詹斌，李芹，陶礫瑩

（比亞迪汽車工業(yè)有限公司，廣東深圳518118）

基于剛度的某客車骨架靈敏度分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

詹斌，李芹，陶礫瑩

（比亞迪汽車工業(yè)有限公司，廣東深圳518118）

建立某電動(dòng)客車整車骨架有限元模型，進(jìn)行車身結(jié)構(gòu)的彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度有限元計(jì)算；然后進(jìn)行車身彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度及質(zhì)量對構(gòu)件厚度的靈敏度分析，依據(jù)靈敏度分析結(jié)果，優(yōu)化車身構(gòu)件厚度，提高車身骨架結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度和彎曲剛度，同時(shí)質(zhì)量不增加。

客車懸架；彎曲剛度；扭轉(zhuǎn)剛度；靈敏度分析；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

車身剛度作為汽車最基本、最重要的性能指標(biāo)，是車身設(shè)計(jì)過程中需要重點(diǎn)關(guān)注的性能，也是評價(jià)車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)劣的核心之一。車身剛度直接影響車身的疲勞性能、被動(dòng)安全性能、NVH性能。因此，車身設(shè)計(jì)過程中，必須保證滿足車身結(jié)構(gòu)的剛度要求。對于電動(dòng)客車，車身的輕量化能有效地節(jié)省電能消耗，提高汽車的動(dòng)力性能；從結(jié)構(gòu)上優(yōu)化，并在保證車身剛度的同時(shí)，最大程度地降低車身質(zhì)量，已成為當(dāng)前研究的重點(diǎn)［1-2］。

本文以某電動(dòng)客車為研究對象，利用CAE技術(shù)分析并評價(jià)其剛度特性。根據(jù)靈敏度分析結(jié)果選取優(yōu)化設(shè)計(jì)變量，并對選取的車身構(gòu)件厚度進(jìn)行剛度和質(zhì)量的靜態(tài)靈敏度分析；在獲得靜態(tài)靈敏度信息的基礎(chǔ)上，選擇對車身剛度和質(zhì)量影響較大的構(gòu)件作為優(yōu)化設(shè)計(jì)變量，使車身在滿足剛度性能的同時(shí)，質(zhì)量實(shí)現(xiàn)輕量化［3］。

1　車身剛度計(jì)算

本文中的車身剛度主要包括尾部彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度。尾部彎曲剛度可用車身尾部在鉛垂力作用下產(chǎn)生的撓度大小來描述；扭轉(zhuǎn)剛度可以用車身在扭轉(zhuǎn)載荷作用下產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)角大小來描述。

1.1車身有限元模型建立

將此客車車身骨架模型通過UG軟件轉(zhuǎn)換為‘stp’格式的文件，由有限元前后處理軟件Hyperworks讀入并進(jìn)行適當(dāng)簡化，去掉對整車骨架剛度影響較小的安裝支架，省略內(nèi)飾件、蒙皮、玻璃、電池包等非主要受力構(gòu)件；忽略構(gòu)件上小的倒角、倒邊及孔；不考慮焊接和鉚接結(jié)構(gòu)的失效問題；采用殼單元Quard4和少量Tria3來劃分構(gòu)件，采用RBE2單元模擬焊接和鉚接，以10mm基本尺寸建立車身骨架的有限元模型（圖1），其包括1 872 709個(gè)節(jié)點(diǎn)，1 840 995個(gè)單元；其中三角形單元6 872個(gè)，占單元總數(shù)的0.37%。

1.2客車尾部彎曲剛度計(jì)算

計(jì)算尾部彎曲剛度時(shí)，選取的邊界條件為約束左前空氣彈簧支座處的y、z向自由度，約束右前空氣彈簧支座處的z向自由度，約束左后空氣彈簧支座處的x、y、z向自由度，約束右后空氣彈簧支座處的x、z向自由度；在位于底盤車架尾部橫梁的中間位置，施加沿-z方向大小為5 000N的力載荷。

提交Nastran計(jì)算得到，尾部橫梁加載力位置處的z向位移為4.884mm，并以此撓度值計(jì)算得到尾部彎曲剛度值為1 023.8N/mm。

1.3客車扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算

計(jì)算扭轉(zhuǎn)剛度時(shí)，選取的邊界條件為約束左后空氣彈簧支座處的x、y、z向自由度，約束右后空氣彈簧支座處的x、z向自由度，約束底盤車架最前端橫梁中間位置的六個(gè)方向自由度；在兩個(gè)前空氣彈簧支座處施加大小為2 000N·m的力矩。

提交Nastran計(jì)算得到，前空氣彈簧支座安裝點(diǎn)在y、z平面相對扭轉(zhuǎn)角為0.077°，以此角度值計(jì)算得到扭轉(zhuǎn)剛度為25 974N·m/deg。

將以上得到的此客車的尾部彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度與同系列客車的相應(yīng)剛度值進(jìn)行對比。結(jié)果顯示，此客車尾部彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度均偏小，車身的靜態(tài)剛度有待提高，應(yīng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化來提高車身的尾部彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度。

2　車身結(jié)構(gòu)靈敏度分析及優(yōu)化

2.1靈敏度分析

靈敏度分析可以幫助設(shè)計(jì)者發(fā)現(xiàn)對系統(tǒng)性能影響大的屬性，從而幫助設(shè)計(jì)者提出更好的修改建議，更進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)的性能［4］。車身結(jié)構(gòu)靈敏度分析是車身結(jié)構(gòu)性能參數(shù)ui的變化對車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)xj變化的敏感性，是優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要一環(huán)，可成倍地提高優(yōu)化效率。車身結(jié)構(gòu)的性能參數(shù)對車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)的靈敏度定義為［5］

