王雨臣

（奇瑞萬達貴州客車股份有限公司，貴陽550000）

混合動力城市客車側(cè)圍骨架結(jié)構(gòu)的二次拓撲優(yōu)化設計

王雨臣

（奇瑞萬達貴州客車股份有限公司，貴陽550000）

以側(cè)圍骨架設計區(qū)域的質(zhì)量分數(shù)為約束響應，以帶權(quán)重的多工況下最小整車骨架柔度為目標函數(shù)，運用SIMP方法對某款低地板混合動力城市客車的側(cè)圍骨架結(jié)構(gòu)進行了詳細的二次拓撲優(yōu)化，并對側(cè)圍骨架結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設計。相比優(yōu)化前的側(cè)圍骨架結(jié)構(gòu)，車身骨架最大應力值平均下降13.99%，結(jié)構(gòu)減重9.78%，并通過了整車定型實驗。

混合動力城市客車；側(cè)圍骨架結(jié)構(gòu)；拓撲優(yōu)化；有限元分析

1　概述

混合動力技術(shù)作為國家大力支持和發(fā)展的一種節(jié)能技術(shù)，在城市客車中率先得以批量運用。混合動力城市客車的節(jié)能和減排的作用得到了市場認可。但是，采用混合動力技術(shù)的城市客車的整備質(zhì)量通常遠高于傳統(tǒng)城市客車，同時其整車的布置和結(jié)構(gòu)特性也與原來有所區(qū)別。因此，如何在新的布置情形下，設計出合理的結(jié)構(gòu)來滿足整車強度、剛度和輕量化的要求是目前該領域的一個重要課題。

在車身結(jié)構(gòu)設計的初始階段引入拓撲優(yōu)化設計，而不是由經(jīng)驗來設計或改造結(jié)構(gòu)的做法已得到現(xiàn)代汽車工程師的認同。對目標設計區(qū)域進行拓撲優(yōu)化，作為結(jié)構(gòu)設計的前提，以使結(jié)構(gòu)具有合理的強度分布、提高結(jié)構(gòu)的剛度和材料利用率，在汽車領域已經(jīng)得到了運用。在客車領域，部分研究人員對車架、車身骨架結(jié)構(gòu)進行了拓撲優(yōu)化［1-8］，其結(jié)果顯示，拓撲優(yōu)化設計出來的結(jié)構(gòu)能夠使材料運用更加合理，結(jié)構(gòu)具有更輕、性能更好的特點。

本文對某款混合動力城市客車進行了結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化。由于我司底架結(jié)構(gòu)設計受制于底盤廠家，因此，將底架和車身骨架進行了分階段的拓撲優(yōu)化。第一階段先獨立進行底架的拓撲優(yōu)化，采用扭轉(zhuǎn)剛度和抗彎剛度為評價指標，并對標傳統(tǒng)大梁車架的相應剛度。將優(yōu)化的底架拓撲構(gòu)型與底盤廠共同討論后完成底架的結(jié)構(gòu)設計。第二階段在優(yōu)化后的底架結(jié)構(gòu)基礎上，建立整車骨架結(jié)構(gòu)分析模型，進行車身骨架結(jié)構(gòu)的拓撲優(yōu)化。通過對拓撲優(yōu)化結(jié)果分析得知：①頂蓋拓撲出來的構(gòu)型為斜撐結(jié)構(gòu)，不便于安裝空調(diào)、超級電容及內(nèi)飾件，且斜撐結(jié)構(gòu)增加了制造難度，即頂蓋拓撲構(gòu)型不太符合實際應用，頂蓋骨架比較適用于尺寸優(yōu)化；②前、后圍骨架受限于造型設計，基本沒有拓撲優(yōu)化空間。

