(jié)構(gòu)本身的動(dòng)態(tài)固有特性,在結(jié)構(gòu)自由振動(dòng)模態(tài)分析中不施加約束條件,不加載。剛強(qiáng)度分析模型的邊界約束以簡(jiǎn)支梁進(jìn)行模擬,其中扭轉(zhuǎn)工況放開(kāi)右前懸架所有約束[7]。考慮到?jīng)_擊載荷的影響,對(duì)模型施加動(dòng)載荷。在整車骨架的4個(gè)懸架處施加約束,其中1、2、3、4、5、6分別表示對(duì)X、Y、Z軸的3個(gè)平動(dòng)自由度和3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度約束。動(dòng)載荷加載及模型約束見(jiàn)表1。

表1 動(dòng)載荷及邊界約束

1.2 整車骨架有限元分析結(jié)果

采用HyperViews后處理軟件查看有限元分析結(jié)果。

1) 自由模態(tài)分析結(jié)果。整車骨架除前6個(gè)剛體模態(tài)外最低模態(tài)頻率為5.06 Hz,模態(tài)振型為整體扭轉(zhuǎn)。路面不平導(dǎo)致的動(dòng)力學(xué)激勵(lì)多數(shù)在3 Hz以下[8],因此原整車骨架避開(kāi)了低階共振頻率。

2) 4種工況分析結(jié)果。其最大應(yīng)力、安全系數(shù)和最大變形量結(jié)果見(jiàn)表2。此處的安全系數(shù)為模型選用材料的屈服應(yīng)力與模型對(duì)應(yīng)工況下的最大應(yīng)力之比,安全系數(shù)取值應(yīng)不低于1.3[9]。由分析結(jié)果可知,該油改電客車整車骨架安全系數(shù)較低。最大允許變形參考值取10 mm[10],該整車骨架扭轉(zhuǎn)工況的最大變形量已超出參考值。這表明隨著客車動(dòng)力系統(tǒng)的改變,原有的骨架結(jié)構(gòu)已不能滿足使用需求。大應(yīng)力主要集中在前后懸架和動(dòng)力電池安裝處等區(qū)域;而其他絕大部分區(qū)域應(yīng)力較小,設(shè)計(jì)較冗余,有優(yōu)化設(shè)計(jì)空間。

表2 原整車骨架應(yīng)力、變形及安全系數(shù)

2 結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化

綜合優(yōu)化的第一步是以多工況下整車骨架力學(xué)性能最優(yōu)為目標(biāo)建立整車結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化模型,尋求整車骨架結(jié)構(gòu)最優(yōu)布局,對(duì)原有整車骨架結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。因變密度法具有良好的穩(wěn)健性和可拓展性,已經(jīng)成為結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的主流算法,被廣泛應(yīng)用于工程領(lǐng)域。本文對(duì)該電動(dòng)客車整車骨架進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化時(shí)采用基于SIMP的變密度法[11],應(yīng)用Hyperworks Optistruct軟件完成拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)。

2.1 拓?fù)鋬?yōu)化模型建立

考慮到模型尺寸大小,并權(quán)衡模型的計(jì)算精度與分析效率,拓?fù)鋬?yōu)化模型上層采用40 mm的殼單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分[12]。下層結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜并考慮到上層與下層單元的銜接,下層底架采用40 mm實(shí)體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。根據(jù)客車的使用要求,將前后車窗框架、左右側(cè)車窗骨架和頂棚逃生窗口框架等設(shè)為非優(yōu)化區(qū)域,其余單元設(shè)為設(shè)計(jì)區(qū)域建立拓?fù)鋬?yōu)化模型,如圖2所示。

圖2 拓?fù)鋬?yōu)化空間模型

在Hyperworks Optistruct軟件中創(chuàng)建體積分?jǐn)?shù)響應(yīng)、加權(quán)柔度響應(yīng)和一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率響應(yīng)。加權(quán)柔度是將上述4種工況進(jìn)行平均加權(quán)求出整車骨架結(jié)構(gòu)的總?cè)岫取＜s束條件為要求體積分?jǐn)?shù)響應(yīng)不大于0.3。為使拓?fù)鋬?yōu)化后結(jié)構(gòu)的低階頻率避開(kāi)共振頻率,施加的約束為一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率響應(yīng)不小于原整車骨架的一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率。優(yōu)化目標(biāo)為客車整車骨架結(jié)構(gòu)的加權(quán)柔度響應(yīng)值最小[13]。建立的優(yōu)化模型數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