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借用之前在Hyperworks中建立的車身骨架靜力剛度分析的有限元模型，導(dǎo)出為‘bdf’格式的文件，采用直接編輯‘bdf’文件的方法，在文件的執(zhí)行控制部分將求解類型由SOL101（靜力學(xué)計(jì)算）修改為SOL200（設(shè)計(jì)優(yōu)化計(jì)算）；在工況控制部分添加優(yōu)化類型為static，以及設(shè)計(jì)變量、約束如下［6］：

1）選取車身骨架結(jié)構(gòu)厚度為設(shè)計(jì)變量，車身結(jié)構(gòu)件較多，有601個(gè)［7］。

2）保證扭轉(zhuǎn)剛度和尾部彎曲剛度達(dá)到同系列車型相同水平，計(jì)算時(shí)以測量點(diǎn)的位移上下限為剛度的約束條件。

完成上述設(shè)置后，將文件保存并提交Nastran軟件計(jì)算，在計(jì)算得到的‘f06’文件中可得到車身骨架總質(zhì)量、尾部彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度對構(gòu)件厚度的靈敏度信息。部分靈敏度計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1　桿件厚度及靈敏度

由表1所示的靈敏度計(jì)算結(jié)果，可以挑選對質(zhì)量靈敏度小，而對扭轉(zhuǎn)剛度和尾部彎曲剛度靈敏度大的桿件進(jìn)行適當(dāng)增厚處理；而對質(zhì)量靈敏度大，對扭轉(zhuǎn)剛度和尾部彎曲剛度靈敏度小的桿件進(jìn)行適當(dāng)減厚處理［8］。同時(shí)根據(jù)已有的型材，可得到有代表性的桿件厚度優(yōu)化方案1，如表2所示。

表2　有代表性的部件厚度優(yōu)化方案1

根據(jù)表2可以確定，在車身骨架有限元模型中的主要構(gòu)件為中門上橫梁、左右側(cè)圍裙邊梁、車架中段橫梁、頂圍兩側(cè)縱梁、前后輪包處的立梁等。

2.2基于靈敏度分析的優(yōu)化

將表2中所確定的部件的厚度作為優(yōu)化設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)變量；以車身骨架質(zhì)量小于等于原車身骨架質(zhì)量為約束條件；將計(jì)算扭轉(zhuǎn)剛度和尾部彎曲剛度的組合工況產(chǎn)生的加權(quán)應(yīng)變能最小作為優(yōu)化目標(biāo)；在Hyperworks中用自帶的Optistruct模塊進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算［9］，經(jīng)過3次迭代計(jì)算，優(yōu)化過程結(jié)束。由于優(yōu)化時(shí)部件的厚度是連續(xù)變化的，一些零件的板厚含有多位小數(shù)，并不能用于實(shí)際生產(chǎn)，同時(shí)由于型材型號(hào)的限制，最終方案必須在優(yōu)化的基礎(chǔ)上圓整后得到［10-11］。有代表性的部件厚度優(yōu)化方案2如表3所示。

表3　有代表性的部件厚度優(yōu)化方案2

根據(jù)方案1和方案2中構(gòu)件的厚度數(shù)據(jù)，對有限元模型的厚度重新賦值后進(jìn)行尾部彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度、整車質(zhì)量的計(jì)算，得到的對比結(jié)果見表4。

表4　兩種優(yōu)化方案對比

由表4可以看出，雖然方案1增加的剛度性能較大，但骨架的質(zhì)量增大了50 kg；方案2在剛度增大約5%的情況下，整車骨架的質(zhì)量基本保持不變，不但滿足剛度性能要求，同時(shí)還滿足輕量化設(shè)計(jì)目標(biāo)。

3　結(jié)束語

本文采用有限元方法對某電動(dòng)客車車身的剛度進(jìn)行了計(jì)算，并以車身骨架構(gòu)件的厚度為設(shè)計(jì)變量，計(jì)算得到整車骨架剛度和質(zhì)量的靜態(tài)靈敏度信息，通過靈敏度的結(jié)果選取部分構(gòu)件進(jìn)行厚度的優(yōu)化，最終使整車車身骨架質(zhì)量不增加的情況下，尾部彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度有了顯著提高。在車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中，通過靈敏度分析，避免了結(jié)構(gòu)修改的盲目性，提高了設(shè)計(jì)效率。

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修改稿日期：2015-03-16

Sensitivity Analysisand StructureOp tim ization of a Bus Body Frame Based on Stiffness

Zhan Bin，LiQin，Tao Liying

（BYDAuto Industry Co.，Ltd，Shenzhen 518118，China）

A finite elementmodel of an electric bus frame is built，the bending stiffnessand torsional stiffness are calculated of the body structure；then the sensitivities of bending stiffness，torsional stiffness and mass about the thickness of components are analyzed respectively.Based on the sensitivity analysis results，through optimizing the thickness of the body components，the bending stiffness and torsional stiffness are improved while themass of the body don'tincrease.

bus frame；bendingstiffness；torsionalstiffness；sensitivityanalysis；structureoptimization

U463.82+2

A

1006-3331（2015）05-0016-03

詹斌（1989-），男，助理工程師；從事新能源客車CAE分析工作。