因此，本文重點闡述第二階段的側(cè)圍骨架結(jié)構(gòu)的拓撲優(yōu)化，只以優(yōu)化側(cè)圍骨架結(jié)構(gòu)性能和材料利用率為目的，對某款低地板混合動力城市客車的側(cè)圍骨架結(jié)構(gòu)進行了詳細的拓撲優(yōu)化。并依據(jù)拓撲優(yōu)化結(jié)果和特性，對側(cè)圍骨架結(jié)構(gòu)進行了二次優(yōu)化設計。為了驗證結(jié)構(gòu)的合理性，以及此方法的可行性，該車型經(jīng)過了完整的產(chǎn)品定型試驗過程［9］，同時還增加了3 000 km強化路面試驗。試驗結(jié)果顯示，此車型未有結(jié)構(gòu)缺陷，從而證實了此方法在客車設計中的有效性。

2　側(cè)圍骨架拓撲優(yōu)化建模及計算

2.1側(cè)圍骨架拓撲優(yōu)化思路

拓撲優(yōu)化技術(shù)的基本思想是，將尋求結(jié)構(gòu)的最優(yōu)拓撲問題轉(zhuǎn)化為在給定的設計區(qū)域內(nèi)尋求最優(yōu)材料的分布問題。拓撲優(yōu)化中的拓撲描述方式和材料插值模型非常重要，SIMP法是在理論和工程研究運用中應用前景最為廣泛的物料描述方法［10］。本文采用OptiStruct軟件的優(yōu)化模塊對側(cè)圍結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，其拓撲描述方式和材料插值模型采用的是SIMP方法。

對于一個優(yōu)化設計問題，其三要素是設計變量、目標函數(shù)和約束條件。由于一款車型的外形都有系列性，因此，側(cè)圍骨架結(jié)構(gòu)的窗分型基本已定。加之底盤也基本定型，因此，其設計空間相對較小。而廠家為了減小不同車型中型材的規(guī)格型號，通常又要求其主要結(jié)構(gòu)采用通用規(guī)格。因此，本文在充分考慮側(cè)圍結(jié)構(gòu)的限制下，對側(cè)圍骨架結(jié)構(gòu)作如下定義：

1）設計區(qū)域。側(cè)圍封閉環(huán)之間的斜撐區(qū)域，窗戶加強梁的斜撐區(qū)域。具體設計區(qū)域如圖1所示深色區(qū)域。

2）設計變量。設計空間里的每個單元密度。

3）目標函數(shù)。最小整車骨架各工況加權(quán)柔度（結(jié)構(gòu)應變能），全局質(zhì)量分數(shù)。

4）約束條件。由于還需對優(yōu)化結(jié)果進行后續(xù)改進設計，且為獲得較明顯的骨架結(jié)構(gòu)構(gòu)型布置趨勢，所以將各設計區(qū)域的質(zhì)量分數(shù)約束為不大于0.1。

2.2有限元建模

由于混合動力城市客車的布置形式與傳統(tǒng)城市客車的區(qū)別，造成了整車骨架受力的分布有所不同。為了合理優(yōu)化側(cè)圍骨架結(jié)構(gòu)，有必要將其放在整車骨架結(jié)構(gòu)的分析中進行求解計算。雖然優(yōu)化過程同比會增加計算時間，但是這樣得到的結(jié)果才是較為合理的優(yōu)化結(jié)果。因此，本文建立了整車優(yōu)化前的整車骨架結(jié)構(gòu)模型，并將設計區(qū)域用四面體實體單元描述和定義。最后建立的側(cè)圍骨架結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化模型如圖2所示。其中較大質(zhì)量件都采用集中質(zhì)量方法加載于相應骨架處。

本司與國外某企業(yè)合作建立了空氣懸架的動力學模型，提取了本車型在滿載狀態(tài)下扭轉(zhuǎn)、彎曲、制動等極限和常見工況下的懸架支撐處的反力，具體工況設置見表1。本文有限元模型的懸架支撐力即以提取的極限工況下支撐反力作為模型的外力輸入，整車骨架結(jié)構(gòu)支撐與約束方法采用應力釋放法。