(1)

式中：xi(i=1,2,…,n)為設(shè)計(jì)變量,即為每個(gè)單元的相對(duì)密度;C1、C2、C3和C4分別為4種工況下的骨架柔度;Vf為骨架的體積分?jǐn)?shù);f1為骨架的一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率。

2.2 拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果分析

1) 車頂結(jié)構(gòu)。拓?fù)鋬?yōu)化后的車頂密度云圖如圖3所示,除了主要的承載縱梁與橫梁外,還包括許多三角形結(jié)構(gòu)。根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果對(duì)原車頂結(jié)構(gòu)(圖4)重新設(shè)計(jì),得到圖5所示的新車頂結(jié)構(gòu)。與原車頂結(jié)構(gòu)相比,新設(shè)計(jì)的車頂結(jié)構(gòu)新增了許多三角形。

圖3 車頂拓?fù)鋬?yōu)化密度云圖

圖4 原車頂結(jié)構(gòu)

圖5 新車頂結(jié)構(gòu)

2) 側(cè)圍結(jié)構(gòu)。拓?fù)鋬?yōu)化后的側(cè)圍結(jié)構(gòu)密度云圖如圖6所示,其密度分布路徑較為清晰。根據(jù)側(cè)圍骨架拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果對(duì)原側(cè)圍結(jié)構(gòu)(圖7)進(jìn)行可制造化處理,得到圖8所示的新側(cè)圍結(jié)構(gòu)。與原側(cè)圍結(jié)構(gòu)相比,新設(shè)計(jì)的側(cè)圍結(jié)構(gòu)新增了許多小的三角形,局部斜撐桿延伸了。

圖6 側(cè)圍拓?fù)鋬?yōu)化密度云圖

圖7 原側(cè)圍結(jié)構(gòu)

圖8 新側(cè)圍結(jié)構(gòu)

3) 底架結(jié)構(gòu)。底架結(jié)構(gòu)需要承載座椅、乘客以及大重量的動(dòng)力電池組,同時(shí)要兼具底盤功能。因此底架結(jié)構(gòu)布局復(fù)雜,其拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果也非常復(fù)雜。這里主要展示后座和車輪拱處(懸架連接處)應(yīng)力集中區(qū)域的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果。圖9(a)為后座優(yōu)化密度云圖,圖9(b)為車輪拱處優(yōu)化密度云圖。圖10(a)為后座原結(jié)構(gòu),圖10(b)為車輪拱處原結(jié)構(gòu)。根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果重新設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖11所示。與原后座結(jié)構(gòu)相比,新后座設(shè)計(jì)采用三角結(jié)構(gòu)取代矩形結(jié)構(gòu)。與原車輪拱結(jié)構(gòu)相比,新車輪拱結(jié)構(gòu)重新調(diào)整了斜撐桿的布局,使其與力的傳力路徑一致。

(a) 后座優(yōu)化密度云圖

(a) 原后座結(jié)構(gòu)

(a) 新后座結(jié)構(gòu)

3 整車骨架構(gòu)件尺寸優(yōu)化

綜合優(yōu)化的第二步是基于拓?fù)鋬?yōu)化修改后的整車骨架結(jié)構(gòu)模型,通過(guò)靈敏度分析篩選出目標(biāo)桿件,對(duì)目標(biāo)桿件的厚度進(jìn)行尺寸優(yōu)化并進(jìn)行強(qiáng)度校核。最終實(shí)現(xiàn)在滿足剛度、強(qiáng)度及模態(tài)性能要求前提下的整車骨架輕量化目標(biāo)。