表1　整車邊界條件

2.3拓撲優(yōu)化設置

考慮到側(cè)圍骨架結(jié)構(gòu)的制造特點，并為了減小優(yōu)化中的棋盤格效應，設置側(cè)圍結(jié)構(gòu)的最小和最大成員尺寸分別為30mm和70mm。同時考慮到側(cè)圍結(jié)構(gòu)的特點，防止出現(xiàn)車內(nèi)外側(cè)圍面不同材料分布的情形，采用OptiStruct軟件中的拔模設置。

將左、右側(cè)圍的設計區(qū)域的質(zhì)量分數(shù)作為約束響應條件，以便優(yōu)化結(jié)果能夠具有輕量化的效果。由于不同工況下懸架反饋的受力大小不同，也要求整車在不同工況下有不同的剛度特性。因此，拓撲優(yōu)化時，必須綜合考慮不同的工況。本文設置整車結(jié)構(gòu)的加權(quán)柔度最小為優(yōu)化目標?？紤]到客車的極限制動情況屬于不太常見工況，將其權(quán)重降低，具體權(quán)重設置見表1。

3　拓撲優(yōu)化結(jié)果及分析

3.1拓撲優(yōu)化結(jié)果

采用上述設置，經(jīng)過拓撲優(yōu)化計算，迭代21步得到優(yōu)化結(jié)果。保留設計空間材料密度大于0.4的單元，結(jié)果如圖3所示。

從優(yōu)化結(jié)果可以看出，拓撲優(yōu)化結(jié)果基本符合傳統(tǒng)側(cè)圍結(jié)構(gòu)受力特性，載荷傳遞路徑明顯。載荷路徑基本沿著底架延伸的牛腿橫梁區(qū)域傳遞至側(cè)圍立柱，且反映出側(cè)圍設計時尤其要考慮載荷的傳導?？紤]到整車模塊化、材料規(guī)格的特點，此拓撲結(jié)構(gòu)還需進行二次設計，以便易于加工制造。

3.2側(cè)圍結(jié)構(gòu)的二次設計

根據(jù)拓撲優(yōu)化結(jié)果，對側(cè)圍骨架進行結(jié)構(gòu)及尺寸優(yōu)化設計。在充分考慮載荷傳遞特性、加工難易程度以及整車其它部件安裝結(jié)構(gòu)的情況下，二次設計了優(yōu)化后的側(cè)圍結(jié)構(gòu)，如圖4所示。從二次設計結(jié)構(gòu)可以看出，新側(cè)圍結(jié)構(gòu)與拓撲優(yōu)化結(jié)構(gòu)區(qū)別較明顯，這是由于拓撲優(yōu)化得到的構(gòu)型未包含側(cè)圍與地板的連接結(jié)構(gòu)，且未考慮內(nèi)飾件的裝配。但是新結(jié)構(gòu)的斜撐結(jié)構(gòu)基本利用了拓撲優(yōu)化時的載荷傳遞路徑，尤其加強了右側(cè)中乘客門前和左側(cè)中乘客門對面的斜撐密度，采用了平行2根斜撐結(jié)構(gòu)來進行載荷傳遞。3.3側(cè)圍結(jié)構(gòu)靜力分析

圖5是側(cè)圍骨架在拓撲優(yōu)化前的設計結(jié)構(gòu)。從結(jié)構(gòu)模型來看，由于缺少混合動力側(cè)圍結(jié)構(gòu)設計經(jīng)驗累積，側(cè)圍結(jié)構(gòu)設計偏保守。

采用相同的邊界條件下，對優(yōu)化前后的整車結(jié)構(gòu)模型進行了靜力分析。其邊界條件如表1所示。提取比較關(guān)鍵和受力比較大的4種載荷狀況，對車身骨架結(jié)構(gòu)關(guān)鍵區(qū)域應力進行了對比分析，對比結(jié)果如表2所示。

根據(jù)對比結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，此4種工況下的最大受力區(qū)域基本比較集中，且優(yōu)化前后最大受力區(qū)域不完全相同。同時可以發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)最大應力值平均下降13.99%。優(yōu)化前后側(cè)圍結(jié)構(gòu)重量分別為743.8 kg和671.0 kg，減輕了9.78%。

表2　優(yōu)化前后的車身結(jié)構(gòu)的靜力分析應力情況對比

4　結(jié)論

采用OptiStruct軟件的優(yōu)化模塊對混合動力城市客車的側(cè)圍結(jié)構(gòu)進行了詳細的二次拓撲優(yōu)化。優(yōu)化過程中，以側(cè)圍骨架設計區(qū)域的質(zhì)量分數(shù)為約束響應，以帶權(quán)重的多工況下最小整車骨架柔度為目標函數(shù)。結(jié)合優(yōu)化結(jié)果，對側(cè)圍結(jié)構(gòu)進行了二次設計，并將優(yōu)化設計的側(cè)圍結(jié)構(gòu)運用于整車結(jié)構(gòu)中。結(jié)論如下:

1）相比優(yōu)化前的側(cè)圍骨架結(jié)構(gòu)，車身骨架的最大應力值平均下降了13.99%，結(jié)構(gòu)減重9.78%，。

2）車身結(jié)構(gòu)設計時，并非結(jié)構(gòu)剛度足夠大就能減小局部結(jié)構(gòu)應力集中，而是要找到一種平衡的結(jié)構(gòu)，才能夠最大限度地保證結(jié)構(gòu)的受力合理。且側(cè)圍結(jié)構(gòu)對車身結(jié)構(gòu)的應力分布存在比較大的影響。

3）優(yōu)化的結(jié)構(gòu)通過了整車定型實驗，從側(cè)面表明了此拓撲優(yōu)化設計思路和方法在客車車身設計中是切實可行的。

［1］趙永輝.大客車車身骨架結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化設計［D］.湖北：武漢理工大學，2008.

［2］范文杰，范子杰，桂良進，等.多工況下客車車架結(jié)構(gòu)多剛度拓撲優(yōu)化設計研究［J］.汽車工程，2008，30（6）:531-533.

［3］高云凱，周曉燕，余海燕，等.城市公交客車車身結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化設計［J］.公路交通科技，2010，27（9）:154-157.

［4］楊蔓，劉向征，田晟.某款電動客車車架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化［J］.客車技術(shù)與研究，2012，24（3）:14-16.

［5］張勝蘭，康元春，王衛(wèi).中型客車車架結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化設計［J］.汽車技術(shù)，2012，（6）:36-39.

［6］鄧仲卿，陽林，李琦，等.城市電動客車車身結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化設計［J］.客車技術(shù)與研究，2013，35（2）:7-9.

［7］周偉，宋學偉.客車車身結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化設計［J］.客車技術(shù)與研究，2012，34（6）:9-11.

［8］劉成武，梁輝泉，洪亮.公交客車車身骨架拓撲優(yōu)化結(jié)構(gòu)分析［J］.機電技術(shù)，2013，（1）：2-4.

［9］GB/T 13043-2006，客車定型試驗規(guī)程［S］.北京：中國標準出版社，2006.

［10］劉志強，王明強.基于SIMP拓撲優(yōu)化理論的結(jié)構(gòu)概念設計研究［J］.江蘇科技大學學報：自然科學版，2006，（1）:65-68.

修改稿日期：2015-08-02

Secondary TopologicalOptimalDesign of Side-wall Framework Structure for Hybrid City bus

Wang Yuchen
（Chery&Wanda BusCo.，Ltd，Guiyang 550000，China）

The detailed secondary topologyoptimization iscarried out to theside-wall framework structure for a low floor hybrid city buswith SIMP method，which sets themass-fraction of side-wall framework design region as the restraintresponseand sets theminimum flexibilityofwhole vehicle framework as theobjective functionwithweightedmulti-load cases.Meanwhile，the side-wall framework structure is optimally designed.Compared with original structure，the stress of the whole vehicle body framework structure is decreased by 13.99%，and the weight of side-wall framework is reduced by9.78%，and thenew side-wall framework structure ispassed through the type test ofwholevehicle.

hybrid citybus；side-wall framework；topologyoptimization；FEA

U463.83+1

B

1006-3331（2015）05-0022-04

王雨臣（1970-），男，工程師；總經(jīng)理。