3.1 靈敏度分析篩選

靈敏度分析篩選可以為尺寸優(yōu)化確定方向,減少尺寸修改的桿件數(shù)目,有利于優(yōu)化方案的工程實(shí)施。為找出整車骨架共485個(gè)桿件的厚度變化對(duì)整車骨架柔度、一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率和質(zhì)量的影響程度,通過(guò)Hyperworks Optistruct軟件對(duì)上述4種工況下的柔度響應(yīng)、自由模態(tài)分析得到的一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率響應(yīng)以及質(zhì)量響應(yīng)創(chuàng)建靈敏度模型：

sen(yj/ti)=?yj/(?ti)

(2)

式中：yj為4種工況之一的柔度約束函數(shù)、一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率約束函數(shù)以及質(zhì)量最小化目標(biāo)函數(shù);ti為第i個(gè)桿件的厚度變量。

最終篩選出118個(gè)厚度變化對(duì)質(zhì)量影響較大但對(duì)一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率和柔度影響較小的桿件[14]。

3.2 厚度尺寸優(yōu)化

1) 厚度優(yōu)化模型建立。對(duì)上述通過(guò)靈敏度分析后獲得的118個(gè)桿件的厚度進(jìn)行優(yōu)化。厚度優(yōu)化的約束條件如下：首先為保證整車骨架不出現(xiàn)低階共振現(xiàn)象,將限制一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率不低于原整車骨架的一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率;然后根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化后整車的強(qiáng)度、剛度不足的情況,將4個(gè)工況下的整車柔度響應(yīng)設(shè)置為小于原整車骨架的柔度值。目標(biāo)是在滿足整車骨架性能的前提下進(jìn)行輕量化,所以尺寸優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)是整車骨架質(zhì)量最小[15]。因此所建立的優(yōu)化模型數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(3)

式中：M為整車骨架質(zhì)量。

2) 厚度優(yōu)化結(jié)果分析。通過(guò)Hyperworks Optistruct的Optimization模塊對(duì)客車整車骨架尺寸優(yōu)化模型進(jìn)行求解,厚度優(yōu)化結(jié)果如圖12所示,優(yōu)化后的桿件厚度在1～10 mm之間,表3列出了其中部分桿件的優(yōu)化結(jié)果。然后基于優(yōu)化結(jié)果,依據(jù)可制造化處理原則,按照可選型材的尺寸對(duì)桿件的厚度進(jìn)行圓整修正,更新整車骨架的有限元模型并進(jìn)行剛強(qiáng)度分析,校驗(yàn)整車骨架力學(xué)性能是否達(dá)到優(yōu)化目標(biāo)。

表3 部分桿件厚度尺寸優(yōu)化結(jié)果

圖12 整車骨架厚度尺寸優(yōu)化結(jié)果

3.3 優(yōu)化前后對(duì)比分析

對(duì)采用拓?fù)鋬?yōu)化和尺寸優(yōu)化相結(jié)合的綜合優(yōu)化后重新設(shè)計(jì)的整車骨架結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析,得到的整車骨架力學(xué)性能參數(shù)見(jiàn)表4。對(duì)比表2和表4可知,綜合優(yōu)化后的整車骨架剛度和強(qiáng)度性能得到明顯提升。綜合優(yōu)化后的整車骨架一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率為5.54 Hz,相比原整車骨架一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率5.06 Hz有所提高。原整車骨架質(zhì)量為1 299 kg,綜合優(yōu)化后整車骨架質(zhì)量是1 110 kg,減重率達(dá)到了14.55%,減重效果明顯。

表4 綜合優(yōu)化后整車骨架應(yīng)力、變形及安全系數(shù)

4 結(jié)束語(yǔ)

本文采用拓?fù)鋬?yōu)化和尺寸優(yōu)化相結(jié)合的綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)方法對(duì)某電動(dòng)客車車身骨架進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。最終整車骨架各工況的剛強(qiáng)度性能均有明顯提高,同時(shí)減重189 kg,取得了明顯的輕量化效果,該綜合優(yōu)化方法對(duì)實(shí)際設(shè)計(jì)應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。后續(xù)將結(jié)合對(duì)客車整車骨架安全性的要求,在同時(shí)滿足靜態(tài)、動(dòng)態(tài)性能以及安全性的前提下實(shí)現(xiàn)整車骨架的輕量化。